李金梅１ ２,蔣春宏１ ２,齊文寬１ ２,史　偉１ ２,楊　莉１ ２

(１．蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司,蘭州７３０３１４;

２．甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室,蘭州７３０３１４)

摘要:某公司生產(chǎn)的換熱器波紋板開裂后發(fā)生串液現(xiàn)象,采用化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法,對波紋板開裂原因進行了分析.結(jié)果表明:該換熱器在運行過程中不規(guī)范停車,停車后未及時排空液態(tài)介質(zhì);同時波紋板材料中鎳、鉬元素含量低于標(biāo)準要求值,熱側(cè)介質(zhì)自來水中Cl－ 含量遠超出技術(shù)要求,這些因素使得密封墊圈和波紋板交界處發(fā)生孔腐蝕,腐蝕孔連接形成裂紋,最終導(dǎo)致波紋板開裂失效.

關(guān)鍵詞:換熱器;波紋板;開裂;孔腐蝕

中圖分類號:TG１７２ 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０５Ｇ０３２６Ｇ０３

某公司生產(chǎn)的用于暖氣冷熱水交換的板式換熱器板片為波紋式板片,如圖１a)所示,可見波紋板上有４個角孔,供傳熱的兩種液體通過.該波紋板材料為３１６L不銹鋼,熱側(cè)介質(zhì)為自來水,冷側(cè)介質(zhì)為硫酸鉀和氯化銨溶液.設(shè)備入場試運行１d(天)后,放置１個月,再次使用時發(fā)現(xiàn)板片間存在串液現(xiàn)象,經(jīng)檢查１３５張板片有４２張出現(xiàn)裂紋,且裂紋出現(xiàn)在密封墊圈與波紋之間的鋼板處,如圖１b)所示.為查找波紋板開裂失效的原因,筆者對其進行了相應(yīng)的檢驗與分析.

１ 理化檢驗

１．１ 化學(xué)成分分析

對存在裂紋的波紋板片進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１,可見波紋板片的鎳、鉬元素含量低于標(biāo)準要求的下限值,而硫、磷元素含量略高于標(biāo)準值,不符合GB/T２０８７８－２００７«不銹鋼和耐熱鋼 牌 號 及 化 學(xué)成 分»對３１６L不銹鋼成分的要求.對熱側(cè)介質(zhì)自來水成 分進行分析發(fā)現(xiàn),Cl－ 的含量為０．０３~０．０５mg??L－１,遠高于技術(shù)要求的０．００２５mg??L－１,pH 值為８．７２.

１．２ 金相檢驗

從有裂紋的波紋板片上取金相試樣,磨拋后進行電解浸蝕,顯微組織形貌如圖２所示.可見其顯微組織為奧氏體＋少量鐵素體＋析出相,奧氏體晶粒度為８．０級,如圖２a)所示,析出相呈帶狀分布,如圖２b)所示.

１.３ 掃描電鏡分析

取有裂紋的波紋板進行掃描電鏡(SEM)分析,結(jié)果如圖３所示,可見裂紋表面已被腐蝕產(chǎn)物及介質(zhì)中的污垢覆蓋,且存在腐蝕孔,如圖３a)所示,可知該板片發(fā)生了孔腐蝕,腐蝕孔連接后形成裂紋.

由圖３b)可知,腐蝕孔邊緣減薄明顯,且邊緣小裂紋尖端尖銳,裂紋擴展趨勢明顯.進一步放大腐蝕孔,可見下半部分靠近腐蝕孔邊緣位置,晶粒清晰可見,如圖３c)所示,且晶界已被腐蝕,如圖３d)所示,而遠離腐蝕孔處晶界腐蝕現(xiàn)象不明顯.

２ 分析與討論

由上述理化檢驗結(jié)果可知,該板式換熱器的開裂失效波紋板片的化學(xué)成分中鎳、鉬元素含量低于GB/T２０８７８－２００７要求的下限值,硫、磷元素含量略高出標(biāo)準值.奧氏體不銹鋼的良好耐蝕性主要依賴于鉻、鎳和鉬元素,鎳元素可以提高不銹鋼對非氧化性介質(zhì)(硫酸、鹽酸等)的耐蝕性能,而鉬元素能顯著提高材料對含氯離子介質(zhì)的耐點蝕和縫隙腐蝕的

能力.該波紋板片中鎳、鉬兩種元素含量偏低,降低了板片的耐蝕能力.同時略高的硫、磷元素含量降低了板片的純凈度,增加了板片的脆化傾向.由SEM 分析可知,該板片發(fā)生了孔腐蝕,腐蝕孔沿橫向擴展連接成裂紋.熱側(cè)介質(zhì)自來水中 Cl－含量達到０．０３~０．０５ mg??L－１,遠遠高出技術(shù)條件要求的０．００２５mg??L－１,為發(fā)生孔腐蝕提供了環(huán)境條件.不銹鋼良好的耐蝕性主要來源于表面鈍化膜,在 Cl－ 環(huán)境下不銹鋼表面鈍化膜的溶解和修復(fù)平衡受到破壞,Cl－ 優(yōu)先吸附在鈍化膜上,與鈍化膜上的陽離子(Cr３＋ )結(jié)合成可溶性氯化物,結(jié)果在新露出的基體金屬上生成點蝕核,并在介質(zhì)中陽離子(Fe３＋ )和介質(zhì)溫度(８０~１００ ℃)的共同作用下,使金屬的腐蝕電位上升至臨界電位以上,進而使點蝕核長大成蝕孔,最終穿透不銹鋼板片.

該批次波紋板片的裂紋及腐蝕孔多出現(xiàn)在密封墊圈和波紋板交界處,因換熱器波紋板片在冷沖壓成型時,該處的變形量最大,產(chǎn)生晶格缺陷及晶格畸變的可能性最大,而且易誘發(fā)馬氏體相變,殘余應(yīng)力在變形量大的位置易集中,這些均導(dǎo)致不銹鋼耐蝕性下降,且缺陷及應(yīng)力集中位置易成為孔蝕源[１Ｇ２].另外,換熱器中液態(tài)介質(zhì)以一定的速度不斷流過板片各個位置進行熱量的交換,液體處于流動狀態(tài),介質(zhì)內(nèi)固體顆粒不易堆積[３Ｇ５];但停止運行后,未將液態(tài)介質(zhì)及時排空,更沒有清理,使得液態(tài)介質(zhì)內(nèi)的微顆粒、各類雜物及銹垢等在介質(zhì)不流動或流動不暢的位置堆積(密封墊圈與波紋板連接處尤為嚴重);微顆粒附著在板片上,形成微區(qū)原電池,破壞板片表層鈍化膜,使腐蝕不斷向內(nèi)進行,最終形成蝕孔及裂紋[６Ｇ９].

３ 結(jié)論及建議

該板式換熱器運行過程中不規(guī)范停車,停車后未及時排空液態(tài)介質(zhì);同時波紋板片中鎳、鉬元素含量低于標(biāo)準要求下限值,熱側(cè)介質(zhì)自來水中 Cl－ 含量遠超出技術(shù)要求,這些因素使得密封墊圈和波紋板交界處發(fā)生孔腐蝕,腐蝕孔連接形成裂紋,最終導(dǎo)致波紋板片開裂失效.