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:某公司生產的換熱器波紋板開裂后發生串液現象,采用化學成分分析、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.結果表明:該換熱器在運行過程中不規范停車,停車后未及時排空液態介質;同時波紋板材料中鎳、鉬元素含量低于標準要求值,熱側介質自來水中Cl－ 含量遠超出技術要求,這些因素使得密封墊圈和波紋板交界處發生孔腐蝕,腐蝕孔連接形成裂紋,最終導致波紋板開裂失效.

關鍵詞:換熱器;波紋板;開裂;孔腐蝕

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

某公司生產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,熱側介質為自來水,冷側介質為硫酸鉀和氯化銨溶液.設備入場試運行１d(天)后,放置１個月,再次使用時發現板片間存在串液現象,經檢查１３５張板片有４２張出現裂紋,且裂紋出現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的檢驗與分析.

１ 理化檢驗

１．１ 化學成分分析

對存在裂紋的波紋板片進行化學成分分析,結果見表１,可見波紋板片的鎳、鉬元素含量低于標準要求的下限值,而硫、磷元素含量略高于標準值,不符合GB/T２０８７８－２００７«不銹鋼和耐熱鋼 牌 號 及 化 學成 分»對３１６L不銹鋼成分的要求.對熱側介質自來水成 分進行分析發現,Cl－ 的含量為０．０３~０．０５mg??L－１,遠高于技術要求的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,結果如圖３所示,可見裂紋表面已被腐蝕產物及介質中的污垢覆蓋,且存在腐蝕孔,如圖３a)所示,可知該板片發生了孔腐蝕,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象不明顯.

２ 分析與討論

由上述理化檢驗結果可知,該板式換熱器的開裂失效波紋板片的化學成分中鎳、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(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,該板片發生了孔腐蝕,腐蝕孔沿橫向擴展連接成裂紋.熱側介質自來水中 Cl－含量達到０．０３~０．０５ mg??L－１,遠遠高出技術條件要求的０．００２５mg??L－１,為發生孔腐蝕提供了環境條件.不銹鋼良好的耐蝕性主要來源于表面鈍化膜,在 Cl－ 環境下不銹鋼表面鈍化膜的溶解和修復平衡受到破壞,Cl－ 優先吸附在鈍化膜上,與鈍化膜上的陽離子(Cr３＋ )結合成可溶性氯化物,結果在新露出的基體金屬上生成點蝕核,并在介質中陽離子(Fe３＋ )和介質溫度(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,產生晶格缺陷及晶格畸變的可能性最大,而且易誘發馬氏體相變,殘余應力在變形量大的位置易集中,這些均導致不銹鋼耐蝕性下降,且缺陷及應力集中位置易成為孔蝕源[１Ｇ２].另外,換熱器中液態介質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,介質內固體顆粒不易堆積[３Ｇ５];但停止運行后,未將液態介質及時排空,更沒有清理,使得液態介質內的微顆粒、各類雜物及銹垢等在介質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,形成微區原電池,破壞板片表層鈍化膜,使腐蝕不斷向內進行,最終形成蝕孔及裂紋[６Ｇ９].

３ 結論及建議

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

來源：材料與測試網