吳建華1,李平平1,李玉新2,吳 特1

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,常州 213011;2.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 江安機務(wù)段,武漢 430301)

摘 要:316L不銹鋼板式換熱器使用約半年后頻繁出現(xiàn)泄漏事故,通過掃描電鏡分析、能譜分析、金相檢驗、顯微硬度檢測和有限元模擬分析等方法對泄漏原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:316L不銹鋼板片發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂,造成泄漏。板片冷加工后產(chǎn)生了較大的殘余拉應(yīng)力且環(huán)境中存在Cl- 腐蝕介質(zhì),導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大的波峰和波谷處產(chǎn)生裂紋和腐蝕坑,是造成板片發(fā)生早期開裂的主要原因,而高溫工作環(huán)境加速了點蝕的產(chǎn)生及裂紋的萌生和擴展,最終板片發(fā)生泄漏。

關(guān)鍵詞:316L不銹鋼;換熱器;應(yīng)力腐蝕;殘余應(yīng)力;泄漏

中圖分類號:TG178 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)07-0043-05

板式換熱器是由許多波紋形的傳熱板片按一定間隔、通過橡膠墊片壓緊組成的可拆卸的換熱設(shè)備,工作過程中,相鄰?fù)ǖ乐袃煞N不同流體形成的逆流或順流通過板片進(jìn)行熱量的交換[1]。板式換熱器具有換熱效率高、物料流阻損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、溫度控制靈敏、操作彈性大、裝拆方便、使用壽命長等特點。目前板片通常采用奧氏體不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等材料經(jīng)冷沖壓成形制備[2-6]。

某廠生產(chǎn)的板式換熱器材料為 316L 不銹鋼,熱側(cè)為高溫水蒸氣(200~300 ℃),冷側(cè)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的 NaOH(20~100 ℃),設(shè) 計 壽 命 為 30a(年),在使用約半年后陸續(xù)出現(xiàn)小批量泄漏事故。為找到該批次板式換熱器的泄漏原因,筆者對其進(jìn)行了理化檢驗及分析,并提出了有效的改進(jìn)和預(yù)防措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為泄漏板片的宏觀形貌,可見泄漏位于板片冷沖壓成形過程中變形最大的波峰和波谷處,且泄漏處有裂紋和凹坑存在,部分裂紋局部穿過凹坑。泄漏部位及周圍未見明顯塑性變形、磕碰擦傷等異常損傷情況,裂紋表現(xiàn)為脆性開裂特征。

1.2 掃描電鏡和能譜分析

在圖1b)箭頭所指部位取樣清洗后用 掃 描 電鏡進(jìn)行表面 形 貌 分 析,并 用 能 譜 儀 進(jìn) 行 微 區(qū) 成 分分析。圖 2 為 試 樣 表 面 泄 漏 部 位 的 低 倍 微 觀 形貌,可見網(wǎng)狀裂紋和凹坑,裂紋呈分叉狀穿過部分凹坑,整體 與 宏 觀 形 貌 一 致。圖 3 是 泄 漏 部 位 局部高倍微觀 形 貌 和 能 譜 分 析 結(jié) 果,可 見 凹 坑 中 和裂紋中均有腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物中含有較多的 Cl-和 S2- 等腐蝕介質(zhì)。

將圖2a)中長裂紋打開進(jìn)行觀察,斷口微觀形貌如圖4所示。可見裂紋源區(qū)位于凸起側(cè)表面,被厚厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋,形貌難以觀察;裂紋擴展區(qū)微觀形貌以穿晶解理和二次裂紋為主。

1.3 金相檢驗

沿表面腐蝕較為嚴(yán)重處切割取縱向試樣進(jìn)行金相檢驗,如圖5所示?？梢姀澢砻?波峰)存在多處深淺不一的腐蝕坑,裂紋多從腐蝕坑底部呈放射狀擴展,有的裂紋擴展至另一面而裂透(裂透部位發(fā)生泄漏),有的裂紋擴展相對較淺。此外,彎曲表面缺陷部位由于受力產(chǎn)生較大變形,其晶粒被拉長,因而會產(chǎn)生一定的形變硬化現(xiàn)象。心部基體顯微組織為奧氏體,晶粒度8.0級。結(jié)合電鏡分析結(jié)果可綜合判斷板片開裂處具有應(yīng)力腐蝕特征[7]。

1.4 顯微硬度檢測

對泄漏板片縱截面彎曲表面的晶粒拉長變形區(qū)(波峰)與正?；w部位(1/2高度處)分別進(jìn)行了顯

微 硬 度 檢 測,缺 陷 附 近 的 顯 微 硬 度 為 380~390HV0.3,正 常 基 體 部 位 的 顯 微 硬 度 為 270~280HV0.3,可見缺陷附近晶粒拉長變形部位的顯微硬度較基體晶粒正常部位的高約110HV0.3。

1.5 殘余應(yīng)力分析

圖6為板片加工殘余應(yīng)力模擬示意圖,可知波峰和波谷(開裂位置)殘余拉應(yīng)力為40MPa,明顯高于正常應(yīng)力狀態(tài)(小15MPa),資料[8-9]指出,穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生主要與在應(yīng)力作用下環(huán)境介質(zhì)誘發(fā)的解理開裂有關(guān),裂紋的擴展則是在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下進(jìn)行的,而足夠的應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必備條件,且拉應(yīng)力越大,金屬材料發(fā)生斷裂的時間越短。

2 分析與討論

根據(jù)上述檢驗結(jié)果可知,板片泄漏位置主要在波峰和波谷處,無明顯塑性變形,呈脆性開裂特征,裂紋以穿晶解理形貌為主,整體表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕開裂[10-11]。一般應(yīng)力腐蝕的必備條件包括特定材料、應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)3個方面,在材料確定的情況下,后兩者顯得尤為重要。其中應(yīng)力因素多以拉應(yīng)力為主[12]。通常情況下,拉應(yīng)力主要來自材料的加工和使用過程,大致分為工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力4種類型,研究[13-14]表明,冷加工產(chǎn)生的表面殘余拉應(yīng)力是奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因之一,也是該板片中的應(yīng)力類型。其次,熱蒸汽側(cè)腐蝕產(chǎn)物中檢測到 Cl- 和 S2- 等腐蝕介質(zhì),尤其

Cl- 的存在,是關(guān)鍵的環(huán)境因素。此外,溫度也是影響應(yīng)力腐蝕的重要因素,板片熱側(cè)為高溫蒸汽,隨溫度的升高,腐蝕介質(zhì)擴散速率增大,引起腐蝕介質(zhì)濃度的下降,即316L 不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)明顯增大[15]。在上述多重因素的綜合 作 用 下,316L不銹鋼板片最終發(fā)生了早期應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

(1)316L不銹鋼板片的開裂泄漏為應(yīng)力腐蝕開裂。

(2)冷加工產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力和環(huán)境中存在 Cl- ,導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大的波峰和波谷處產(chǎn)生裂紋和腐蝕坑,是造成板片發(fā)生早期失效的主要原因,而高溫工作環(huán)境加速了點蝕的產(chǎn)生及裂紋的萌生和擴展,最終板片發(fā)生泄漏。

(3)建議改進(jìn)板片的加工方式,增加去應(yīng)力處理工序,同時嚴(yán)格監(jiān)控 Cl- 的濃度,必要時進(jìn)行相關(guān)試驗驗證。

來源：材料與測試網(wǎng)