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換熱器管口裂紋產生的控制措施和原因
來源:中國熱交換器服務 發布日期:2017-10-24 訪問次數:


       某廠的不銹鋼換熱器。在使用一年多時間后,管口處相繼產生貫穿性裂紋.影響了工廠的日常生產.醞釀著嚴重的安全隱患。裂紋從管口脹接處開始,逐漸向另一管孔延伸,管口的交界處有銹狀物包裹.剝去包裹物后用肉眼觀察可見管孔周邊存在多條裂紋,裂紋總長600Im以上。為找到裂紋產生的原因并提出相應的改進措施.對管板材質化學成分、斷口形貌、介質環境、腐蝕產物、金相組織等進行了分析,綜合分析裂紋的成因。

       一、檢驗分析

       1、管口材料成分分析

       對管口取樣進行化學成分分析,并與標準GB4237《不銹鋼熱軋鋼板)中1Crl8Ni卯i成分對照,分析結果表明,實際材質與國標材質對比,Ti含量明顯不足,C含量略偏高,管口材質實際接近1crl8Ni9,而不是1Cd8Ni螄。

       2、介質環境分析

       換熱器所用的蒸汽來自于本廠的循環工業用水。換熱器使用。實地對換熱器的介質即加熱蒸汽的凝結水和機油采樣送檢,水汽分析結果表明。蒸汽凝結水中含有較多的Cr。這可能與工業水循環過程中混人了Cl-有關。

       3、全相分析

       宏觀檢查管口,發現存在寬窄不一的貫穿性裂紋,裂紋寬度最寬達1.5咖。制取斷口試樣(未破壞斷口形貌),管口大部分金屬已失去光澤,斷口表現為多臺階、參差不齊的斷口,呈脆性斷裂特征。微觀檢驗觀察試樣拋光面.發現存在多處沿晶裂紋,由粗變細逐漸由外向內擴展:在較粗一頭存在明顯的非金屬夾雜物;同時還發現少數區域存在沿晶分布的非金屬夾雜物。電解侵蝕后.顯微組織特征為:基體為奧氏體.其上分布有較多碳化物顆粒,同時存在碳化物沿晶分布的網狀組織.微觀裂紋是沿著碳化物析出的晶界擴展的,裂紋特征符合晶間腐蝕(網狀)和應力腐蝕(沿晶)的特征。

       4、腐蝕產物分析

       對管口孔縫隙間的腐蝕產物取樣。用能量散射X光譜(EDS)進行分析,結果表明,腐蝕產物中主要成分為Fe,Cr,并有Cr局部富集現象。

       二、腐蝕機理分析

       1、材質影響

       不銹鋼的耐蝕性主要是因為表面有一層鈍化膜,提高了電極電位,可以阻止腐蝕反應發生。而管板材質不良,缺鈦且碳含量偏高,

       易造成晶界貧鉻現象.產生活態一鈍態微電池。一般的1Cd8Ni蛐中鈦含量為碳含量的5一10倍.這樣才能起到穩定化作用。但本材質鈦含量過低,而碳含量偏高。若材料在制造或使用過程中經過敏化溫度區。不穩定的碳容易在晶界消耗大量的鉻形成碳化鉻析出,內部的碳向晶界擴散的速度比鉻快.晶界的鉻得不到補充致使晶界出現貧鉻區(即敏化).形成不了鈍化膜,使晶界鈍態受到破壞,電極電位下降(陽極、活態),而晶粒本身仍維持鈍態,電位較高(陰極),晶粒與晶界構成活態一鈍態微電池,且具有大陰極一小陽極的面積比,在這種藕合加速效應的影響下.導致材料晶間腐蝕,同時抗晶間型應力腐蝕的能力也有所下降。

       2、介質環境、應力因素

       不銹鋼發生應力腐蝕現象較為常見。不銹鋼發生應力腐蝕應具備三個基本條件:敏感的合金(材料因素)、靜的拉伸應力(力學因素)和特征介質(環境因素)。

       敏感的合金一對lCd8Ni朔而言。在有氯化物、氫氧化物和連多硫酸的介質中。均能引起應力腐蝕。靜的拉伸應力一如果沒有靜的拉伸應力,即使有敏感的合金與特定的介質配合。應力腐蝕也不會發生。在不銹鋼應力腐蝕中起主要作用的是宏觀內應力。即殘余拉應力,而不是微觀內應力。換熱管與管板脹接后,存在脹接應力(殘余拉應力)。

       特征介質一特別是溶液中的一些雜質.即所謂特征離子的存在是最為危險的。在200℃水中僅含2ppm Cr,便可使奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕。并多數以點蝕、縫隙腐蝕為起源。

       水汽報告表明,其Cr含量足以在200一300℃時使不銹鋼產生晶間型應力腐蝕。EDS分析結果也表明,裂紋面內有明顯的Cr局部富集。

       3、閉塞電池的形成

       由于脹接部位縫隙內溶液處于滯流狀態。氧只能以擴散的方式向縫內傳遞。使縫內的氧耗難以得到補充。從而使縫隙內的陰極反應中止。然而,縫隙內的陽極反應繼續進行,形成一個高濃度金屬正離子溶液的空腔。為保持溶液中性,帶負電荷的陰離子(Cr)遷移人空腔內,生成的金屬氯化物又發生水解反應,空腔內酸性增加。導致鈍化膜破裂,使空腔內電極電位下降,形成為陽極,整個外表面形成為陰極。尤其是Cr可與H+生成鹽酸.其腐蝕性更強。加速了空腔內的腐蝕速度。由于材質中欽含量不足。也易引起鈍態的活化。隨著腐蝕的進行及腐蝕產物的沉積.縫隙內形成閉塞電池腐蝕.并在應力和腐蝕的聯合作用下。擴展為裂紋向縱深發展。換熱器

       4、冶金、熱處理因素

       金相組織顯示為奧氏體加大量的未溶碳化物.同時存在沿晶分布的網狀碳化物。說明該材料未經固溶處理,或固溶處理溫度不高、時間較短,碳化物未充分溶鰓,合金化程度差。而且,熱處理溫度低,鉻擴散速度減慢,碳化鉻沉淀加快,更加速了貧鉻區的形成,降低了電極電位。同時。沿晶分布的含鉻碳化物會加劇晶界貧鉻而導致沿晶界的應力腐蝕。

       沿晶非金屬夾雜物的存在說明該材料晶粒很粗。粗晶粒的晶間腐蝕傾向大。原因在于粗晶單位體積的晶界面積小,而在給定的敏化條件下產生的碳化物沉淀又是一定的。使粗晶的晶界部位碳化物密度比細晶的大。另一方面,粗大的晶粒有促使加速M23C6沉淀的作用,同時沿晶分布的非金屬夾雜物嚴重割裂基體的連續性,降低了材料的強度.非金屬夾雜的尖端極易造成應力集中。換熱器

       三、結語

       管口的材質分析和金相組織分析表明,材質不合要求。導致基體和晶界耐晶間腐蝕和晶間型應力腐蝕的性能下降。介質中的Cr在晶界敏化和殘余應力的共同作用下,引起晶間型應力腐蝕,并且Cr在管子管板縫隙內滯流.在殘余應力、酸性自催化作用下導致縫隙腐蝕:而沿晶的非金屬夾雜物導致應力集中、組織晶粒粗大,也加劇了腐蝕的產生和發展。為防止裂紋產生,可從以下四方面改進:

       1、材質控制

       嚴格控制材質質量,通過添加穩定化元素或降低碳含量.控制晶界吸附和抑制晶界沉淀:熱處理溫度、時間和溫度變化速度必須達到要求,以減少含鉻碳化物的析出,控制晶粒度和細化晶粒,降低產生腐蝕的可能性。

       2、結構改進

       盡量避免形成閉塞空間.設計時對管板與管子問的縫隙可考慮進行密封處理。建議采用密封焊,焊后進行消除應力處理。

       3、工況介質控制

       嚴格控制介質中的雜質。特別是C1.含量,可通過工藝手段將其控制在引起應力腐蝕的濃度之下。

       4、選材考慮

       由于lCrl8Ni卯i中C含量較高。將增加不銹鋼對應力腐蝕的敏感性,同時在設備制造過程中經過熱加工或焊接熱循環后。Ti的穩定化作用會下降甚至消失。易造成晶界敏化。降低抗晶間腐蝕的性能,故在壓力容器行業。目前已不推薦使用該鋼號。可選用含碳量更低的Cr—Ni奧氏體不銹鋼.如0Cd8Nil0Ti鋼、OCrl8 NiUNb鋼或超低碳不銹鋼00Cd9Nil0鋼等,以降低晶界敏化的危害性。也可考慮采用復相不銹鋼,以降低不銹鋼對氯離子應力腐蝕破裂的敏感性。

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