通過對開裂的螺旋板換熱器進行分析檢驗認為,介質中大量的Cl -和Fe3 +導致不銹鋼發生應力腐蝕開裂是換熱器失效的主要原因。關鍵詞:板式換熱器;不銹鋼;應力腐蝕;失效

　　螺旋板式換熱器是一種換熱設備,目前在各個領域內已得到廣泛使用。某公司1臺換熱面積為200 m2的螺旋板式換熱器,投入運行僅18 d就發生了泄漏,泄漏主要發生螺旋板焊縫上。該換熱器制造材料為1Cr18Ni9Ti ,其工藝操作參數:熱側介質為轉換反應氣(其中含CO、CO2、H2、H2S、水蒸氣和甲醇) ,進口溫度240℃,出口溫度90～100℃,高工作壓力1. 2MPa ;冷側介質為甲醇、水和CO2 ,進口溫度30℃,出口溫度160～165℃。文中對泄漏原因進行分析并提出了預防措施。

　　1 　檢驗

　　對設備底部螺旋板外側3圈焊縫、螺旋板及其焊縫進行化學成分、金相組織及斷口檢驗,對設備上部螺旋板外圈一層的螺旋板焊接接頭及其母材進行金相組織和斷口檢驗,對熱側進口處外筒體母材進行金相組織檢驗,對螺旋板與外筒體連接部位的堵板進行化學成分、金相組織檢驗,對換熱器冷側出口和進口的腐蝕產物進行化學成分分析和金相組織檢驗,對冷側液體進行水樣分析。1. 1 　宏觀檢驗

　　裂紋分布在換熱器的兩端,以底部外側嚴重,裂紋走向為橫向。解剖換熱器后,發現在螺旋板的兩端約70 mm范圍內有長度達50 mm的穿透性縱向裂紋,堵板上有不規則走向的較淺裂紋和點蝕痕跡。

　　1. 2 　材料成分分析

　　對螺旋板、堵板等材料進行化學成分分析,其結果與標準中1Cr18Ni9Ti的成分相符。1. 3 　金相分析

　　對螺旋板換熱器各部位進行金相檢驗,發現外筒體板材心部有帶狀分布的TiN(圖3) ,堵板金相組織為奧氏體+馬氏體+帶狀分布的鐵素體(圖4)。分析可知:①螺旋板換熱器外筒體母材組織中TiN和Ti (CN)的出現表明該材料的冶金質量差,當TiN以夾雜物的形式出現并以鏈狀分布時對材料的抗蝕性是有害的,易造成材料開裂[1 ]。②1Cr18Ni9Ti的冷變形強化效應較大,堵板組織中馬氏體的存在就是變形強化的結果,這會導致材料的內應力增加,奧氏體組織的穩定性降低,對應力腐蝕敏感,尤其是在低于其屈服強度的應力條件下應力腐蝕開裂的敏感性增加。

　　1. 4 　斷口分析

　　對設備底部螺旋板外圈3層焊縫的試樣(包括螺旋板及其焊縫熱影響區)的裂紋斷口進行分析。斷口特征有以下共同點:①斷面沒有宏觀塑性變形,粗糙,無金屬光澤,有腐蝕產物,表面起裂。裂紋穿晶擴展呈樹枝分叉狀,見圖5。起裂都發生在與冷介質接觸的一側,在冷側流道的母材、焊縫附近發現大量未穿透裂紋,而熱側流道的裂紋均為穿透性。證明裂紋起始于冷側,向熱側發展。②斷裂擴展形貌主要是解理河流、臺階和二次裂紋,見圖6。③螺旋板式換熱器多處零部件發生開裂,分析認為,這些開裂的部位不僅與冷介質接觸而且存在應力。其中,應力主要是焊接殘余應力和冷加工形變應力。微觀斷口形貌顯示了應力腐蝕破壞的特征。

　　1. 5 　產物及介質

　　對冷側出口、冷側進口垢物進行X射線成分分析,發現垢物中的主要元素為Fe和O。在冷側出口,Fe和O的質量分數分別為67. 99 %和11. 95 % ,在熱側進口, Fe和O的質量分數分別81. 82 %和13. 28 %。對斷口產物進行X射線結構分析表明,斷口產物中含有大量的FeS ,估計這主要是換熱器內部鋼板和焊縫上產生的裂紋穿透后,熱側介質中的H2S與斷口金屬反應的產物。冷側介質的pH值為4. 87 ,其中Cl -和Fe3 +的質量濃度分別為71 mg/ L和101 mg/ L ,經X射線結構分析可知,冷側進口介質中主要是Fe2O3 ,而冷側出口介質中則含有Fe2O3、Fe3O4、碳以及鈣、鎂碳酸鹽。

　　2 　失效原因分析

　　從現有試樣的分析結果和該設備的運行情況看,裂紋起始于螺旋板的冷側,裂紋穿透后熱側介質串入冷側,熱側介質中的硫化氫對腐蝕起了促進作用,裂紋性質符合1Cr18Ni9Ti在含Cl -介質中高溫下(大于50℃)應力腐蝕開裂的特點。因此,該螺旋板式換熱器的泄漏失效是典型的Cl -引起的應力腐蝕開裂所致。

　　冷側介質中存在的大量Cl -和Fe3 +可以導致1Cr18Ni9Ti發生應力腐蝕開裂,在大于80℃時,介質中大量的Fe3 +縮短了不銹鋼在Cl -介質中發生應力腐蝕的誘導期,對開裂起強烈的促進作用[2 ]。這是導致換熱器過早失效的主要原因。

　　螺旋板筒體母材金相組織中呈帶狀聚集分布的TiN對材料的抗蝕性有很大的影響,容易造成材料的開裂。而堵板組織中的馬氏體可以使材料的內應力增加,奧氏體組織的穩定性降低,對應力腐蝕為敏感。

　　環境、材料和力學因素(靜態拉伸應力)是材料產生應力腐蝕斷裂的3個基本條件,對于Cr2Ni奧氏體不銹鋼來說,能引起應力腐蝕開裂的常見特定介質有氯化物、氫氧化物和連多硫酸等,較典型的就是Cl -引起的應力腐蝕開裂,已有的研究結果證明,對于Cr2Ni不銹鋼,水中所含Cl -的質量濃度在0. 2～10 mg/ L即可導致材料斷裂。此外,氧化性的金屬離子是強烈的致點蝕劑,金屬表面的點蝕坑可造成局部應力集中,點蝕坑內可形成閉塞區,使該處的pH值下降和Cl -富集,提供了有利于應力腐蝕裂紋的成核和擴展的介質———應力條件。H2S和O2的存在,在一定的條件下可促進敏化態的不銹鋼產生應力腐蝕開裂。螺旋板式換熱器的兩端具有縫隙結構,縫隙結構也是導致不銹鋼發生應力腐蝕的重要裂紋源[3 ] ,其影響與點蝕相似。此外,pH值和溫度對應力腐蝕斷裂的敏感性也有影響,試驗和實踐證明,對于固溶態和敏化態的1828型不銹鋼,pH值為4時都有一個敏感峰值[2 ]。在22 %的NaCl中,1828型不銹鋼的裂紋擴展速度從室溫的10 - 10 m/ s加速到140℃的10 - 7m/ s[2 ] ,隨溫度的升高,1828型不銹鋼的孔蝕數目也增加[4 ]。對應于該螺旋板式換熱器的實際使用情況,其開裂部位大多位于溫度高于80℃的區域,且溫度越高開裂越嚴重。

　　焊縫區通常具有接近屈服點的殘余應力[3 ] ,因此,該換熱器的螺旋板兩端有很大的周向焊接殘余應力。近縫區母材的金相組織劣化使這些部位的抗應力腐蝕能力下降,表現為應力腐蝕裂紋主要是近縫區的橫向裂紋,裂紋向母材和焊縫方向發展,并穿透整個板材。由于螺旋板兩端焊縫的徑向收縮作用,使螺旋板的兩端母材承受了較大的彎曲應力,表現為該處母材多處發生穿透性縱向裂紋。

　　綜上所述,該螺旋板式換熱器的焊縫裂紋為應力腐蝕開裂,介質中的Fe3 +和H2S等對加速應力腐蝕裂紋的形核和裂紋擴展起了促進作用。

　　3 　預防措施及應用效果

　?、貱l -主要來源于原料液中的水,對工藝用水進行預處理,使其Cl -質量濃度小于25 mg/ L ,同時控制水中鈣、鎂離子的質量濃度,做好實時監測。②Fe3 +可能為前段工藝設備腐蝕帶入,應采取相應措施加以控制,盡可能降低其質量濃度。③改善焊接工藝,消除因焊接引起的殘余應力。