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(cè)技術(shù)有限公司,蘭州７３０３１４;

２．甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評(píng)價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州７３０３１４)

摘要:某公司生產(chǎn)的換熱器波紋板開(kāi)裂后發(fā)生串液現(xiàn)象,采用化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法,對(duì)波紋板開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該換熱器在運(yùn)行過(guò)程中不規(guī)范停車(chē),停車(chē)后未及時(shí)排空液態(tài)介質(zhì);同時(shí)波紋板材料中鎳、鉬元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求值,熱側(cè)介質(zhì)自來(lái)水中Cl－ 含量遠(yuǎn)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(kāi)裂失效.

關(guān)鍵詞:換熱器;波紋板;開(kāi)裂;孔腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào):TG１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(jiàn)波紋板上有４個(gè)角孔,供傳熱的兩種液體通過(guò).該波紋板材料為３１６L不銹鋼,熱側(cè)介質(zhì)為自來(lái)水,冷側(cè)介質(zhì)為硫酸鉀和氯化銨溶液.設(shè)備入場(chǎng)試運(yùn)行１d(天)后,放置１個(gè)月,再次使用時(shí)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(kāi)裂失效的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的檢驗(yàn)與分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

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

１．２ 金相檢驗(yàn)

從有裂紋的波紋板片上取金相試樣,磨拋后進(jìn)行電解浸蝕,顯微組織形貌如圖２所示.可見(jiàn)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(jí),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(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析,結(jié)果如圖３所示,可見(jiàn)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(kuò)展趨勢(shì)明顯.進(jìn)一步放大腐蝕孔,可見(jiàn)下半部分靠近腐蝕孔邊緣位置,晶粒清晰可見(jiàn),如圖３c)所示,且晶界已被腐蝕,如圖３d)所示,而遠(yuǎn)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(yàn)結(jié)果可知,該板式換熱器的開(kāi)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(zhǔn)值.奧氏體不銹鋼的良好耐蝕性主要依賴(lài)于鉻、鎳和鉬元素,鎳元素可以提高不銹鋼對(duì)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(duì)含氯離子介質(zhì)的耐點(diǎn)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(shí)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(kuò)展連接成裂紋.熱側(cè)介質(zhì)自來(lái)水中 Cl－含量達(dá)到０．０３~０．０５ mg??L－１,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)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(yáng)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(diǎn)蝕核,并在介質(zhì)中陽(yáng)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(jìn)而使點(diǎn)蝕核長(zhǎng)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(shí),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(guò)板片各個(gè)位置進(jìn)行熱量的交換,液體處于流動(dòng)狀態(tài),介質(zhì)內(nèi)固體顆粒不易堆積[３Ｇ５];但停止運(yùn)行后,未將液態(tài)介質(zhì)及時(shí)排空,更沒(méi)有清理,使得液態(tài)介質(zhì)內(nèi)的微顆粒、各類(lèi)雜物及銹垢等在介質(zhì)不流動(dòng)或流動(dòng)不暢的位置堆積(密封墊圈與波紋板連接處尤為嚴(yán)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(jìn)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(yùn)行過(guò)程中不規(guī)范停車(chē),停車(chē)后未及時(shí)排空液態(tài)介質(zhì);同時(shí)波紋板片中鎳、鉬元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值,熱側(cè)介質(zhì)自來(lái)水中 Cl－ 含量遠(yuǎn)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(kāi)裂失效.