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染机换热器管板裂纹成因分析及控制点击：1893 日期：[ 2014-04-26 22:00:27 ] |
| 染机换热器管板裂纹成因分析及控制 温东锋 (福建省特种设备检验院，福建 福州 350003) 摘要：本文从实际例证入手，通过对管板材料成分、设备使用介质等项目的检测结果，分析得到 了染机不锈钢换热器管板裂纹产生的原因，并提出了避免裂纹产生的控制措施。 关键词：换热器管板；裂纹；成因及控制 某染整厂的染机不锈钢换热器，在使用一两年后，管孔处 相继产生贯穿性裂纹，影响了工厂的正常生产，酝酿着严重的 安全隐患。裂纹从管孔胀接处开始，逐渐放射性地向另一管孔 延伸，有的甚至穿越管板与筒体连接焊缝（见图1、2）。为找到 裂纹产生的原因并提出改进措施，对管板材质的化学成分、断 口形貌、介质环境、腐蚀产物、金相组织等方面综合分析了该 裂纹的成因。 一、检验分析 1、管板材料成分分析 对管板取样进行化学成分分析，并与标准 GB4237《不锈钢 热轧钢板》中1Cr18Ni9Ti成分对照，分析结果表明，Ti含量明显 不足，C含量略偏高，管板材质实际接近1Cr18Ni9，而不是 1Cr18Ni9Ti。 2、介质环境分 换热器所用的蒸汽来自于本厂的循环工业用水，加热后使 用。实地对换热器的介质即加热蒸汽的凝结水采样检测，分析 结果表明，蒸汽凝结水中含有较多的Cl-，这可能与锅炉水质软化处理过程中混入了Cl-有关。 3、金相分析 宏观检查管板，发现存在宽窄不一的贯穿性裂纹（见图1、3）。 制取断面试样(未破坏断面形貌)，管孔大部分金属已失去光泽， 断面表现为多台阶、参差不齐，呈脆性断裂特征。微观检验观 察试样抛光面，发现存在多处沿晶裂纹，由粗变细逐渐由外向 内扩展；在较粗一头存在明显的非金属夹杂物；同时还发现少 数区域存在沿晶粒分布的非金属夹杂物。电解侵蚀后，显微组 织特征为：基体为奥氏体，其上分布有较多碳化物颗粒，同时 存在碳化物沿晶界分布的网状组织，微观裂纹是沿着碳化物析 出的晶界扩展的，裂纹特征符合晶间腐蚀(网状)和应力腐蚀(沿 晶)的特征。 4、腐蚀产物分析 对管孔缝隙间的腐蚀产物取样分析，结果表明，腐蚀产物 中主要成分为Fe、Cr，并有Cl-局部富集现象。 二、腐蚀机理分析 1、材质影响 不锈钢的耐蚀性主要是因为表面有一层钝化膜，提高了电 极电位，可以阻止腐蚀反应发生。而管板材质不良，缺钛且碳 含量偏高，易造成晶界贫铬现象，产生活态—钝态微电池。一 般的1Cr18Ni9Ti中钛含量为碳含量的5～10倍，这样才能起到稳 定化作用。但本材质钛含量过低，而碳含量偏高。若材料在制 造或使用过程中经过敏化温度区，不稳定的碳容易在晶界消耗 大量的铬形成碳化铬析出，内部的碳向晶界扩散的速度比铬快， 晶界的铬得不到补充致使晶界出现贫铬区(即敏化)，形成不了钝 化膜，使晶界钝态受到破坏，电极电位下降(阳极、活态)，而晶 粒本身仍维持钝态，电位较高(阴极)，晶粒与晶界构成活态—钝 态微电池，且具有大阴极—小阳极的面积比，在这种偶合加速 效应的影响下，导致材料晶间腐蚀。 2、介质环境、应力因素 不锈钢发生应力腐蚀现象较为常见。不锈钢发生应力腐蚀 应具备三个基本条件：敏感的合金(材料因素)、静的拉伸应力 (力学因素)和特征介质(环境因素)。 敏感的合金——对1Cr18Ni9Ti而言，在有氯化物、氢氧化物 和连多硫酸的介质中，均能引起应力腐蚀。 静的拉伸应力——如果没有静的拉伸应力，即使有敏感的 合金与特定的介质配合，应力腐蚀也不会发生。在不锈钢应力 腐蚀中起主要作用的是宏观内应力，即残余拉应力，而不是微 观内应力。换热管与管板胀接后，存在胀接应力（残余拉应力）。 特征介质——特别是溶液中的一些杂质，即所谓特征离子 的存在是最为危险的。在200℃水中仅含2ppmCl-，便可使奥氏体 不锈钢产生应力腐蚀，该腐蚀并多数以点蚀、缝隙腐蚀为起源。 水汽报告表明，Cl-含量为3.8ppm，其足以在200～300℃时使不 锈钢产生晶间应力腐蚀。EDS分析结果也表明，裂纹面内有明显 的Cl-局部富集。 3、闭塞电池的形成 由于胀接部位缝隙内溶液处于滞流状态，氧只能以扩散的 方式向缝内传递，使缝内的氧耗难以得到补充，从而使缝隙内 的阴极反应中止。然而，缝隙内的阳极反应继续进行，形成一 个高浓度金属正离子溶液的空腔。为保持溶液中性，带负电荷 的阴离子（Cl-迁移空）腔内，生成的金属氯化物又发生水解反 应，空腔内酸性增加，导致原有的钝化膜破裂，使空腔内电极 电位下降，形成为阳极，整个外表面形成为阴极。尤其是Cl- 可与H+生成盐酸，其腐蚀性更强，加速了空腔内的腐蚀速度。由 于材质中铬含量不足，也易引起钝态的活化。随着腐蚀的进行及腐蚀产物的沉积，缝隙内形成闭塞电池腐蚀，并在应力和腐 蚀的联合作下，促使裂纹向纵深发展。 4、冶金、热处理因素 金相组织显示为奥氏体加大量的未溶碳化物，同时存在沿 晶界分布的网状碳化物,说明该材料未经固溶处理,或固溶处理温 度不高、时间较短，碳化物未充分溶解，合金化程度差。而且 热处理温度低，铬扩散速度减慢，碳化铬沉淀加快，更加速了 贫铬区的形成，降低了电极电位。同时沿晶分布的含铬碳化物 会加剧晶界贫铬而导致沿晶界的应力腐蚀。 沿晶粒非金属夹杂物的存在说明该材料晶粒很粗。粗晶粒 的晶间腐蚀倾向大，原因在于粗晶单位体积的晶界面积小，而 在给定的敏化条件下产生的碳化物沉淀又是一定的，使粗晶的 晶界部位碳化物密度比细晶的大。另一方面，粗大的晶粒有促 使加速Cr23C6沉淀的作用，同时沿晶分布的非金属夹杂物严重割 裂基体的连续性，降低了材料的强度，非金属夹杂的尖端极易 造成应力集中。 三、结语 管板的材质分析和金相组织分析表明，材质不合要求，导 致基体和晶界耐晶间腐蚀和晶间型应力腐蚀的性能下降。介质 中的Cl-在晶界敏化和残余应力的共同作用下，引起晶间应力腐 蚀，并且Cl-在管子管板缝隙内滞流，在残余应力、酸性自催化 作用下导致缝隙腐蚀；而沿晶的非金属夹杂物导致应力集中、 组织晶粒粗大，也加剧了腐蚀的产生和发展。为防止裂纹产生， 可从以下四方面改进： 1、材质控制 严格控制材质质量，通过添加稳定化元素,如钛(Ti)、铌(Nb) 等元素,使碳与这些合金元素优先形成碳化物析出起到稳定奥氏 体内铬含量的作用,避免贫铬；或者降低碳含量，减少形成碳化铬的条件；控制晶界吸附和抑制晶界沉淀；稳定化退火处理， 加热到850℃保温2h后空冷，使碳化物充分析出，铬得到充分扩散以补充贫铬区的铬，减少晶间腐蚀的产生；固熔处理，加热 到1050～1150℃[加热到1050-1100C之间，并按含碳量的高低作适当调整。由于18-8不锈钢导热性很差，不仅要通过预热后再进 行淬火加热,而且在固溶处理(淬火加热)时的保温时间要长],以减少含铬碳化物的析出，控制晶粒度和细化晶粒，降低产生腐蚀的可能性。 2、结构改进 尽量避免形成闭塞空间，设计时对管板与管子间的缝隙可考虑进行密封处理，建议采用密封焊，焊后进行消除应力处理 或者胀焊结合。 3、工况介质控制 严格控制操作介质中的杂质，特别是Cl-含量，可通过工艺手段将其控制在引起应力腐蚀的浓度之下。 4、选材考虑 由于1Cr18Ni9Ti中C含量较高，将增加不锈钢对应力腐蚀的 敏感性，同时在设备制造过程中经过热加工或焊接热循环后， Ti的稳定化作用会下降甚至消失，易造成晶界敏化，降低抗晶间腐蚀的性能。可选用含碳量更低的Cr-Ni奥氏体不锈钢，如 0Cr18Ni10Ti钢、0Cr18Ni12Mo2钢或超低碳不锈钢00Cr19Ni10钢 等，以降低晶界敏化的危害性。也可考虑采用复相不锈钢，以 降低不锈钢对氯离子应力腐蚀破裂的敏感性。 参考文献： [1]钱颂文.换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2004，8 [2]邹广华，刘强著.过程装备制造与检测.北京：化学工业出版 社，2003，8 [3]陈匡.过程装备腐蚀与防护.北京：化学工业出版社，2001，5 |
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