染缸熱交換器焊縫開裂原因分析

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣州 510663)

熱交換器是用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置，是對(duì)流傳熱及熱傳導(dǎo)的一種工業(yè)應(yīng)用。某紡織漂染有限公司染缸熱交換器在檢修過程中發(fā)現(xiàn)筒體與錐形封頭的焊縫及筒體附近母材出現(xiàn)裂紋。筒體及錐形封頭材料均為316Ti不銹鋼，筒體規(guī)格為φ381 mm×3.0 mm，壁厚為3.0 mm；前管板材料為316 L不銹鋼，焊接材料為ER316LSi不銹鋼焊絲。熱交換器殼程最高工作壓力為0.7 MPa，設(shè)計(jì)工作溫度為170 ℃，工作介質(zhì)為水蒸氣；管程最高工作壓力為0.38 MPa，設(shè)計(jì)工作溫度為140 ℃，工作介質(zhì)為染液。前管板兩側(cè)分別與筒體和錐形封頭焊接。為查明該染缸熱交換器筒體與錐形封頭焊縫開裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

采用滲透檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)熱交換器表面存在兩條裂紋，其宏觀形貌如圖1所示。1號(hào)裂紋位于筒體和前管板之間的焊縫位置，沿焊縫縱向擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為60 mm。2號(hào)裂紋位于1號(hào)裂紋焊縫附近的筒體母材處，距焊縫約10 mm，長(zhǎng)度約為25 mm。將兩條裂紋打磨掉約0.5 mm后再次進(jìn)行滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)裂紋打磨后長(zhǎng)度約為70 mm，2號(hào)裂紋打磨后長(zhǎng)度約為30 mm，裂紋均有由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展的趨勢(shì)。

圖1 熱交換器表面裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracks on the surface of the heat exchanger:a) before sanding; b) after sanding

1.2 化學(xué)成分分析

采用手持合金分析儀對(duì)熱交換器裂紋兩端筒體母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。裂紋兩端筒體母材化學(xué)成分符合ASME SA-240/SA-240M-2016SpecificationforChromiumandChromium-nickelStainlessSteelPlate,Sheet,andStripforPressureVesselsandforGeneralApplications對(duì)316Ti不銹鋼的技術(shù)要求，焊縫化學(xué)成分符合ASME SEC II C SFA-5.9/SFA-5.9M-2001SpecificationforBareStainlessSteelWeldingElectrodesandRods對(duì)RE316LSi不銹鋼的技術(shù)要求。

表1 熱交換器化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the heat exchanger (mass fraction) %

1.3 硬度測(cè)試

對(duì)熱交換器開裂區(qū)焊接接頭和遠(yuǎn)離開裂區(qū)的其他前管板與筒體焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置分別為筒體母材、焊縫和熱影響區(qū)，結(jié)果見表2。根據(jù)ASME SA240/SA-240M-2016，316Ti不銹鋼的硬度應(yīng)不高于217 HBS。由表2可知，開裂區(qū)母材與焊縫位置處硬度未見明顯異常，熱影響區(qū)的硬度偏高；遠(yuǎn)離開裂區(qū)的前管板與筒體焊接接頭硬度均無明顯異常。

表2 熱交換器硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of heat exchanger HBS

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)熱交換器開裂區(qū)1號(hào)和2號(hào)裂紋處進(jìn)行打磨拋光，用濃硝酸和濃鹽酸體積比為1∶3的溶液浸蝕后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示?？梢?號(hào)裂紋處的顯微組織為奧氏體+網(wǎng)狀分布的鐵素體，主裂紋穿晶擴(kuò)展，存在二次裂紋和明顯的腐蝕坑，具有應(yīng)力腐蝕特征；2號(hào)裂紋呈樹枝狀，顯微組織為奧氏體，同樣具有應(yīng)力腐蝕特征。

圖2 熱交換器開裂區(qū)顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of crack zone of the heat exchanger: a) No.1 crack; b) No.2 crack

1.5 氯離子檢測(cè)

圖3 工作介質(zhì)實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of working medium

為檢驗(yàn)染缸熱交換器工作介質(zhì)情況，對(duì)染缸熱交換器殼程的蒸汽系統(tǒng)冷凝水和管程常用的兩種染液(分別編號(hào)為1號(hào)染液和2號(hào)染液)取樣進(jìn)行氯離子質(zhì)量濃度分析，工作介質(zhì)試樣見圖3。檢測(cè)結(jié)果如下，1號(hào)染液中的氯離子質(zhì)量濃度為386 mg·L-1；2號(hào)染液中的氯離子質(zhì)量濃度為426 mg·L-1；開裂母材內(nèi)表面直接接觸的蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度為172 mg·L-1。

2 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，開裂交換器筒體以及筒體與前管板焊縫的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；開裂交換器的裂紋呈樹枝狀，具有由內(nèi)向外擴(kuò)展的趨勢(shì)，主裂紋穿晶擴(kuò)展；開裂位置處的焊接接頭筒體側(cè)熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于筒體母材和焊縫的。熱交換器內(nèi)壁在工作過程中需要承受一定的蒸汽壓力，同時(shí)焊接熱影響區(qū)存在殘余拉應(yīng)力，焊縫處的受力情況為兩者的疊加。拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生[1]。氯離子的質(zhì)量濃度越高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的時(shí)間越短，裂紋擴(kuò)展的速度越快[2-4]，即使氯離子質(zhì)量濃度較低，也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋。溫度的上升也加快了應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕敏感性，當(dāng)氯離子質(zhì)量濃度大于25 mg·L-1時(shí)，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[5-8]。從熱交換器工作介質(zhì)的氯離子質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果可知，開裂筒體內(nèi)表面接觸的蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到172 mg·L-1，加之殘余拉應(yīng)力和工作應(yīng)力的疊加作用，熱交換器焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，并最終導(dǎo)致該熱交換器筒體焊縫開裂。

3 結(jié)論及建議

該熱交換器焊縫及筒體附近母材的開裂模式為應(yīng)力腐蝕開裂。由于蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度過高，在焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下，焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

建議筒體材料選用抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能更優(yōu)的316L不銹鋼或雙相不銹鋼；定期對(duì)染液和蒸汽中的氯離子質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，將其質(zhì)量濃度嚴(yán)格控制在25 mg·L-1之下；采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝，由熟練焊工進(jìn)行焊接，并在焊后對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行去應(yīng)力處理，保證焊接質(zhì)量。