板式換熱器腐蝕與防護(hù)技術(shù)簡析

端木偉峰，李 海

（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816099）

板式換熱器因其結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于乳制品、食品加工、化工、熱電聯(lián)產(chǎn)、中央冷卻系統(tǒng)等領(lǐng)域。瓦楞奧氏體不銹鋼是板材的關(guān)鍵組成部分，由于暴露在惡劣的環(huán)境條件下，板材會遭受各種各樣的降解機(jī)制。

近年來，我國供熱熱電廠大量使用的公用電力設(shè)備發(fā)生內(nèi)部泄漏，嚴(yán)重威脅著熱電廠的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)有的研究，板材的局部腐蝕，包括局部開裂和穿孔，是板材內(nèi)部泄漏的主要原因。由于冷加工引起的高殘余應(yīng)力，304型ASS板在板與墊片之間的冷卻水側(cè)裂縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂縫。應(yīng)力腐蝕開裂的進(jìn)一步研究表明，縫隙中氯離子的堆積是應(yīng)力腐蝕開裂過程中的關(guān)鍵因素。

我國電力系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)督由于參與電力生產(chǎn)而得到廣泛開展，實(shí)現(xiàn)了全方位、全過程的協(xié)調(diào)。采用技術(shù)監(jiān)督可以避免故障分析的片面性。本文對某熱電廠內(nèi)泄漏的板式換熱器進(jìn)行了失效分析。分析了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)中可能出現(xiàn)的原因。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料和方法

本文采用板式換熱器對某電廠供熱系統(tǒng)的高溫?zé)崴c城市供熱網(wǎng)絡(luò)的低溫?zé)崴M(jìn)行換熱。按照設(shè)計(jì)，失效的鋼板預(yù)計(jì)可以使用30年，但實(shí)際上只使用了5年。為了找出某公司生產(chǎn)的316L厚板穿孔的原因，采用了以下調(diào)查方法。

（1）對失效板進(jìn)行宏觀檢查。

（2）對板材進(jìn)行化學(xué)成分、尺寸、硬度、顯微組織和x射線衍射分析。

（3）失效鋼板穿孔的顯微檢查。

（4）水質(zhì)，包括電導(dǎo)率、氯含量、總硬度。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

雖然在板的兩側(cè)可以觀察到穿孔，但在外觀和分布上的差異是明顯的。在LTHW一側(cè)，穿孔是規(guī)則地分布在交叉接觸點(diǎn)之間的相鄰板的之字形峰值和擁有屬性形狀。此外，還觀察到碗狀凹坑，但其大小較小。在高溫高壓側(cè)的相應(yīng)位置，即波紋板的凹陷處，大多可以觀察到穿孔。在高溫高壓側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)碗狀的坑。在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，射孔是在長四角錐面的曲折接觸中發(fā)生的。另一點(diǎn)值得注意的是，在中央控制點(diǎn)上沒有發(fā)現(xiàn)污垢，但它在周圍區(qū)域。這就是在這些地方煩躁不安的證據(jù)。

316L ASS波紋板的質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果顯示：失效的樣品符合NB/T47004標(biāo)準(zhǔn)。通過測試，確定了破壞板的幾何參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步在波紋板的不同位置進(jìn)行了維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，用該方法制備的鋼板表面的維氏硬度值在260 HV~300 HV之間，達(dá)到270 HV。顯然，失效板的維氏硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GBT 3280-2015標(biāo)準(zhǔn)(220 HV)。由于使用溫度和應(yīng)力較低，破損鋼板硬度較高的潛在原因可以排除在使用過程中的應(yīng)變強(qiáng)化。結(jié)果表明，高硬度是由于加工工藝的影響，但其確切原因需要進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)才能確定。

之后對失效板進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)。結(jié)果顯示兩種失效板組織均為典型的奧氏體擁有屬性，晶粒尺寸為6-8。腐蝕產(chǎn)物明顯，但無微小裂紋觀察坑。通過奧氏體晶粒和孿晶界的滑移帶普遍存在。眾所周知，孿生和滑移帶現(xiàn)象需要很高的應(yīng)力水平，這可能是板材微觀結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和/或施加應(yīng)力較高的塑性變形。根據(jù)板材制造商的數(shù)據(jù)，波紋板是由ASS板材在室溫下冷加工而成，無須按NB/t 47004的要求進(jìn)行后熱處理。

在前期觀察的基礎(chǔ)上，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜儀(EDS)，進(jìn)一步觀察了失效板的凹坑。兩個(gè)樣品板的凹坑特征為碗狀形狀。高倍鏡檢查顯示，在“碗”的底部沒有發(fā)現(xiàn)裂縫(既不是沿晶也不是穿晶)。EDS分析表明，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl-，這對ASS的局部耐蝕性是致命的。

采用x射線衍射(XRD)分析方法對同一平板中的鋸齒形峰面積和平面面積的樣品進(jìn)行了分析。鋸齒形峰區(qū)存在馬氏體相，馬氏體對316L鋼的耐蝕性有不利影響。對于無鈮亞穩(wěn)奧氏體擁有屬性ASS 316L，馬氏體可能是在波紋板制造過程中形變誘發(fā)的。這將對奧氏體穩(wěn)定性和耐蝕性產(chǎn)生不利影響。

對板式換熱器的水合物質(zhì)量進(jìn)行深入分析，高溫高壓水合物的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，而低溫高壓水合物的氯含量和總硬度均不合格。從熱電廠的經(jīng)驗(yàn)來看，氫氧化鈉具有高溫高壓的耐腐蝕性能。在目前情況下，長三角水電站的水質(zhì)明顯低于高四角水電站，這是我國其他熱電廠普遍存在的現(xiàn)象。長期水量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長期水量，這增加了水質(zhì)控制的難度和成本。

2 板式換熱器故障原因以及解決方式分析

2.1 失效類型分析

由于在泄漏位置周圍沒有觀察到穿晶或穿晶裂紋，所以應(yīng)力腐蝕和焊縫銹蝕裂紋都被排除在內(nèi)部泄漏的可能原因列表之外，它們都是擁有屬性裂紋。失效鋼板的滲漏均為穿孔，腐蝕產(chǎn)物中觀察到Cl-。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷，射孔是由局部腐蝕引起的。正如其他類似事故的報(bào)道一樣，最初認(rèn)為是坑蝕造成的。然而，在典型的現(xiàn)場條件下，孔蝕通常是較少的無定形孔洞的形狀，這是完全不同于在這種情況下的觀察。此外，穿孔出現(xiàn)在恒定的位置在這項(xiàng)工作。此外，在破壞板的穿孔位置同時(shí)滿足微動(dòng)和縫隙腐蝕的要求條件，這兩者都可能在某些條件下誘發(fā)穿孔。因此，本研究中的穿孔可能是由點(diǎn)蝕、微動(dòng)和縫隙腐蝕組合引起的。

相鄰波紋板的鋸齒峰之間形成裂縫，促進(jìn)了氯離子的積累。由于高溫高壓比低溫高壓高得多，板材受到從高溫高壓側(cè)到低溫高壓側(cè)的彎曲應(yīng)力，低溫高壓側(cè)的連續(xù)彎曲變形受到水壓變化的影響。微動(dòng)損傷破壞了316L低溫側(cè)的鈍化膜，其中點(diǎn)蝕優(yōu)先發(fā)生。由于氯離子在裂隙中的積累，使點(diǎn)蝕起始時(shí)間縮短。在腐蝕坑形成的早期，腐蝕產(chǎn)物不斷剝離，導(dǎo)致高濃度的氯離子與316L基質(zhì)直接接觸。隨后，腐蝕坑沿表面和深度方向生長。凹坑沿著表面生長得更快，并得到了點(diǎn)蝕、微動(dòng)和縫隙腐蝕的幫助，而在深度方向，則得到了點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的幫助。這也許可以解釋為什么所有的擁有屬性都呈碗狀。高溫高壓水中的氯化物是可以接受的，而長溫高壓水中的氯化物存在問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 導(dǎo)致板式換熱器失效的原因分析

首先在設(shè)計(jì)方面，ASS 316L波紋板在使用條件和尺寸方面符合要求。然而，在沒有墊圈和水側(cè)壓差的鋸齒形峰值接觸同時(shí)產(chǎn)生微動(dòng)磨損和縫隙腐蝕，在本工作中發(fā)現(xiàn)所有的微動(dòng)磨損都發(fā)生在這種位置。這似乎是一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，這是一個(gè)關(guān)鍵因素在有利的位置的穿孔和在點(diǎn)蝕啟動(dòng)時(shí)間。

其次，制造工藝方面，通過分析得出：失效的316L鋼板擁有屬性硬度很高。然而，高硬度并不意味著高水平的殘余應(yīng)力，這有利于點(diǎn)蝕形成的拉伸狀態(tài)。這項(xiàng)工作中的非常高的硬度是由應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)而不是由拉伸殘余應(yīng)力引起的。殘余應(yīng)力不僅使硬度發(fā)生變化，而且使XRD譜峰發(fā)生位移。拉伸殘余應(yīng)力在鋸齒形峰值處是有限的。證據(jù)之一是曲折峰與曲折谷之間的硬度無顯著差異，另一個(gè)證據(jù)是在曲折峰與平面之間沒有觀察到峰移動(dòng)。相應(yīng)地，拉伸殘余應(yīng)力對孔蝕的影響是有限的。這一點(diǎn)也得到了證實(shí)，在鋸齒形峰上沒有觀察到穿孔，殘余應(yīng)力和CCPs處于同一水平。因此，材料質(zhì)量差并不是導(dǎo)致板材穿孔失效的關(guān)鍵因素。

在上述討論的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：板式換熱器設(shè)計(jì)階段的錯(cuò)誤對穿孔的有利位置起著至關(guān)重要的作用，而高含量的Cl-是造成板式換熱器穿孔嚴(yán)重的主要原因。

2.3 消除板式換熱器腐蝕故障的措施分析

根據(jù)目前工作中的穿孔機(jī)理，建議采取以下處理辦法消除這些穿孔:

首先，低溫水中高含量的氯離子應(yīng)通過配水控制在標(biāo)準(zhǔn)線以下。灌裝用水至少要比一級反滲透用水好。通過添加氧化皮和緩蝕劑，LTHW的總硬度也應(yīng)該降低。較高的總硬度與ASS中的穿孔無關(guān)，但可能導(dǎo)致結(jié)垢。剝離污垢堵塞了流道，導(dǎo)致板式換熱器效率急劇下降。

其次，當(dāng)長時(shí)間高溫高壓壓力控制在同一水平時(shí)，中央對接板的微動(dòng)應(yīng)得到抑制，且不會產(chǎn)生明顯的波動(dòng)。在夏季非取暖期間，板式換熱器應(yīng)停止維修。由于點(diǎn)蝕開始于鈍化膜的局部擊穿，可以進(jìn)行再鈍化處理以修復(fù)局部損傷的鈍化膜。我公司正在研究具體的工藝參數(shù)。

3 小結(jié)

綜上，對某熱電廠板式換熱器316L板的內(nèi)泄漏進(jìn)行了綜合失效分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：

（1）內(nèi)泄漏是由于板材低溫?zé)崴畟?cè)鋸齒形峰值接觸處的穿孔引起的。

（2）孔蝕、縫隙腐蝕和微動(dòng)在形成過程中協(xié)同作用。

（3）板式換熱器設(shè)計(jì)階段的誤差是影響射孔有利部位的關(guān)鍵因素，低溫?zé)崴懈吆攘渴窃斐砂迨綋Q熱器射孔嚴(yán)重的主要原因。