PDF《板式换热器泄漏原因分析及处理》

[收稿日期] 2018-10-23 [作者简介] 张雪超 (1991) , 男, 内蒙古人, 硕士, 助理工程师, 从事发供电设备检验和失效分析工作.

doi:10.3969/j.issn.1008-6218.2019.01.015 板式换热器泄漏原因分析及处理 张雪超1 , 程璐2 , 陈浩1 , 张涛1 , 谢利明1 (1.内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020;

2.呼和浩特供电局, 呼和浩特 010050)

0 引言 奥氏体不锈钢因其优良的耐腐蚀性能和高温 抗氧化性能, 广泛应用于化工、 石油、 能源、 动力等 工业生产中, 但在含Cl- 的腐蚀性介质中奥氏体不锈 钢易发生应力腐蚀脆性开裂[1-2] .随着不锈钢产量 的增加和使用范围的扩大, 不锈钢应力腐蚀开裂的 报道屡见不鲜.学者们对不锈钢应力腐蚀开裂的 研究日益广泛和深入, 对影响不锈钢应力腐蚀的诸 多因子如温度、 压力、 应力水平, 不同氯化物体系及 其浓度、 pH值, 钢种及热处理工艺等都有研究, 并取 得了较大进展[3-5] .本文对某电厂热网首站板式换 摘要: 某电厂热网首站检修期间, 板式换热器大面积泄漏, 通过外观形貌分析、 化学成分 分析、 显微组织检测、 能谱分析等方法对换热器泄漏进行原因分析.结果表明: 板式换热器接 触到含有Cl- 的腐蚀性介质, 破坏了不锈钢表面坚固、 细密的富Cr氧化膜, 在加工残余应力对 钢板造成拉应力的长期作用下, 发生应力腐蚀开裂.此外, 换热器接触的水汽可能不达标, 造 成换热器化学成分中C、 S元素质量分数偏高, Ni元素质量分数偏低, 使得换热器抗腐蚀能力 下降, 加快了应力腐蚀的速度.为此提出合理选用材料、 正确组装、 定期清垢、 将板式换热器 不锈钢板更换为Ti板等建议. 关键词: 板式换热器;

泄漏;

腐蚀性介质;

应力腐蚀;

拉应力 文献标志码: B 中图分类号: TM206 文章编号: 1008-6218 (2019) 01-0068-03 Cause Analysis of Leakage in Plate Heat Exchanger and Its Treatment ZHANG Xuechao1 , CHENG Lu2 , CHEN Hao1 , ZHANG Tao1 , XIE Liming1 (1.Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020, China;

2.Hohhot Power Supply Bureau, Hohhot 010050, China) Abstract:A majority of leakage happened in the plate heat exchanger at the maintenance. The cause of the failure was analyzed by appearance analysis, chemical composition test, microstructure detection, scanning electron microscope SEM and EDS test. The results showed: the corrosive media with Cl- touching the plate heat exchanger so that it destroyed the solid, fine and stable oxidation film full of the chromium at the surface of the stainless steel;

at the same time, under the long interaction of machining residual stress and tensile stress formed by the expansion of the internal media, the stress corrosion cracking happened. In addition, because the aqueous vapour the heat exchanger touched was substandard probably, the content of carbon and sulphur was higher and the content of nickel was lower so that the resistance to corrosion of the plate heat exchanger decreased and the speed of the stress corrosion increased. Key words: plate heat exchanger;

leakage;

corrosive media;

stress corrosion;

tensile stress 内蒙古电力技术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER 2019年第37卷第1期68 图1 板式换热器宏观形貌 腐蚀坑 a 点腐蚀 b 树枝状裂纹 c 腐蚀坑 热器因应力腐蚀导致泄漏问题进行分析, 为同类型 问题处理提供参考.

1 板式换热器存在的问题 某电厂热网首站板式换热器由瑞典阿法拉伐 (中国) 有限公司生产, 型号为 Compabloc.换热器 汽侧设计压力0.45 MPa, 汽侧设计温度277 ℃;

实际 运行中汽侧压力变化范围为 0.12~0.5 MPa, 汽侧温 度变化范围为240~350 ℃.该板式换热器额定加热 蒸汽流量为

120 t/h, 水侧入口、 出口设计压力分别 0.6 MPa 和0.48 MPa, 水侧入口、 出口设计温度分别 为70 ℃和130 ℃.单台板式换热器最大流量不小 于1400 t/h, 水侧管口流速不超过6 m/s, 疏水温度变 化范围 100~125 ℃.换热器换热面积为

320 m2 , 板 片材质为进口不锈钢316L, 换热器投运时间为2015 年10月. 热网首站检修期间, 对第C、 D、 E、 F排板式换热 器进行解体检查, 发现换热片存在不同程度的磨 损, 且表面有腐蚀凹坑和麻点等.针对此现象对第 C、 D、 E、 F排板式换热器进行水压查漏检查, 发现换 热片大面积泄漏.

2 检验方法与结果分析 2.1 宏观形貌分析 对开裂泄漏的板式换热器进行宏观形貌检查, 发现该板式换热器钢板存在大量点腐蚀痕迹, 局部 区域存在树枝状裂纹 (见图1) . 2.2 化学成分分析 对开裂泄漏的板式换热器取样, 取样位置为泄 漏处附近, 并使用 SPECZROMAXx 型台式直读光谱 仪进行化学成分分析, 结果见表1.结果表明, 样品 化学成分中 C 和S质量分数高于 GB/T 24511―2017 《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》 要求, Ni 质量分数低于标准要求[6] . 2.3 显微组织分析 利用 Axio Observer.A1m 型金相显微镜对开裂 泄漏的板式换热器取样进行显微组织分析, 如图

2 所示.由图

2 可以看出, 换热器基体组织为单相奥 氏体组织并伴有大量孪晶, 未见大量析出物和老化 现象;

母材和焊缝处存在多条微裂纹, 主裂纹似树 干, 内部充满腐蚀产物, 大多数裂纹呈穿晶状, 并带 有大量枝杈, 具有典型的奥氏体不锈钢应力腐蚀裂 纹特征. 2.4 微区形貌及能谱分析 利用扫描电镜对泄漏的板式换热器进行微区 形貌分析, 发现板式换热器表面腐蚀坑及裂纹尖端 存在腐蚀产物, 如图3所示. 利用能谱分析仪对图3中绿框标注区域的腐蚀 项目 实测值 GB/T

24511 ―2017标准 C 0.45 ≤ 0.03 Si 0.38 ≤ 0.75 Mn 1.38 ≤ 2.00 Cr 16.95 16.00~ 18.00 Ni 9.6 10.00~ 14.00 Mo 2.00~ 3.00 P ≤ 0.035 S ≤ 0.02 表1 板式换热器化学成分质量分数 % 图2 板式换热器应力腐蚀裂纹显微组织 2019年第37卷第1期 张雪超, 等: 板式换热器泄漏原因分析及处理

69 a 腐蚀坑 图3 腐蚀产物微区形貌 b 裂纹尖端 产物化学成分进行分析, 结果见图4, 腐蚀坑内腐蚀 产物主要成分质量分数见表 2, 裂纹尖端腐蚀产物 主要成分质量分数见表 3.结果表明, 腐蚀坑内和 裂纹尖端存在含有Cl- 的腐蚀产物[7] .

3 原因分析 金属在湿腐蚀环境中发生最多的是应力腐蚀 开裂.应力腐蚀开裂是在拉伸应力和腐蚀介质共 同作用下发生的, 二者缺一不可[8] .拉应力是由设 备制造或焊接过程中产生的残余应力及工作载荷 引起的.奥氏体在含有 Cl- 的环境下易产生应力腐 蚀.当板式换热器板片表面的污垢严重时, 介质中 的腐蚀元素 (Cl、 S等) 大量附着于污垢, 并在垢底缝 隙处富集, 造成触点处的缝隙腐蚀. 板式换热器的化学成分中C和S质量分数高于 标准要求, Ni 质量分数低于标准要求, 据推断可能 是由于换热器接触的水汽不达标, 其中包含的C、 S、 Cl、 O等元素与换热器发生反应, 致使换热器部分元 素质量分数发生变化.C极易与不锈钢中的Cr结合 形成 C-Cr 化合物, 因此 C 质量分数偏高, 会导致不 锈钢固溶体中的Cr质量分数减少, 从而降低不锈钢 的耐腐蚀性.S 质量分数偏高及 Ni 质量分数偏低, 均会导致不锈钢的抗腐蚀能力下降.

4 结论与建议 综合以上分析认为, 该板式换热器泄漏的主要 原因为: 换热器因接触含有 Cl- 的腐蚀性介质, 破坏 了不锈钢表面坚固、 细密的富 Cr 氧化膜, 在加工残 余应力对钢板造成的拉应力的长期作用下, 发生应 力腐蚀开裂.此外, 换热器接触的水汽可能不达 标, 造成换热器化学成分中C、 S质量分数偏高, Ni质 量分数偏低, 使得换热器抗腐蚀能力下降, 也加快 了应力腐蚀速度. 与应力腐蚀相关的3个因素为材质、 拉应力、 环境.只要消除三者中的任何一个因素, 即可防止应 力腐蚀的发生[9] .因此, 对于板式换热器应合理选 用材料、 正确组装、 定期清垢, 以破坏腐蚀的生成条 件, 降低介质中 Cl- 等有害离子含量, 有效防止板片 触点处的缝隙腐蚀.Ti板是耐点蚀 (下转第74页) a 腐蚀坑 图4 腐蚀产物能谱图 b 裂纹尖端

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9 10 能量/keV 计数 能量/keV 计数 Fe 53.63 Cr 11.8 O 13.86 Ni 5.79 AL 0.93 Cl 1.29 Mn 2.99 S 0.75 Na 6.52 Si 1.19 表2 腐蚀坑内腐蚀产物能谱分析主要成分质量分数 % Fe 34.32 Cr 0.88 O 31.08 K 1.22 Mg 1.08 Cl 1.65 Ca 4.61 S 0.99 Na 4.44 Si 1.19 表3 裂纹尖端腐蚀产物能谱分析主要成分质量分数 % 2019年第37卷第1期内蒙古电力技术70 ????????????????????????????????????????? (上接第70页) 和耐缝隙腐蚀最好的结构材料, 在条 件允许的情况下, 可将板式换热器不锈钢板更换成 Ti板.同时建议全面查找板式换热器接触腐蚀介质 的原因, 及时更换泄漏的板式换热器. 参考文献: [1] 徐娜, 李永德, 时军波, 等.不锈钢换热器盘管腐蚀开裂失 效分析[J].金属热处理, 2013,

38 (9) : 104-107. [2] 钟振前, 田志凌, 唐树平.316L 奥氏体不锈钢应力腐蚀裂 纹的形成机制[J]. 材料热处理学报,2015, 36(11): 144-149. [3] Ghosh S, Rana V P S, Kain V, et al. Role of residual stresses induced by industrial fabrication on stress cor- rosion cracking susceptibility of austenitic stainless steel [J]. Materials &

Design, 2011, 32(7): 3823-3831. [4] Koyama M, Akiyama E, Sawaguchi T, et al. Hydro- gen-assisted quasi-cleavage fracture in a single crystal- line type

316 austenitic stainless steel[J]. Corrosion Sci ence, 2013(75): 345-353. [5] Sun M, Wu X, Zhang Z, et al. Oxidation of

316 stain less steel in supercritical water[J]. Corrosion science, 2009, 51(5): 1069-1072. [6] 全国钢标准化技术委员会.承压设备用不锈钢和耐热钢 钢板和钢带: GB/T 24511―2017[S].北京: 中国标准出版 社, 2017. [7] Albores-Silva O E, Charles E A, Padovani C. Effect of chloride deposition on stress corrosion cracking of 316L stainless steel used for intermediate level radioac- tive waste containers[J]. Corrosion Engineering, Science and Technology, 2011, 46(2): 124-128. [8] Lu B T, Chen Z K, Luo J L, et al. Pitting and stress corrosion cracking behavior in welded austenitic stain- less steel[J]. Electrochimica acta, 2005, 50(6): 1391- 1403. [9] 张振杰.奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂探讨[J].石油化工腐 蚀与防护, 2006,

23 (2) : 48-50. 编辑: 张俊英 通过新兴检测技术与传统检测技术合理配合的方 式形成互补, 避免单一检测技术的局限性, 缓解了 当前繁重的检测工作, 解决了传统检测技术下受限 于停电检修计划的问题, 使部分无法停电的高压支 柱瓷绝缘子也处于检测技术的保障之下, 对电网的 安全稳定运行具有积极作用. 参考文献: [1] 李伟, 王刘芳.高压支柱瓷绝缘子故障情况分析及对策[J]. 安徽电力,

2005 (4) : 14-16. [2] 国家电网公司.高压支柱瓷绝缘子现场检测导则: Q/ GDW 407―2010[S].北京: 中国电力出版社, 2010. [3] 韦晓星, 孙勇, 陈如龙, 等.水平安装支柱瓷绝缘子断裂故 障及弯曲负荷分析[J].电瓷避雷器,

2017 (2) : 156-163. [4] 杨海涛, 陈庆涛, 丁国成, 等.高压支柱瓷绝缘子力学特性 分析及断裂机理研究[J].电瓷避雷器,

2017 (4) : 178-183. [5] 雍军, 沈庆河, 胡晓黎, 等.浅析山东电网高压支柱瓷绝缘 子断裂原因[J].高电压技术,

2005 (3) : 90-91. [6] 窦振宇.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析[J].陶瓷研究与 职业教育,

2006 (4) : 42-44. [7] 闫东, 卢明, 姜国庆, 等.220 kV支柱绝缘子........