316L不銹鋼板式換熱器泄漏原因

吳建華, 李平平, 李玉新, 吳 特

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011；2.中國鐵路武漢局集團有限公司 江安機務段， 武漢 430301)

板式換熱器是由許多波紋形的傳熱板片按一定間隔、通過橡膠墊片壓緊組成的可拆卸的換熱設備，工作過程中，相鄰通道中兩種不同流體形成的逆流或順流通過板片進行熱量的交換[1]。板式換熱器具有換熱效率高、物料流阻損失小、結構緊湊、溫度控制靈敏、操作彈性大、裝拆方便、使用壽命長等特點。目前板片通常采用奧氏體不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等材料經冷沖壓成形制備[2-6]。

某廠生產的板式換熱器材料為316L不銹鋼，熱側為高溫水蒸氣(200～300 ℃)，冷側為質量分數為3%的NaOH(20～100 ℃)，設計壽命為30 a(年)，在使用約半年后陸續出現小批量泄漏事故。為找到該批次板式換熱器的泄漏原因，筆者對其進行了理化檢驗及分析，并提出了有效的改進和預防措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為泄漏板片的宏觀形貌，可見泄漏位于板片冷沖壓成形過程中變形最大的波峰和波谷處，且泄漏處有裂紋和凹坑存在，部分裂紋局部穿過凹坑。泄漏部位及周圍未見明顯塑性變形、磕碰擦傷等異常損傷情況，裂紋表現為脆性開裂特征。

圖1 泄漏板片宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of leakage plate：a) overall morphology; b) leakage position morphology at wave crest and wave trough

1.2 掃描電鏡和能譜分析

在圖1b)箭頭所指部位取樣清洗后用掃描電鏡進行表面形貌分析，并用能譜儀進行微區成分分析。圖2為試樣表面泄漏部位的低倍微觀形貌，可見網狀裂紋和凹坑，裂紋呈分叉狀穿過部分凹坑，整體與宏觀形貌一致。圖3是泄漏部位局部高倍微觀形貌和能譜分析結果，可見凹坑中和裂紋中均有腐蝕產物，腐蝕產物中含有較多的Cl-和S2-等腐蝕介質。

圖2 不同表面泄漏部位低倍微觀形貌Fig.2 Micro morphology of different surface defects at low magnification：a) position 1; b) position 2

將圖2a)中長裂紋打開進行觀察，斷口微觀形貌如圖4所示。可見裂紋源區位于凸起側表面，被厚厚的腐蝕產物覆蓋，形貌難以觀察；裂紋擴展區微觀形貌以穿晶解理和二次裂紋為主。

1.3 金相檢驗

沿表面腐蝕較為嚴重處切割取縱向試樣進行金相檢驗，如圖5所示。可見彎曲表面(波峰)存在多處深淺不一的腐蝕坑，裂紋多從腐蝕坑底部呈放射狀擴展，有的裂紋擴展至另一面而裂透(裂透部位發生泄漏)，有的裂紋擴展相對較淺。此外，彎曲表面缺陷部位由于受力產生較大變形，其晶粒被拉長，因而會產生一定的形變硬化現象。心部基體顯微組織為奧氏體，晶粒度8.0級。結合電鏡分析結果可綜合判斷板片開裂處具有應力腐蝕特征[7]。

圖5 泄漏板片不同部位的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of different positions of leakage plate:a) polished morphology of cracked position; b) microstructure morphology of cracked position; c) deformation structure of cracked position;d) microstructure morphology of core matrix

1.4 顯微硬度檢測

對泄漏板片縱截面彎曲表面的晶粒拉長變形區(波峰)與正常基體部位(1/2高度處)分別進行了顯微硬度檢測，缺陷附近的顯微硬度為380～390 HV0.3，正常基體部位的顯微硬度為270～280 HV0.3,可見缺陷附近晶粒拉長變形部位的顯微硬度較基體晶粒正常部位的高約110 HV0.3。

1.5 殘余應力分析

圖6為板片加工殘余應力模擬示意圖，可知波峰和波谷(開裂位置)殘余拉應力為40 MPa，明顯高于正常應力狀態(小于15 MPa)，資料[8-9]指出,穿晶應力腐蝕裂紋的產生主要與在應力作用下環境介質誘發的解理開裂有關，裂紋的擴展則是在腐蝕介質和應力的共同作用下進行的，而足夠的應力和腐蝕介質是產生應力腐蝕的必備條件，且拉應力越大，金屬材料發生斷裂的時間越短。

圖6 板片殘余應力模擬示意圖Fig.6 Simulation diagram of plate residual stress

2 分析與討論

根據上述檢驗結果可知，板片泄漏位置主要在波峰和波谷處，無明顯塑性變形，呈脆性開裂特征，裂紋以穿晶解理形貌為主，整體表現為應力腐蝕開裂[10-11]。一般應力腐蝕的必備條件包括特定材料、應力和腐蝕介質3個方面，在材料確定的情況下，后兩者顯得尤為重要。其中應力因素多以拉應力為主[12]。通常情況下，拉應力主要來自材料的加工和使用過程，大致分為工作應力、殘余應力、熱應力和結構應力4種類型，研究[13-14]表明，冷加工產生的表面殘余拉應力是奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕的主要原因之一，也是該板片中的應力類型。其次，熱蒸汽側腐蝕產物中檢測到Cl-和S2-等腐蝕介質，尤其Cl-的存在，是關鍵的環境因素。此外，溫度也是影響應力腐蝕的重要因素，板片熱側為高溫蒸汽，隨溫度的升高，腐蝕介質擴散速率增大，引起腐蝕介質濃度的下降，即316L不銹鋼應力腐蝕敏感性指數明顯增大[15]。在上述多重因素的綜合作用下，316L不銹鋼板片最終發生了早期應力腐蝕開裂。

3 結論及建議

(1) 316L不銹鋼板片的開裂泄漏為應力腐蝕開裂。

(2) 冷加工產生較大的殘余拉應力和環境中存在Cl-，導致殘余應力較大的波峰和波谷處產生裂紋和腐蝕坑，是造成板片發生早期失效的主要原因，而高溫工作環境加速了點蝕的產生及裂紋的萌生和擴展，最終板片發生泄漏。

(3) 建議改進板片的加工方式，增加去應力處理工序，同時嚴格監控Cl-的濃度，必要時進行相關試驗驗證。