波纹管容积式换热器的失效及控制

　　波纹管容积式换热器是热能工程广泛使用的热交换设备Ⅰ类压力容器。1998年7月江苏某压力容器厂制造一台编号为P98096波纹管容积式换热器,该设备运行2年后用户反映设备出现渗漏,而不能使用。现场观察发现设备筒体的3条环缝两侧有较多的细小裂纹,整个壳体和封头表面不同程度也存在细小裂纹,但数量比3条环焊缝侧要少。用检验榔头敲击壳体时,声音已失去了金属清脆的响声。针对此情况做出对该换热器报废处理决定并对水质进行取样分析,结果水中C1-含量达55mg/L,超出《容规》规定的25mg/L。据用户反映在自来水水箱中添加了漂白粉(分子式:Ca(C1O)2和CaCl2)作为杀菌消毒,造成C1-含量超标。现对这起失效事故从理论上进行机理分析并提出控制措施。

　　2容器主要技术参数

　　3细小裂纹原因分析应力因素———存在着操作过程中产生的工作应力和焊接残余应力。当拉应力大于材料强度极限时,可直接产生开裂,当拉应力小于强度极限时虽不能开裂,但也孕育着开裂的可能性。介质因素———水质中的C1-超标,当筒体表面有缺陷时,就会在缺陷处大量聚集,高浓度的C1-是导致开裂的另一个因素。材料因素———SUS304相当于国内材料Cr18Ni9,而铬镍奥氏体不锈钢在拉应力和特定的腐蚀介质共同作用下很容易产生脆性破坏。对上述三个因素从理论上更进一步分析产生裂纹的机理:由于介质的影响,在壳体表面形成了致密的一层钝化膜,在应力作用下位错滑移到表面。在壳体表面产生了滑移台阶,使钝化膜破坏,暴露出新的金属表面,会形成新的钝化膜。

　　当新钝化膜来不及形成时,则将形成蚀坑或裂纹,即引起裂纹成核,因而该处与邻近金属之间有较大的电位差,前者为阳极区,后者为阴极区,由于电化学电池的作用,使得介质中C1-向裂纹内移动,这将导致金属沿着一定的平行结晶面发生优先腐蚀溶解,产生大量的溶解产物Fe、Cr、Ni等氧化物聚集在壳体裂纹中及壳体表面上。同时,从裂纹根部直到裂纹表面的复盖层中,由于氧化铁和氧化镍的比重小、体积大,迫使它们沿裂纹根部的缩口大量地排泄到壳体表面,裂纹中腐蚀产物的大量形成和大量的排泄,就造成了一个很大的楔形应力场,特别是裂纹尖端的应力集中更大。当腐蚀溶解到一定的应力阶段,材料的塑性变形过程受到严重限制时,壳体便以裂开的方式而不是变形的方式来顺应外加应力,从而产生了脆性穿晶破裂。这种应力腐蚀断裂情况是一个滑移———溶解———断裂过程。对于奥氏体不锈钢是氯脆现象。

　　4控制措施(1)从设计图样的技术要求中看出对制造单位用水进行水压试验时,要求控制水中氯离子含量小于25mg/L。但对使用单位水质没有要求控制水中氯离子含量。建议在设计图样中应对用户用水提出氯离子含量要求。(2)设计上要考虑铬镍奥氏体不锈钢材料在特定介质中的脆性破坏,建议不采用不锈钢材料,可选择碳钢材料内表面热镀锌或碳钢材料内表面衬铜。(3)容器制造过程中应减少冷加工应力和焊接残余应力,容器内壁不允许有凹坑、划伤、咬边等缺陷以减少C1-的富集。(4)使用单位应严格控制水中C1-含量,不超过25mg/L。