PDF《304犔 不锈钢换热管泄漏原因分析》

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0 4 滩恍飧只蝗裙苄孤┰蚍治 姜涛,于洋,张兵(北京航空材料研究院 中国航空工业集团公司失效分析中心, 北京1

0 0

0 9

5 ) 摘要:某批进口燃气炉在投入使用后不久总数中约有1 / 3炉中的3

0 4 L不锈钢换热管出现漏 水现象;

通过观察换热管的烧损及结垢情况、 裂纹及断口形态, 检测其显微硬度和化学成分, 确定了 换热管的开裂性质及原因.

结果表明: 燃气炉换热管的开裂为应力腐蚀导致的脆性开裂;

循环系统 水质、 循环不良或补水过多导致管内沉积了大量含酸性腐蚀元素的水垢是换热管开裂的根本原因;

降低水的硬度, 去除硫、 氯离子, 合理循环和补水可以避免泄漏的发生. 关键词:

3 0

4 L不锈钢;

换热管;

裂纹;

应力腐蚀 中图分类号: T G

1 4

6 .

1 文献标志码: B 文章编号:

1 0

0 0

3 7

3 8 (

2 0

1 1 )

0 5

0 0

9 0

0 3 磷 镒 舄嶙樽 304汤 樽罄淋 ,犊斩 嶙,淋 樽(FailureA n a l y s i sC e n t e r o fA V I C, B e i j i n g I n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s , B e i j i n g1

0 0

0 9

5 , C h i n a ) :Leakageoccurredo n t h e

3 0

4 Ls t a i n l e s s s t e e l h e a t e x c h a n g i n gp i p e s a c c o u n t e d

1 / 3o f t h e t o t a l a f t e r i m p o r t g a s f u r n a c e s u s e d f o r a p e r i o d o f s e r v i c e . c r a c k i n gp r o p e r t i e s a n d r e a s o n sw e r e i d e n t i f i e db y o b s e r v i n gb u m i n g l o s s , s c a l i n gc r a c k , f r a c t u r em o r p h o l o g yo f t h eh e a t e x c h a n g i n gp i p ew e r eo b s e r v e da n dt h e i rm i c r o h a r d n e s sa n d c h e m i c a l c o m p o s i t i o nw e r e t e s t e d . T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c r a c k i n gm o d eo f t h eh e a t e x c h a n g i n gp i p ew a sb r i t t l e c r a c k i n gc a u s e db ys t r e s s c o r r o s i o n . T h eb a s i c r e a s o no f c r a c k i n g f o rh e a t c h a n g i n gp i p ew a sa l o t o f s c a l ed e p o s i t s c o m p r i s i n ga c i dc o r r o s i o ne l e m e n t s i nt h ep i p e ,w h i c hc a u s e db yt h ep o o rw a t e rq u a l i t yo re x c e s s i v ew a t e r .T h i s l e a k a g e c o u l db ep r e v e n t e db yl e s s e n i n gt h eh a r d n e s so fw a t e ra n dr e d u c i n gs u c f i d e , c h l o r i d i o na n dr e a s o n a b l e c i r c u l a t i o na n dw a t e r r e p l e n i s h i n g . :304Ls t a i n l e s s s t e e l ;

h e a t e x c h a n g i n gp i p e ;

c r a c k ;

s t r e s s c o r r o s i o n

0 引言近百台某型进口燃气炉投入使用后不久就约有 占总数1 / 3的燃气炉中热交换器换热管出现漏水现 象, 最早泄漏的换热管仅使用不到1 0d .热交换器 换热管( 以下简称为换热管) 为螺旋扁管结构, 螺旋 结构直径4

0 0mm, 中心设有燃烧器直接对其进行 火焰加热;

换热管材料为3

0 4 L不锈钢, 壁厚1mm, 扁管内部通水, 燃气炉工作时水温可达8 0℃.为查 明换热管的开裂原因, 防止泄漏问题的再次出现, 作 者对换热管进行了失效分析.

1 理化检验与结果

1 .

1 宏观形貌 燃气炉换热管由三组共9匝不锈钢管组成, 其 收稿日期:

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1 0

0 6

1 2 ;

修订日期:

2 0

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1 2

2 8 作者简介: 姜涛(

1 9

8 0 -) , 男, 黑龙江齐齐哈尔人, 工程师, 硕士. 中靠近出水口的第1 、 2匝管壁内侧已呈深褐色, 表 面被一层白色物质和黄褐色锈蚀产物所覆盖, 管壁 上可见水干涸后留下的痕迹, 其余管壁颜色相对较 浅, 见图1 .裂纹出现在第1匝管壁内侧受火焰灼 烧区域, 见图2箭头所指, 管壁横向开裂, 裂纹多且 细小, 开裂管壁无明显宏观变形.用稀盐酸溶液对 管壁进行清洗时出现大量气泡, 清洗后管壁表面较 粗糙, 色泽略暗, 表面可见很多小裂纹. 图1 泄漏换热管宏观形貌 .1嶙 舄嶙樽 濉09・第3 5卷第5期2011年5月机械工程材料MaterialsforMechanicalEngineeringVol.35No.5May2011图2 第1匝管壁裂纹形貌 .2 旖鸦蝗裙芎嵯蚪囟戏⑾直夤苁苋纫徊嗄诒 上沉积了大量水垢, 厚度约4mm, 见图3 .水垢基 本呈白色块状, 可见淡灰黄色和红褐色物质.将水 垢清除后, 发现越靠近受热区其壁管内表面颜色越 深, 扁管圆角处存在方向各异的裂纹, 见图4 . 图3 换热管内水垢的形貌 .3嶙樽 舄嶙樽 逋4 换热管内壁颜色变化及裂纹形貌 .4嶙嶙 嶙樽醋 1.2裂纹形貌及微区成分 将开裂换热管管壁切开后在J S M

5 6

0 0 L V 型 扫描电镜下观察, 由图5可见裂纹断口较平坦, 呈脆 性断裂特征, 表面有多条裂纹汇集形成的台阶, 说明 此断口由多条裂纹形成.从棱线方向判断, 裂纹应 起源于换热管内壁.断口表面可见奥氏体钢腐蚀后 的滑移线特征及腐蚀产物, 见图6 . 在受热端内壁上还存在皿状腐蚀坑与裂纹伴生 的情况, 坑底存在大量龟裂状腐蚀产物, 见图7 , 其 它区域可见明显沿晶腐蚀微裂纹, 见图8 .对上述 不同区域进行能谱分析, 结果见表1 , 可见在断口表 面以及腐蚀坑底均存在硫、 氯腐蚀性元素, 除此之外 还存在钙、 镁等元素. 图5 换热管裂纹断口低倍形貌 .5鳘嶙 舄嶙樽 逋6 断口的断裂特征及腐蚀产物形貌 .6镒嶙 镒嶙镒逋7 腐蚀坑内龟裂状腐蚀产物形貌 .7樽镒 嶙樽镒 敉8 换热管热端内壁表面沿晶裂纹 .8勺嶙樽 樽醋 舄嶙樽 逖乜鸦蝗裙芎峤孛婺ブ剖匝 O L YM P U S G X

5 1型光学显微镜下进行观察, 换热管裂纹数量 较多, 主要为穿晶裂纹, 形态各异, 多分叉, 裂纹内可 见灰色沉积物和腐蚀产物, 见图9 .对试样进行腐 蚀, 换热管受热端腐蚀程度明显较冷端重, 见图1

0 . ・

1 9 ・ 姜涛, 等:

3 0

4 L不锈钢换热管泄漏原因分析 表1 换热管不同位置的能谱分析结果( 质量分数) .1睦 状 遄镒()%测试部位 C O S i S C l C a M g 断口表面

4 .

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2 6 .

3 0

0 .

5 1

0 .

3 4

0 .

2 1 -

0 .

2 8 腐蚀坑底

3 .

4 4

3 0 .

0 3

0 .

8 0

0 .

1 3

0 .

2 6

0 .

5 1 - 沉积物

5 .

1 0

3 4 .

6 6

3 .

2 1

0 .

1 6 -

2 .

2 7

1 .

3 7 沿晶腐蚀区

2 .

3 7

1 5 .

5 3

0 .

6 4

0 .

2 1

0 .

4 2 - 图9 穿晶扩展的裂纹 .9嶙嶙樽缤1

0 换热管截面耐蚀形貌差异 .10遄镒嶙 樽 镒 舄嶙樽 1.3化学成分 采用直读光谱法对开裂换热管进行成分分析, 结果符合3

0 4 L不锈钢化学成分要求.

1 .

4 显微硬度 在WO L B T4

0 1 MV D型显微硬度计上测试失 效换热管横截面硬度, 结果见表2 .换热管受热端 硬度远高于其它部位的. 表2 失效换热管硬度测试结果 .2渥樽 嶙 (HV

0 .

5 ) 测试部位 受热端 中间段 非受热端

1 2

5 1 .

0 1

9 7 .

6 2

0 9 .

3 2

2 4

3 .

9 1

9 1 .

7 2

1 7 .

2 3

2 5

6 .

4 2

0 5 .

4 2

1 7 .

6 平均值

2 5

0 .

4 1

9 8 .

2 2

1 4 .

7 1 .

5 水垢的物相组成 将水垢收集后, 在BRUK E RD 8A d v a n c e型X射线衍射仪上用 K值法对各物相进行半定量分析. 结果显示水垢中主要含有碳酸钙和硫酸、 亚硫酸盐, 除此之外还含有铁的氧化物.

2 换热管开裂原因分析

2 .

1 裂纹性质与开裂过程 失效换热管具备两种典型特征: 结垢和腐蚀, 属 于锅炉类压力容器的腐蚀结垢类失效. 燃气炉换热管的开裂部位无明显的宏观塑性变 形, 内壁存在皿状腐蚀坑和裂纹, 裂纹多且分叉, 裂 纹断口表面可见腐蚀特征, 这些都是应力腐蚀开裂 的典型特征.同时, 换热管内壁及断口表面存在硫、 氯腐蚀性元素, 而换热管除了承受装配产生的结构 应力外, 还受热应力、 液体压力的作用, 应力腐蚀所 必需的腐蚀环境、 应力状态同时具备.由此判断, 燃 气炉换热管的失效性质为垢下应力腐蚀开裂.而循 环系统水质不良( 硬度高、 p H 值低、 含有硫、 氯离 子) 、 水循环效果不好或补水过多是导致酸性水垢大 量沉积的根本原因. 其失效过程: 燃气炉在使用过程中, 水中含腐蚀 性元素的物质在换热管热负荷相对较高的区段大量 沉积, 形成水垢, 随后发生垢下应力腐蚀直至脆性 开裂. 换热管脆性开裂是腐蚀与应力共同作用的结 果.腐蚀与应力相叠加, 失效的发展速度远高于普 通腐蚀和应力单独作用的情况[

1 -

2 ] , 因此换热管在 几天内就可能开裂失效.

2 .

2 换热管应力腐蚀的影响因素 换热管内存在大量水垢, 物相分析结果表明水 垢中含有大量的碳酸盐、 硫酸盐.水垢对换热管有 以下不利影响: (

1 )易形成闭塞腐蚀区, 产生氯离 子、 硫酸根离子、 亚硫酸根离子, 引起垢下酸腐蚀. ( 2)对不锈钢自身耐蚀性不利.换热管材料为304L不锈钢的良好耐蚀性主要依赖于金属表面存 在的氧化膜[

3 ] , 这层氧化膜仅在有氧、 氧化剂或阳极 极化时才形成.一旦必要的氧化条件丧失, 氧化膜 就会破坏, 如在缝隙内和沉积物下面就可能出现这 种破坏条件.换热管内沉积了大量的水垢, 水垢的 形成会影响氧化膜的形成和修复, 材料的耐腐蚀能 力就会降低.同时, 换热管内局部沉积了近4mm 厚的水垢, 水垢具有很高的热阻, 当水垢厚度超过一 定范围就会使冷却效果大幅度下降, 管壁温度明显 升高, 加速腐蚀进程[

4 ] . ( 下转第9 5页) ・

2 9 ・ 姜涛, 等:

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4 L不锈钢换热管泄漏原因分析 ( )0%()15%()30%()50%()70%()80%图2 91镁合........