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(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 無錫 214174)

0Cr18Ni9不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕開裂原因分析

熊立斌,孟若愚

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 無錫 214174)

某管板式換熱器運(yùn)行不到2個月，換熱管進(jìn)口端即發(fā)生開裂。通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、水質(zhì)分析、金相分析、斷口以及能譜分析等方法，對換熱管開裂屬性及原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該換熱管開裂為應(yīng)力腐蝕開裂；循環(huán)冷卻水中較高含量的氯離子以及換熱管進(jìn)口端處于應(yīng)力腐蝕敏感溫度區(qū)導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕的快速發(fā)展。最后，給出了進(jìn)行焊后熱處理和加強(qiáng)循環(huán)冷卻水處理的建議。

0Cr18Ni9不銹鋼; 換熱管; 應(yīng)力腐蝕開裂; 氯離子

某公司一臺回收N-甲基吡咯烷酮(NMP)的立式固定管板式換熱器投運(yùn)不滿2個月,管束中間部位管子即發(fā)生泄漏失效，管子泄漏段處于上管板管孔內(nèi)。該換熱器換熱管與管板材料均為0Cr18Ni9不銹鋼，換熱器內(nèi)徑700 mm，管板厚35 mm，換熱管規(guī)格φ25 mm×2.5 mm，長3.0 m，管板與換熱管采用焊接連接。換熱管管外殼程為循環(huán)冷卻水；管內(nèi)介質(zhì)為NMP，其沸點(diǎn)為203 ℃。筆者通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、水質(zhì)分析、金相分析、斷口分析以及能譜分析等方法，綜合分析了該不銹鋼換熱管腐蝕開裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1 失效換熱管環(huán)狀裂紋及斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of a) ring-shaped cracks and b) fractureof the failure heat exchange tube

抽出泄漏的換熱管，可見上管板管孔內(nèi)的一段有環(huán)狀裂紋,如圖1a)所示。沿開裂處將換熱管打開，可見斷口無明顯減薄和塑性變形,斷口呈灰黑色，表面有腐蝕產(chǎn)物，部分位置呈現(xiàn)亮色新斷特征，如圖1b)所示。

1.2 換熱管材料化學(xué)成分分析

在失效換熱管管孔以外管段取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見各元素含量均符合GB/T 13296-2007《鍋爐 熱交換器用不銹鋼無縫管》對0Cr18Ni9不銹鋼成分的技術(shù)要求。

表1 換熱管材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of material of theheat exchange tubes (mass fraction) %

1.3 循環(huán)冷卻水成分分析

在換熱器循環(huán)回水總管取樣口處取殼程循環(huán)冷卻水(即管外介質(zhì))進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2,可見殼程循環(huán)冷卻水中的Cl-含量較高,酚酞堿度為0.1 mmol·L-1，說明OH-含量很低或基本沒有。

表2 失效換熱器殼程介質(zhì)的成分分析結(jié)果Tab.2 Composition analysis results of medium in shell of thefailure heat exchanger

1.4 斷口截面金相分析

在泄漏點(diǎn)附近取樣進(jìn)行金相分析，該部位顯微組織為單相奧氏體，孿晶較多，晶粒均勻，晶粒度為8～9級，如圖2所示。觀察面上存在較多的二次裂紋，裂紋細(xì)長呈樹枝狀，尖端銳利，裂紋的擴(kuò)展方式以穿晶為主，呈現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂特征[1-3],如圖3所示。

1.5 斷口掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡(SEM)對換熱管斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)兩個裂紋源，均位于管子外表面,如圖4a)～c)所示。在擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)可見明顯的河流狀花樣，呈解理斷裂特征，如圖4d)所示。

圖2 換熱管顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the heat exchange tube

圖3 斷口處的二次裂紋形貌Fig.3 Morphology of second cracks at the fracture position

圖4 換熱管斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the heat exchange tube:a) crack source area, at low magnification; b) crack source 1, at high magnification; c) crack source 2, at high magnification;d) crack propagation area and final fracture area

對斷口裂紋源區(qū)進(jìn)行能譜(EDS)分析，檢測到除了基體元素外，還存在氯、硫等奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感的元素成分，如圖5所示。

圖5 裂紋源區(qū)能譜分析結(jié)果Fig.5 EDS analysis results of the crack source ara

2 分析與討論

2.1 循環(huán)冷卻水中Cl-影響

奧氏體型不銹鋼對Cl-的應(yīng)力腐蝕非常敏感，少量的Cl-就有可能導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。一般隨Cl-含量的升高，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性增加。有研究表明在低硬度循環(huán)水環(huán)境下，Cl-質(zhì)量濃度達(dá)到300 mg·L-1左右時，0Cr18Ni9不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性較高，應(yīng)力腐蝕發(fā)展較快[4-6]。

該失效換熱器，其循環(huán)回水總管中水的Cl-含量高達(dá)395 mg·L-1。該換熱器裂紋發(fā)生在換熱管進(jìn)口端，換熱管與上管板結(jié)合處管壁溫度較高，加上隙縫內(nèi)水流動不暢，易發(fā)生水氣化濃縮，使Cl-進(jìn)一步富集，因而該處為應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)。

2.2 換熱管應(yīng)力影響

換熱器在制造過程中換熱管管口與管板焊接后沒有進(jìn)行熱處理，這使換熱管存在一定的殘余應(yīng)力。NMP蒸氣由上部接管進(jìn)入換熱管，運(yùn)行過程中換熱管入口處NMP蒸氣溫度超過200 ℃；而換熱器殼程循環(huán)冷卻水出水溫度低于70 ℃。因此,換熱管在上管板厚度段的溫度變化較大，這會產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。

2.3 材料及加工因素影響

該換熱器換熱管與管板材料均為0Cr18Ni9不銹鋼，為應(yīng)力腐蝕敏感材料。管板與換熱管焊接連接時，連續(xù)作業(yè)可能會造成管板與換熱管結(jié)合段散熱不充分，中心區(qū)局部溫度較高，造成奧氏體不銹鋼的輕微敏化。由于尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊后熱處理難以控制，該換熱管管口與管板焊接后沒有進(jìn)行焊后熱處理。敏化狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼處于高Cl-含量的循環(huán)水中，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。該換熱器管束發(fā)生泄漏的管子，正好是中心區(qū)管板結(jié)合段。

2.4 溫度影響

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素。在Cl-和拉應(yīng)力存在的情況下，溫度較低時，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕不明顯；溫度升高，其應(yīng)力腐蝕速率升高。有研究發(fā)現(xiàn)，輕度敏化的0Cr18Ni9不銹鋼在溶解氧含量為0.2 mg·L-1的水中，200 ℃溫度區(qū)間時應(yīng)力腐蝕速率達(dá)到峰值[7-10]。該失效換熱器換熱管進(jìn)口處NMP溫度超過203 ℃，處于應(yīng)力腐蝕的敏感溫度區(qū)；熱端循環(huán)冷卻水出水溶解氧含量檢測值超過0.5 mg·L-1，說明換熱器內(nèi)與換熱管接觸的循環(huán)水溶解氧含量較高，對應(yīng)力腐蝕的發(fā)生有一定的促進(jìn)作用。該換熱器換熱管腐蝕開裂段正是處于上管板管孔內(nèi)溫度較高的一段，而其他部位則未發(fā)現(xiàn)腐蝕開裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論及建議

該換熱器換熱管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，為應(yīng)力腐蝕敏感材料，其應(yīng)力腐蝕開裂與循環(huán)冷卻水中Cl-含量、換熱管制造安裝的殘余應(yīng)力及運(yùn)行形成的溫差熱應(yīng)力、熱端高溫環(huán)境的誘導(dǎo)作用、以及焊接加工可能造成的材料輕度敏化等因素有關(guān)。其中，循環(huán)冷卻水中Cl-含量和溫度因素是導(dǎo)致該0Cr18Ni9不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素。

建議改善換熱器制造工藝，防止局部溫度過高，并采取適宜的方案進(jìn)行焊后熱處理降低應(yīng)力；運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)循環(huán)冷卻水處理，確保循環(huán)冷卻水中Cl-含量符合要求，并采用適宜的緩蝕阻垢劑，提高換熱管對Cl-的耐蝕能力，減緩腐蝕和結(jié)垢。

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CauseAnalysisonStressCorrosionCrackingof0Cr18Ni9StainlessSteelHeatExchangeTubes

XIONGLibin,MENGRuoyu

(Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Wuxi 214174, China)

After a tube-in-sheet heat exchanger being put into use for less than 2 months, cracking happened at the inlet end of the heat exchange tubes. By means of macro analysis, chemical composition analysis, water quality analysis, metallographic analysis, fracture analysis, energy spectrum analysis and so on, the cracking property and reasons of the heat exchange tubes were analyzed. The results show the cracking of the heat exchange tubes was stress corrosion cracking which caused by the combined action of high content of chloride ion in the circulating cooling water and stress corrosion sensitive temperature of the inlet end of the heat exchange tubes. Finally, measures of adopting post weld heat treatment and strengthening circulating cooling water treatment were proposed.

0Cr18Ni9 stainless steel; heat exchange tube; stress corrosion cracking; chloride ion

2016-12-06

熊立斌(1976-)，男，工程師，主要從事材料腐蝕與防護(hù)研究,xlb2020@163.com

10.11973/lhjy-wl201712016

TG172.9

B

1001-4012(2017)12-0915-03