板式換熱器板片損壞原因分析

蘇 超

(山西省機電設計研究院有限公司，山西 太原 030009)

1 問題的提出

某熱力供熱有限公司板式換熱機組停運后拆開機組清洗板片時發(fā)現板式換熱器共計180片板片中約40片有不規(guī)則的孔洞，板片一次循環(huán)水進水側人字形右側膠墊部位有疑似裂紋狀裂縫，為查找損壞原因，對板式換熱器板片損壞原因進行分析鑒定。

2 事故現場與情況說明

某熱力供熱有限公司稱：2013年9月從某熱能科技有限公司訂購了板式換熱機組4套(其中，3套7 MW，1套5 MW，每套機組中有1臺板式換熱器)及單獨的板式換熱器2臺(均為7 MW)，單獨購置的2臺板式換熱器與原有的換熱站配套使用，除其中1套7 MW換熱機組未投入使用外，其余全部于2013年11月陸續(xù)投入使用，至2014年4月6日停運，停運后拆開機組清洗板片時發(fā)現7 MW板式換熱器共計180片板片中約40片有不規(guī)則的孔洞，板片一次循環(huán)水進水側人字形右側膠墊部位有疑似裂紋狀裂縫(每片問題板片都是此部位有問題，呈規(guī)則性)。

供暖季運行情況如下：

(1) 換熱器一次循環(huán)水進水壓力為1.48 MPa，進水溫度為95±5 ℃；一次循環(huán)水出水壓力為1.47 MPa，出水溫度為65±5 ℃；介質為高溫熱水。

(2) 換熱器二次循環(huán)水進水壓力為0.60 MPa，進水溫度為45±5 ℃；二次循環(huán)水出水壓力為0.59 MPa，出水溫度為60±5 ℃；介質為被加熱水。

(3) 換熱器水系統(tǒng)循環(huán)流程是一次側交換熱水上進下出，二次側被加熱水下進上出(人站立正對面是一、二次側進、出水口)，一、二次系統(tǒng)各自密閉循環(huán)。

(4) 二次側被加熱水是一次側水排放入站內水箱，由補水泵抽取補入二次系統(tǒng)，所以一、二次系統(tǒng)水質一樣，同屬熱源廠補給水，由熱源首站向水中按100∶1加入高溫阻垢分散劑。

(5) 板式換熱機組由廠方安裝、調試后投運，實際運行時間是4個半月。

3 檢驗過程

圖1為送檢板式換熱器板片(共7片)，其中，城東換熱站(7 MW)問題板片4片，編號分別為1#、2#、3#、4#；城南新區(qū)換熱站(7 MW)問題板片2片，編號分別為5#、6#；未投入使用的板式換熱器板片1片，編號為7#。

圖1 送檢板式換熱器板片(共7片)

3.1 宏觀分析

送檢的6片問題板片存在類似問題，在一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位有寬窄不一、形狀各異、深淺不等、斷續(xù)分布的長條形缺陷，嚴重處已形成孔隙型裂縫；同時板片上還隨機分布有不規(guī)則形狀的孔洞，每個板片上孔洞缺陷數量、分布區(qū)域不盡相同。根據送檢板式換熱器板片缺陷分布特征，針對3#和6#板片進行解剖，做進一步全面試驗分析。

(1) 3#板片：一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位的條形缺陷較淺、無孔隙，但板片上隨機分布的不規(guī)則形狀的孔洞數量較多，分布區(qū)域較廣，如圖2、圖3所示。

(2) 6#板片：一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位長條形缺陷較嚴重部位有三處，已形成長片狀孔隙，而且不規(guī)則形狀的孔洞數量較多，如圖4、圖5所示。

圖4 6#板片長條形+孔洞缺陷宏觀形貌 圖5 6#板片平面和棱邊緣分布孔洞宏觀形貌

圖2 3#板片凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位長條形缺陷形貌 圖3 3#板片上3個孔洞分布宏觀形貌

3.2 換熱器板片材質分析

換熱器板片材質為316L，板片基體化學成分檢測結果如見表1。

表1 換熱器板片基體化學成分(質量分數) %

檢測結果表明，板片材料成分符合GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》規(guī)定的要求。

3.3 顯微組織分析

3.3.1 純凈度檢測

分別對3#板片和6#板片做鋼中純凈度檢測，結果如下(如圖6、圖7所示)：

圖6 3#板片夾雜 圖7 6#板片夾雜

3#板片(級)：A 0.5、B 0.5、C 1.5、 D 0.5、Ds 0.5。

6#板片(級)：A 0.5、B 0.5、C 1.5e、D 0.5、Ds 0.5。

檢測結果表明，兩板片鋼中純凈度較好，符合標準要求。

3.3.2 基體組織

(1) 3#板片基體組織為變形的奧氏體，呈纖維狀組織，晶粒度8.0級，同時在奧氏體基體上還分布有沿軋制變形方向分布的α-相鐵素體，最嚴重處α-相鐵素體面積含量可達1.5級，即α-相鐵素體面積含量>5%～8%，如圖8、圖9所示。

圖8 3#板片基體組織 圖9 3#板片α-相鐵素體

(2) 6#板片基體組織為變形的奧氏體，呈纖維狀組織，晶粒度8.0級，同時在奧氏體基體上還分布有沿軋制變形方向分布的α-相鐵素體，最嚴重處α-相鐵素體面積含量可達2.0級，即α-相鐵素體面積含量>8%～12%，如圖10、圖11所示。

圖10 6#板片基體組織 圖11 6#板片α-相鐵素體

3.4 掃描電鏡微區(qū)分析和能譜微區(qū)成分分析

3.4.1 6#板片

6#板片缺陷區(qū)掃描電鏡微區(qū)分析表明，長片狀孔隙呈現陡峭側壁、較平緩的孔底，中間大面積已形成孔隙，孔邊很薄參差不齊，孔壁沿晶腐蝕花樣呈平行的條紋狀和整體的波紋擴展趨勢，是快速腐蝕疲勞的典型形貌；腐蝕孔周圍平面區(qū)域已顯露腐蝕跡象，同時還有近似圓形孔洞，可見清晰紋理的腐蝕花樣，是快速點腐蝕的典型形貌，如圖12～圖17所示。

圖12 6#板片孔隙形貌 圖13 6#板片孔隙腐蝕坑形貌

圖14 6#板片沿晶腐蝕+疲勞條紋 圖15 6#板片孔邊腐蝕花樣

圖16 6#板片條紋狀腐蝕坑花樣 圖17 6#板片坑旁腐蝕花樣

電鏡能譜定性、定量分析可知，基體中除含有Fe、Cr、Ni、Mo等鋼中正常含有元素外還發(fā)現有Na、S等元素，特別是腐蝕坑內含有較高的Na、S元素，最高處Na含量(質量分數)高達9.98%、S含量(質量分數)已達1.01%，如圖18所示。分析結果表明：換熱器板片局部區(qū)域產生嚴重的孔隙型腐蝕和快速點腐蝕破壞，腐蝕與所在部位應力狀態(tài)和局部環(huán)境相關。

圖18 6#板片電鏡能譜定性、定量分析結果

3.4.2 3#板片

3#板片缺陷區(qū)掃描電鏡微區(qū)分析表明，腐蝕點呈現幾乎垂直的陡峭側壁、坑底平緩的坑孔，孔邊很薄且參差不齊，孔壁沿晶腐蝕花樣同樣呈波紋擴展趨勢，是快速點腐蝕的典型形貌。而棱邊同樣有長片狀腐蝕坑，可見清晰紋理的腐蝕花樣，只是腐蝕程度較輕未形成孔隙，如圖19～圖25所示。

圖19 3#板片條形腐蝕坑 圖20 3#板片深淺不等的腐蝕坑

圖21 3#板片腐蝕坑擴展形貌 圖22 3#板片快速擴展腐蝕波紋

圖23 3#板片孔洞腐蝕花樣 圖24 3#板片孔旁腐蝕花樣

圖25 3#板片 孔底腐蝕花樣

電鏡能譜定性、定量分析可知，基體中除含有Fe、Cr、Ni、Mo等鋼中正常含有元素外同樣發(fā)現有Na、S等元素，特別是腐蝕坑內含有較高的Na、S等元素，最高處Na含量(質量分數)可達3.01%、S含量(質量分數)可達1.01%，如圖26所示。分析結果表明：換熱器板片局部區(qū)域產生長條形坑狀腐蝕和快速點腐蝕破壞，腐蝕與所在部位應力狀態(tài)和局部環(huán)境相關。

圖26 3#板片電鏡能譜定性、定量分析結果

4 討論分析

(1) 板式換熱器板片材質分析檢測結果表明，所用板片材料成分符合316L不銹鋼成分要求。

(2) 顯微組織分析檢測結果表明，板片鋼中純凈度較好，在合格范圍內。板片顯微組織為變形的奧氏體，呈纖維狀組織分布，晶粒度8.0級，同時在奧氏體基體上還分布有沿軋制變形方向分布的α-相鐵素體，最嚴重處α-相面積含量可達2.0級，即α-相面積含量>8%～12%，這通常是在固溶處理時加熱或保溫不足產生的。在奧氏體基體上析出α-相鐵素體，構成兩相組織，即產生一定的磁性；同時還有不利的方面是鐵素體和奧氏體的電位不同，腐蝕傾向增加，尤其是易形成微電池，顯著增加點腐蝕傾向。

(3) 根據宏觀、微觀分析可知，送檢的問題板片存在類似問題，在一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位有寬窄不一、形狀各異、深淺不等、斷續(xù)分布的長條形缺陷，嚴重處已形成孔隙型裂縫；同時板片上還隨機分布有不規(guī)則形狀的孔洞。缺陷區(qū)掃描電鏡微區(qū)分析表明，換熱器板片局部區(qū)域產生嚴重的孔隙型腐蝕和快速點腐蝕破壞，腐蝕與所在部位應力狀態(tài)和局部環(huán)境相關，是由應力腐蝕開裂產生的，而裂紋擴展是腐蝕疲勞所造成的開裂腐蝕。

(4) 在板式換熱器運行過程中，換熱器水循環(huán)可造成板片各部位產生作用應力，尤其是在一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位作用應力較大。同時膠墊邊緣對應部位、凸棱邊緣可以形成縫隙腐蝕環(huán)境，這是因為兩塊金屬表面或是在一塊金屬表面與另一塊非金屬表面之間的連接處或接觸部位的縫隙，都會提供有助于產生稱之為縫隙腐蝕的濃差電池腐蝕條件。而在供給水中溶解的固體大多數都存在有含鐵、鈣、鈉等陽離子的化合物，常見的陰離子是碳酸根、硫酸根等。當溫度較高時，這些離子化合物從溶液中析出形成沉積物，系統(tǒng)中的供給水是經過相關處理的，加入的相關物質可能集中到這些空隙中，造成供水中腐蝕環(huán)境。試驗分析結論已證實系統(tǒng)水中存在較高Na離子及S離子，可能形成腐蝕環(huán)境；加之基體材料中在奧氏體基體上析出α-相鐵素體，腐蝕傾向增加，吸附金屬離子能力加強。三種因素聯合作用很容易在一次循環(huán)水進水側人字形溝槽的右側溝槽弧形凸棱邊緣與膠墊邊緣對應部位產生縫隙腐蝕開裂，并在應力作用下產生腐蝕疲勞而快速擴展，嚴重者最終形成孔隙性穿孔。大部分不規(guī)則圓形空洞屬快速點腐蝕破壞，產生的主要原因是板片材料中α-相鐵素體存在，鐵素體和奧氏體的電位不同，容易形成微電池，顯著增加點腐蝕傾向，在介質環(huán)境中具有的Na、S離子和應力共同作用時，產生區(qū)域性濃度差異而形成電化學電池，結果在較小的陽極區(qū)上腐蝕速率總是高的，腐蝕優(yōu)先往深處擴展，從而形成快速點蝕凹坑。有時，即使受腐蝕影響的全部區(qū)域的腐蝕情況相當輕微，腐蝕區(qū)域也可能完全被穿透，最終形成宏觀空洞。