背景情況

    某公司一臺(tái)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(gè)月，管束中間部位管子發(fā)生泄漏，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700mm，管板厚35mm，換熱管規(guī)格φ25mm×2.5mm，長3.0m，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℃。

    理化檢驗(yàn)

    1.宏觀分析

    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，如見圖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。

    圖1 失效換熱管環(huán)狀裂紋及斷口宏觀形貌

    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)）

    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)冷卻水中的氯離子含量較高，酚酞堿度為0.1mmol/L，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

    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，如圖3所示。

 圖2 換熱管顯微組織形貌

圖3 斷口處的二次裂紋形貌

    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(gè)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，呈解理斷裂的特征，如圖4d）所示。

 圖4 換熱管斷口SEM形貌

     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Cl、S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 斷口裂紋源區(qū)能譜分析結(jié)果

     分析與討論

    1.循環(huán)冷卻水中Cl-影響

     奧氏體型不銹鋼對氯離子的應(yīng)力腐蝕非常敏感，少量的氯離子就有可能導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。

    一般隨氯離子含量升高，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性增加。有研究表明低硬度循環(huán)水環(huán)境下，氯離子濃度達(dá)300mg/L左右時(shí)，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。

    該失效換熱器，其循環(huán)回水總管中水的氯離子含量高達(dá)395mg/L。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(dòng)不暢，易發(fā)生水汽化濃縮，氯離子進(jìn)一步富集，因而該處為應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)。

    2.換熱管應(yīng)力影響

    換熱器在制造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差變化較大，這會(huì)產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。

    3.材料及加工因素影響

    該換熱器換熱管與管板材質(zhì)均為0Cr18Ni9不銹鋼，為應(yīng)力腐蝕敏感材質(zhì)。管板與換熱管焊接連接時(shí)，連續(xù)作業(yè)可能會(huì)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氯離子含量的循環(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。

    4.溫度因素

    溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素。在氯離子和拉應(yīng)力存在的情況下，溫度較低時(shí)，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕不明顯；溫度升高，其應(yīng)力腐蝕速率加快。

    有研究發(fā)現(xiàn)，輕度敏化的0Cr18Ni9不銹鋼在0.2mg/L溶解氧的水中，200℃溫度區(qū)間時(shí)應(yīng)力腐蝕速率達(dá)到峰值。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0.5mg/L，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)生也有一定的促進(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，而其他部位未發(fā)現(xiàn)腐蝕開裂問題。

    結(jié)論與建議

    該換熱器換熱管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，為應(yīng)力腐蝕敏感材質(zhì)，其腐蝕開裂與氯離子濃度、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有關(guān)。其中，氯離子濃度和溫度因素是0Cr18Ni9不銹鋼換熱管應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素。

    建議改善制造工藝，防止材料局部溫度過高，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)水處理，控制循環(huán)水進(jìn)水氯離子含量符合要求，并采用適宜的緩蝕阻垢劑，提高換熱管對氯離子濃度的耐蝕能力，控制腐蝕和結(jié)垢。

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