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热器管口裂纹产生的原因及控制措施点击：1826 日期：[ 2014-04-26 22:06:21 ] |
| 热器管口裂纹产生的原因及控制措施 李庆德 李国宋 张红卫 隋如冰 中石化河南油田油建工程建设有限公司 【摘 要 】从具体的实际例证入手，对不锈钢换热器管口裂纹产生的原因进行了检测和分析，根据结果阐述了造成管口裂纹的原因，并提出了避免裂纹产生的改进措施。 【关键词】换热器管口 裂纹 原因及控制 某厂的不锈钢换热器，在使用一年多时间后，管口处相继产生贯穿性裂纹， 影响了工厂的日常生产，酝酿着严重的安全隐患。裂纹从管口胀接处开始，逐渐向另一管孔延伸，管口的交界处有锈状物包裹，剥去包裹物后用肉眼观察可见管 孔周边存在多条裂纹，裂纹总长６００ｍｍ以上为找到裂纹产生的原因并提出相应的改进措施，对管板材质化学成分、断口形貌、介质环境、腐蚀产物、金相组织等进行了分析，综合分析裂纹的成因。 一、检验分析 １、管口材料成分分析 对管口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，实际材质与国标材质对比， Ｔｉ含量明显不足，Ｃ含量略偏高，管口材质实际接近１Ｃｒ１８Ｎｉ９，而不是 １Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ。 ２、介质环境分析 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和机油采样送检，水汽分析结果表明，蒸汽凝结水中 含有较多的Ｃｌˉ，这可能与工业水循环过程中混人了Ｃｌˉ有关。 ３、金相分析 宏观检查管口，发现存在宽窄不一 的贯穿性裂纹，裂纹宽度最宽达ｌ．５ｍｍ。制取断口试样（未破坏断口形貌），管口大部分金属已失去光泽， 断口表现为多台阶、参差不齐的断口，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 对管口孔缝隙间的腐蚀产物取样，用能量散射Ｘ光谱（ＥＤＳ ）进行分析，结果表明，腐蚀产物中主要成分为 Ｆｅ，Ｃｒ，并有 Ｃｌˉ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，产生活态一钝态微电池。一般的 １Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ 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一钝态微电池，且具有大阴极一小阳极的面积比，在这种藕合加速 效应的影响下，导致材料晶间腐蚀，同时抗晶间型应力腐蚀的能力也有所下降。 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１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ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 ２ｐｐｍ Ｃｌˉ，便可使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀， 并多数以点蚀、缝隙腐蚀为起源。水汽报告表明，其 Ｃｌˉ含量足以在 ２００－ ３００℃时使不锈钢产生晶间型应力腐蚀。ＥＤＳ 分析结果也表明， 裂纹面内有明显的 Ｃｌˉ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（Ｃｌˉ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 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 Ｃｌˉ可与 Ｈ＋生成盐酸，其腐蚀性更强，加速了空腔内的腐蚀速度。由于材质中钦含量不足，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，扩展为裂纹向纵深发展。 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 Ｍ２３Ｃ６ 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 管口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 Ｃｌˉ在晶界敏化和残余应力的共同作用下，引起晶间型应力腐蚀，并且Ｃｌˉ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或降低碳含量，控制晶界吸附和抑 制晶界沉淀；热处理温度 、时间和温度变化速度必须达到要求，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。 ３、工况介质控制 严格控制介质中的杂质，特别是Ｃｌˉ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１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ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消失，易造成晶界敏化，降低抗晶间腐蚀的性能，故在压力容器行业，目前已不推荐使用该钢号。可选用含碳量更低 的Ｃｒ－ Ｎｉ奥氏体不锈钢，如 ＯＣｒｌ８ＮｉｌＯＴｉ 钢 、ＯＣｒｌ８ＮｉｌｌＮｂ钢或超低碳不锈钢ＯＯＣｒｌ９Ｎｉ１０ 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］换热器设计手册，钱颂文编著，化学工业出版社，２００４年０８月 ［２］石油化工厂设备检修手册·换热器，徐钢编著，中国石化出版社，２００７年０１月 |
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