板式熱交換器板片應(yīng)力腐蝕失效分析

王曉偉，耿言隆， 仇 穎

(上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 201508)

1 引言

板式熱交換器是通過(guò)外力將換熱板片和密封墊片夾緊組裝在一起的設(shè)備，因具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、熱損失小、拆裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等眾多領(lǐng)域[1]。

圖1 板片開(kāi)裂位置示意圖(冷側(cè))

板式熱交換器主要的失效形式有密封失效、腐蝕失效和結(jié)垢堵塞等[2-3]，其中由于不銹鋼板片的腐蝕失效造成的經(jīng)濟(jì)損失較為嚴(yán)重。不銹鋼作為易鈍化的金屬材料，在腐蝕環(huán)境中容易發(fā)生由鈍化膜破壞引起的局部腐蝕，在實(shí)際工程中局部腐蝕所造成的不銹鋼設(shè)備的事故遠(yuǎn)比全面腐蝕多，且局部腐蝕常常發(fā)生在無(wú)宏觀變形、甚至沒(méi)有預(yù)兆的條件下。

根據(jù)對(duì)不銹鋼腐蝕破壞的大量事故統(tǒng)計(jì)，局部腐蝕中應(yīng)力腐蝕占比最高，約為40%～60%；點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕次之，約為20%左右；晶間腐蝕、疲勞腐蝕與全面腐蝕占比相近，約為10%左右[4]。

2 背景

某化工廠所使用的板式熱交換器設(shè)備，設(shè)備正常運(yùn)行兩年后，板片破裂導(dǎo)致內(nèi)漏。將設(shè)備拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)板片導(dǎo)流區(qū)密封槽底部開(kāi)裂，詳見(jiàn)圖1所示。板片材質(zhì)為S30400不銹鋼，冷側(cè)介質(zhì)為冷卻水，進(jìn)口溫度70 ℃，出口溫度85 ℃，工作壓力小于0.3 MPa；熱側(cè)介質(zhì)為高溫蒸汽，進(jìn)口溫度145 ℃，出口溫度95 ℃，工作壓力小于0.3 MPa。本文將對(duì)該工況介質(zhì)及失效板片進(jìn)行相關(guān)理化檢驗(yàn)和失效分析，為避免設(shè)備重復(fù)失效奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 理化檢驗(yàn)與分析

3.1 宏觀分析

開(kāi)裂板片除導(dǎo)流區(qū)密封槽底部有一個(gè)條形裂紋，未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕、穿孔、磨蝕等腐蝕痕跡，條形裂紋及周邊未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形。開(kāi)裂局部的冷側(cè)(板片正面)表面覆有黃褐色垢層，熱側(cè)(板片背面)為二道密封內(nèi)部，不接觸介質(zhì)，這表明板片開(kāi)裂源于冷側(cè)，與板片材料化學(xué)成分、冷側(cè)冷卻水的化學(xué)成分、板片密封槽底部較高的殘余應(yīng)力和設(shè)備運(yùn)行內(nèi)壓等因素有關(guān)。

3.2 化學(xué)成分分析

從失效板片上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，失效板片化學(xué)成分滿足ASME A240-2019中S30400奧氏體不銹鋼成分要求，失效板片化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求。

表1 失效板片化學(xué)成分

3.3 介質(zhì)成分分析

從失效設(shè)備的管道處取冷側(cè)冷卻水和熱側(cè)冷凝水，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，冷側(cè)冷卻水呈弱酸性，含微量腐蝕元素氯和硫。熱側(cè)冷凝水中未發(fā)現(xiàn)腐蝕元素，說(shuō)明條形裂紋與冷側(cè)介質(zhì)的微量腐蝕元素有關(guān)。

表2 介質(zhì)檢驗(yàn)

3.4 殘余應(yīng)力分析

在失效板片的密封槽底隨機(jī)抽選多點(diǎn)位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。密封槽位置多個(gè)測(cè)點(diǎn)為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力均值為171 MPa；僅有一處壓應(yīng)力，數(shù)值為-77.5 MPa。測(cè)試結(jié)果表明密封槽上殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生的必要條件。

表3 密封槽殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3.5 掃描電鏡及能譜分析

圖2 試樣斷口位置SEM照片1(500X)

在板片條形裂紋斷面處切取試樣，為保證切取的保護(hù)斷面組織不變和不受污染，使用吹風(fēng)機(jī)吹凈浮塵。按照J(rèn)Y/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》的要求(檢測(cè)環(huán)境濕度為45%，環(huán)境溫度20 ℃)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口位置進(jìn)行微觀形貌觀察，試樣斷口表面微觀形貌如圖2、圖3所示，斷口位置可見(jiàn)解理面、“河流花樣”和二次裂紋，呈解理斷口特征，是一種穿晶型脆性斷口，局部位置覆蓋大量的腐蝕產(chǎn)物，是奧氏體不銹鋼氯化物應(yīng)力腐蝕的典型斷口形貌[5]。

圖3 試樣斷口位置SEM照片2(500X)

按照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17359-2012《微束分析 能譜法定量分析》的要求，采用能譜法檢測(cè)試樣斷口位置多組腐蝕產(chǎn)物的元素含量，測(cè)量結(jié)果如表4所示。由圖4可知，斷口表面腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯元素和硫元素，且氯元素和硫元素來(lái)源于冷側(cè)冷卻水。奧氏體不銹鋼板片長(zhǎng)期處于高溫腐蝕介質(zhì)環(huán)境和殘余應(yīng)力條件下，極易造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

表4 斷口位置EDS檢測(cè)結(jié)果 %

3.6 金相分析

在板片條形裂紋斷面附件切取試樣，并用樹(shù)脂進(jìn)行熱鑲嵌，磨拋至鏡面后按照GB/T 13298-2015《金相顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，試樣存在2處裂紋，裂紋均為冷側(cè)向熱側(cè)擴(kuò)張發(fā)展，呈現(xiàn)樹(shù)枝狀分布，存在穿晶型裂紋，為典型的應(yīng)力腐蝕形貌。

圖4 試樣未腐蝕金相照片(100X)

圖5 試樣腐蝕后金相照片(200X)

4 原因分析與討論

從宏觀分析來(lái)看，失效板片開(kāi)裂位置附近無(wú)明顯塑性變形；結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，開(kāi)裂位置熱側(cè)(板片背面)不接觸介質(zhì)。結(jié)合化學(xué)成分和介質(zhì)成分分析結(jié)果，板片材料與設(shè)計(jì)相符；冷側(cè)介質(zhì)冷卻水中含有微量腐蝕元素氯和硫，且呈弱酸性，而熱側(cè)介質(zhì)無(wú)腐蝕元素，表明腐蝕由冷側(cè)介質(zhì)誘發(fā)。

殘余應(yīng)力分析結(jié)果表明，失效板片成型后密封槽位置殘余大量的拉應(yīng)力，這是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生的必要條件，說(shuō)明板片裂紋可能為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

掃描電鏡和能譜分析結(jié)果表明，失效板片斷口位置為解理斷口，是一種穿晶型脆性斷裂，斷裂位置腐蝕產(chǎn)物中含有大量的氯元素和硫元素。奧氏體不銹鋼在含有氯元素和硫元素的介質(zhì)中易發(fā)生點(diǎn)腐蝕，且密封槽底面容易富集水垢和腐蝕產(chǎn)物，引起密封槽底面腐蝕元素氯和硫的濃度增大，促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生與發(fā)展。

金相分析結(jié)果表明，失效板片裂紋發(fā)展方向均為冷側(cè)向熱側(cè)擴(kuò)張，均呈現(xiàn)樹(shù)枝狀分布，存在穿晶型裂紋，為典型的應(yīng)力腐蝕形貌。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)多種現(xiàn)代化測(cè)試手段對(duì)某工廠板式換熱器的失效板片進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該板片條形裂紋源于冷卻水側(cè)；密封槽位置成型后存在殘余拉應(yīng)力，在高溫氯元素腐蝕環(huán)境條件下，長(zhǎng)期承受介質(zhì)內(nèi)壓和板片背部密封墊的夾緊力，密封槽位置首先發(fā)生點(diǎn)腐蝕，隨著水垢和腐蝕產(chǎn)物的富集，密封槽位置腐蝕元素氯和硫的濃度持續(xù)增大，最終形成了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

為避免在該工況條件下再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂并提高產(chǎn)品使用壽命，現(xiàn)有如下幾點(diǎn)建議：

(1)正確選用板片材料

(2)不銹鋼板片的表面鈍化處理

(3)降低介質(zhì)的腐蝕性

(4)降低殘余應(yīng)力

(5)使用緩蝕劑

(6)電化學(xué)保護(hù)法[6]。