【中國(guó)制冷網(wǎng)】摘要：固定管板式乙苯氣-反應(yīng)混合氣換熱器投用1a內(nèi)多次發(fā)生換熱管與管板焊縫開(kāi)裂，全面檢查發(fā)現(xiàn)換熱器還存在筒體呈波浪狀、筒體膨脹節(jié)嚴(yán)重變形和開(kāi)裂、管板向外突出變形、鞍座焊縫開(kāi)裂等失效形式。檢驗(yàn)分析表明，換熱管與管板焊縫開(kāi)裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，熱應(yīng)力過(guò)大是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的主要因素。

    關(guān)鍵詞：換熱器;不銹鋼;熱應(yīng)力;應(yīng)力腐蝕;失效分析

    中圖分類號(hào):TE986文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

    某廠乙苯氣-反應(yīng)混合氣換熱器為固定管板式換熱器(工藝位號(hào)E-301)，該換熱器2002年2月投用，同年4月到7月相繼發(fā)生了3次熱端管板與殼體焊縫開(kāi)裂、高溫端管板斷裂，導(dǎo)致裝置停工。分析認(rèn)為，管板過(guò)大的溫差應(yīng)力是導(dǎo)致開(kāi)裂，的主要原因。因此，將管板改進(jìn)為22mm厚的薄管板，采用柔性設(shè)計(jì)來(lái)解決管板的溫差應(yīng)力。該設(shè)備改進(jìn)設(shè)計(jì)后投用1a又出現(xiàn)換熱管與管板焊縫開(kāi)裂(圖1)，補(bǔ)焊修復(fù)后短期內(nèi)多次發(fā)生開(kāi)裂，且開(kāi)裂周期呈明顯縮短的趨勢(shì)。文中介紹對(duì)其進(jìn)行分析的情況。

    1 設(shè)備簡(jiǎn)介

    該換熱器為臥式固定管板式，規(guī)格Φ1900mm×9005mm×18mm，筒體中部安裝1組YTAB13801型膨脹節(jié)。換熱管Φ38mm×2.5mm×8000mm，換熱面積1154m2，材質(zhì)0Cr18Ni9。殼程和管程的設(shè)計(jì)壓力均為-0.1MPa，殼程的z*大工作壓力為-0.002MPa、管程z*大工作壓力-0.059MPa。殼程設(shè)計(jì)溫度550℃，管程設(shè)計(jì)溫度638℃，殼程進(jìn)口操作溫度為97~105℃，殼程出口操作溫度470~535℃，管程進(jìn)口操作溫度598~625℃，管程出口操作溫度357~310℃。殼程介質(zhì)為乙苯氣，管程介質(zhì)為反應(yīng)混合氣。換熱管與管板的連接采用密封脹加強(qiáng)度焊的型式。焊接方式為自動(dòng)鎢極氬弧焊，焊接材料為Φ1.0mm的E308。

圖1 換熱管與管板焊縫開(kāi)裂

    全面檢查發(fā)現(xiàn)換熱器筒體變形呈波浪狀(圖2)，膨脹節(jié)有嚴(yán)重不均勻塑性變形且縱焊縫開(kāi)裂，管板向外凸出，冷端鞍座水平位移大于200mm，鞍座角焊縫開(kāi)裂。未開(kāi)裂部分管頭的焊縫外觀質(zhì)量良好，焊腳高度和管子伸出長(zhǎng)度滿足文獻(xiàn)的要求。管板和換熱管焊縫表面均呈黑色。管板變形以熱端下部z*嚴(yán)重，該部位開(kāi)裂的管頭密度也z*大，部分孔橋開(kāi)裂連通，開(kāi)裂的管頭伸出管板5~10mm，遠(yuǎn)超出原設(shè)計(jì)的2.5mm。

圖2 筒體變形

    大部分管頭存在橢圓變形，裂紋已穿透管壁，裂紋主要沿管子與管板角焊縫環(huán)向分布，部分管頭部位存在縱向裂紋。

    殼程介質(zhì)帶有液相，設(shè)備在運(yùn)行中經(jīng)常從排污口排液。

    2 檢驗(yàn)

    (1)材質(zhì)取開(kāi)裂部位的管頭母材和焊縫材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明，換熱管材質(zhì)成分與文獻(xiàn)中0Cr18Ni9相符。根據(jù)設(shè)備制造資料，管頭焊接采用E308-15，焊縫金屬成分滿足要求，管板材質(zhì)與文獻(xiàn)中0Cr18Ni9相符，筒體材質(zhì)與文獻(xiàn)中0Cr18Ni9相符，且均滿足ω(C)>0.04%、在固容狀態(tài)下使用、在638℃時(shí)的屈服下限不小于98MPa以及常溫硬度值不大于187HB等要求。

    (2)表面無(wú)損檢測(cè)對(duì)膨脹節(jié)內(nèi)外表面進(jìn)行PT檢測(cè)，除焊縫外，其他部位未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。筒體可接觸到的內(nèi)外表面PT檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。熱端管板PT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)孔橋開(kāi)裂超過(guò)10%。

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    (3)金相分析在開(kāi)裂部位取樣，樣品氧化嚴(yán)重，表面呈鐵褐色。經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)覆慕M織為奧氏體+晶界碳化物，局部存在形變馬氏體(圖3)。焊縫組織為奧氏體+晶界碳化物，熱影響區(qū)為奧氏體+δ鐵素體+碳化物。焊縫顯微硬度220~240Hv、熱影響區(qū)顯微硬度220~231Hv、母材顯微硬度235~265Hv、斷口顯微硬度290~310Hv。

圖3 母體材料(奧氏體+晶界碳化物+形變馬氏體)

    斷口剖面可見(jiàn)斷口邊緣母材存在增碳現(xiàn)象，奧氏體內(nèi)和晶界上有碳化物析出，表面存在氧化特征，連續(xù)的氧化物層深度0.3mm(圖4)，存在二次裂紋，二次裂紋呈沿晶和穿晶混合特征，裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物。

    (4)斷口分析斷口宏觀特征為斷面粗糙，無(wú)塑性變形，無(wú)壁厚減薄，斷裂面無(wú)金屬光澤，存在腐蝕產(chǎn)物。管子與管板角焊縫在管程和殼程側(cè)均有起裂，裂紋沿焊縫熱影響區(qū)開(kāi)裂，大部分裂紋擴(kuò)展區(qū)與管子表面呈45°，管子縱向裂紋從內(nèi)壁表面起裂。

圖4 表面氧化皮

    微觀形貌顯示管子與管板角焊縫裂紋斷口和管子軸向裂紋斷口的斷裂微觀特征基本相同，裂紋為穿晶和沿晶混合擴(kuò)展特征，斷口上存在較多的二次裂紋和腐蝕產(chǎn)物。

    (5)腐蝕產(chǎn)物成分分析取斷口附近的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X-ray成分分析，腐蝕產(chǎn)物中含有Si、S、Cl、Ca、K、Fe、Cr、Ni，其中主要成分為K2CO3和硫酸鹽，ω(Cl)>1%。

    3 結(jié)果分析

    斷口金相和形貌表明換熱管與管板焊縫開(kāi)裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

    部分管孔發(fā)生橢圓變形、斷口附近材料金相組織存在形變馬氏體，反映出該部位存在極大的應(yīng)力。裂紋擴(kuò)展區(qū)與管子表面呈45°，表明該應(yīng)力是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因。

    管板和換熱管均選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ω(C)>0.04%)較高的材料，滿足對(duì)材料的高溫力學(xué)性能的要求，但碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，必然加劇材料高溫敏化傾向，所以開(kāi)裂部位組織晶界碳化物析出嚴(yán)重，硬度升高，材料抗應(yīng)力腐蝕性能也將明顯下降。

    腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果表明其中含有大量的Cl-元素，裂紋從管程和殼程兩側(cè)均有起裂，說(shuō)明管程和殼程介質(zhì)都含有液相水和Cl-。液相水是在設(shè)備開(kāi)停過(guò)程中產(chǎn)生的，說(shuō)明設(shè)備開(kāi)停的低溫過(guò)程是導(dǎo)致開(kāi)裂的主要過(guò)程。

    18-8型奧氏體不銹鋼通常在大氣中能承受800℃的高溫氧化，氧化膜主要成分為鐵鉻尖晶石(FeCr2O4)，結(jié)構(gòu)比較致密。但該換熱器管子表面氧化嚴(yán)重且氧化物疏松，說(shuō)明介質(zhì)中含有水蒸氣，因?yàn)樵诟邷叵滤魵獾拇嬖谧璧K了不銹鋼表面Cr2O3保護(hù)膜的穩(wěn)定成長(zhǎng)，也導(dǎo)致內(nèi)層氧化鐵層的形成。該換熱器冷端采用的是滑動(dòng)支撐，但支座還是發(fā)生了較大的水平位移，支座焊縫開(kāi)裂、筒體呈波浪狀變形、膨脹節(jié)變形、管板外突以及管頭焊縫斷裂后管子伸出管板等情況說(shuō)明換熱管與殼體間的熱膨脹差沒(méi)有被完全吸收，從而導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板焊縫承受了過(guò)大應(yīng)力。

    4 結(jié)論

    (1)管頭焊縫焊縫開(kāi)裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

    (2)在高溫和高應(yīng)力作用下材料出現(xiàn)了嚴(yán)重敏化和形變馬氏體，使其抗應(yīng)力腐蝕能力惡化。

    (3)換熱管與筒體間的熱膨脹差導(dǎo)致該接頭存在較大的應(yīng)力和介質(zhì)中的氯離子是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的主要原因。

    參考文獻(xiàn):

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    GB13296-2007，鍋爐、換熱器用不銹鋼無(wú)縫鋼管[S].

    JB4728-2000，壓力容器用不銹鋼鍛件[S].

    GB/T4237-2007，不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶[S].

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