淺析換熱管在脹接時開裂的原因

龔道平

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院岳陽分院，湖南 岳陽 414000）

2019年6月下旬，在某壓力容器制造廠監檢時發現：一臺換熱器的多只換熱管（材質為09MnD規格為Φ19*2mm）在進行水壓試驗時有泄漏現象，經檢查初部確認泄漏的部位非焊接部分，而是換熱管本身存在質量問題，但換熱管本身在入廠已進行水壓、渦流及UT檢測等各種檢測試驗。為找出泄漏點，確認泄漏點形成的原因，決定將換熱器有泄漏的換熱管抽出，對其先進行PT檢測，檢測發現換熱管端部存疑是裂紋的缺陷顯示。隨后對換熱管器進行解剖，發現換熱管管壁開裂，裂紋形狀為：內表開口大，且向外延伸至穿透（見圖1abc），裂紋位置為液囊脹管位置。從而進一步確認該次泄漏是由于換熱管產生了裂紋引起的，由此對換熱管的化學成分、硬度等進行檢測分析，以確認形成裂紋的原因。

1 宏觀形貌

三支典型缺陷的樣管，照片如圖1（a）所示，按圖示的部位進行相應的分析。將缺陷解剖放大，如圖1（b）所示，缺陷宏觀形貌一致，長度3～5cm。將3支樣管切開，分別進行成分分析、壓扁擴口試驗、室溫拉伸試驗及金相檢驗，具體如下，試樣編號見表1。

圖1 宏觀照片

表1 試樣編號

2 檢測分析

2.1 化學成分

采用Spark CCD 6000直讀光譜儀對低溫用換熱管試樣進行化學成分分析，其結果如表2所示?？梢姌庸艹煞志鶟M足采購標準NB/T47019-2011要求。

表2 化學成分（質量分數，%）

2.2 室溫拉伸試驗

按GB/T228.1-2010要求對所取樣管進行室溫拉伸試驗，結果見表3，可見樣管室溫拉伸性能均滿足采購標準NB/T47019-2011要求，尤其延伸率均大于等于40%，可見其塑性較好。

表3 室溫拉伸試驗結果

2.3 壓扁試驗

按GB/T246-2007要求對所取樣管進行壓扁試驗，壓扁后平板距離H分別為：11mm，壓扁后試樣宏觀照片見圖2所示，可見壓扁后樣管表面均無裂紋0。結果表明，管材抗縱向開裂和抗環向開裂能力良好，內部及表面無明顯缺陷。

圖2 換熱管壓扁后宏觀照片

2.4 擴口試驗

按GB/T 242-2007對所取樣管進行擴口試驗，擴口頂芯錐度為60°，外徑擴口率為10%，擴口后試樣宏觀照片見圖3所示，可見擴口后樣管表面無裂紋。

圖3 試樣擴口后宏觀照片

2.5 硬度測定

為驗證管子熱處理交貨狀態，進行了硬度檢測，其結果為：173、169和166HBW，符合GB/9948-2013的要求。見圖4和表4。

圖4 硬度檢測試樣

表4 硬度檢測

2.6 金相組織

在圖1（a）中標識位置切取金相試樣，橫向磨拋后采用5%的硝酸酒精腐蝕，其金相組織如圖5所示。由圖5可以看出，缺陷均成貫穿性，缺陷及附近基體處的顯微組織均正常；顯微形貌看，缺陷形貌一致，缺陷均起源于管子內表面，呈開口狀，晶粒圓潤，表明此處缺陷是管子出廠前就已存在，此處缺陷與管子徑向呈約15°夾角，在接近外表面時呈V形，且晶粒出現輕微拉長，晶粒拉長位置見圖中標識。

圖5 金相試樣橫向金相組織（40×）

3 結論

綜合上述試驗分析，可以得出以下結論：

（1）低溫換熱管的化學成分、室溫拉伸性能、硬度檢測、壓扁擴口試驗等均滿足采購技術條件NB/T47019-2011要求；且管材本身具有良好的塑性。在進行了壓扁實驗后得出結論，管材抗縱向開裂和抗環向開裂能力良好，內部及表面無明顯缺陷。

（2）上述管子在出廠前就已存在由于晶粒拉長產生的缺陷，在設備制造過程中，因設計要求，換熱管與管板要進行強度焊和脹接連接，該缺陷在正常液囊脹壓力（120MPa～140MPa）的作用下開裂擴展至貫穿。

（3）不管金屬的斷裂屬于哪種機理，但裂紋的萌生，擴展以及最終的斷裂在晶體學中只有兩種微觀上的基本途徑，即穿晶斷裂和沿晶斷裂。有時也有混合型的。

除金相法外，斷口電子顯微形貌（掃描電鏡，SEM）也可直接對穿晶或沿晶或混合型斷裂途徑直接做出判斷。

斷口在掃描電鏡中的形貌，一般是韌窩、河流狀解理以及準解理花樣的斷口直接對應的是穿晶斷裂；各種巖石狀和冰糖狀花樣對應的是沿徑斷裂；疲勞輝紋花樣對應的也是穿晶途徑，高溫蠕變斷口是沿晶的但高溫蠕變疲勞斷裂有時則是沿晶界的疲勞輝紋花樣。

韌窩花樣。韌性斷裂中，斷口形貌主要是韌窩花樣。韌窩深度與夾雜物尺寸和材料優良有關。河流花樣。脆性金屬材料發生穿晶解理脆斷。準解理斷口。介于解理與韌窩之間，馬氏體回火組織鋼，貝氏體組織鋼，更多的是在韌性斷裂發展到快速撕裂階段時發生準解理斷裂。疲勞條帶（疲勞輝紋）。形貌是肉眼可見的貝殼紋或海灘紋，或是輪胎花樣壓痕。沿晶斷口。呈巖石狀或冰糖花樣，宏觀上也呈脆性斷裂狀。泥狀花樣。平坦，像開裂的泥土。是應力腐蝕所形成的。技術檢測分析之后，然后確定失效形式，確定失效類型，確定失效原因（可考慮設計因素，應力因素，材料因素，制造因素，環境因素等）。

4 措施

（1）控制晶粒大小。晶粒大小對金屬的性能有重要影響。常溫條件下，晶粒越細小，其強度、硬度越高，塑性、韌性越好。由于實驗表明該次缺陷系晶粒拉長所造成，而晶粒長大的實質是一種晶界的位移，溫度、分散相粒子、雜質與微量合金元素都會造成這種位移。為防治此類現象，特提出從下列兩點建議來控制晶粒大?。孩僭龃筮^冷度，增大過冷度可提高晶核形成率與晶核成長率的比值，有利于晶粒細化。②變質處理，加入變質劑（某些合金），造成更多的非自發晶核的固態質點，這樣可以在很大程度上增加晶核數目，從而提高形核率來細化晶粒。

（2）選擇合適的焊接工藝。在生產過程中，除了應根據產品結構、板厚、性能等基本要求外，由本例看出還應注意分別確定最深、最淺的裂紋位置，根據不同的裂紋深度選擇合適的焊接工藝。

（3）在使用改換的換熱管前，應當進行上述化學成分分析、室溫拉伸試驗、壓扁試驗、擴口試驗、硬度測定、金相組織分析等一系列分析檢測，根據給定的工藝設計條件，遵循現行的規范標準規定，在確保安全的前提下，經濟正確的選擇材料。在確定各項均符合各類標準要求后，方能使用新管。