內(nèi)加熱流化床換熱管開裂失效分析

齊 君,逯永清,袁薪茹,王少明,褚亞洲

(山東先進材料研究院有限公司,山東 濟南 250200)

隨著我國干燥技術(shù)的升級換代,內(nèi)加熱流化床干燥技術(shù)廣泛應用到氯化鈉干燥行業(yè),實現(xiàn)了行業(yè)的節(jié)能降耗[1]。

內(nèi)加熱流化床是在普通固定式流化床的基礎上將管式換熱器內(nèi)置于流化床的流化段,換熱器內(nèi)通蒸汽,通過間接換熱為物料干燥提供熱量。內(nèi)置換熱器是內(nèi)加熱流化床的核心部件,其性能直接影響流化床的運行狀態(tài)和壽命[2]。

某廠內(nèi)加熱流化床內(nèi)置加熱管材質(zhì)為316L,換熱管內(nèi)介質(zhì)為1.1 MPa的飽和水蒸汽,換熱器管外的介質(zhì)是溫度為 80～100 ℃、含水率為3%左右的常壓氯化鈉固體顆粒。在運行13個月后,內(nèi)置換熱管出現(xiàn)了泄露現(xiàn)象,為確定泄露的發(fā)生原因,對泄漏處進行了宏觀和微觀分析,以便采取相應預防措施杜絕泄露現(xiàn)象的發(fā)生。

1 試驗過程與分析

1.1 換熱管宏觀檢查

對發(fā)生泄漏的換熱管進行了切割取樣,換熱管樣本見圖1。

圖1 失效換熱管宏觀形貌Fig.1 Appearance of lose efficacy heat exchange tube

在較強的光線下對換熱管泄露位置及其周圍用肉眼和低倍放大鏡進行了仔細檢查。在換熱管的外表面發(fā)現(xiàn)了2條裂紋,均位于彎管區(qū)域的外側(cè),分別標記為1和2位置,見圖1。換熱管外表面的裂紋位置及其附近均可見明顯的紅褐色腐蝕產(chǎn)物。

為了進一步觀察裂紋擴展的情況,將換熱管進行切割,以打開位于1和2位置處的裂紋。打開的1位置處裂紋見圖2(a)和2(b)。由圖可見,該位置主裂紋是由斷斷續(xù)續(xù)的多條小裂紋交匯而成,并且其附近存在多條平行于主裂紋的小裂紋。裂紋由管外壁多源起裂,并向管內(nèi)壁擴展,擴展方向如圖2(b)中箭頭所示。裂紋斷口表面整體凹凸不平,但每一裂紋源對應的各自的擴展區(qū)域相對平整,斷口及其附近未見明顯塑性變形,斷口表面覆蓋有明顯的紅褐色腐蝕產(chǎn)物。打開的2位置處裂紋見圖2(c)和2(d)。2位置處的裂紋特征與1位置處的裂紋特征一致。

圖2 失效換熱管打開后形貌Fig.2 Appearance of lose efficacy heat exchange tube after opening

1.2 換熱管的化學成分分析

換熱管材質(zhì)為022Cr17Ni12Mo2(316L),為驗證材質(zhì)是否符合國標,從換熱管截取試樣,制成符合成分分析的標準樣品,用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀進行化學成分分析[3],結(jié)果見表1。分析表明,失效換熱管材料的化學成分符合標準GB 13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[4]對316L不銹鋼的要求。

表1 換熱管材料化學成分表Tab.1 Chemical composition of heat exchange tube %

1.3 換熱管微觀形貌分析

為觀察失效換熱管裂紋及其附近的微觀形貌特征,在換熱管的管壁進行切割取樣后,將具有典型特征的破壞區(qū)域的表面及截面試樣分別放入掃描電子顯微鏡(SEM)進行仔細檢查[5-9]。

換熱管泄漏處外表面微觀形貌見圖3。由圖3可見,該位置的外表面存在大量腐蝕坑見圖3(a)和圖3(b)所示,EDS分析顯示腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物含有較高含量的Cl和S元素,見圖4。由圖3(c)和圖3(d)可見,該位置還存在多條裂紋,沿管的環(huán)向分布,較長的裂紋貫穿數(shù)個腐蝕坑。

圖4 換熱管泄漏處外表面微區(qū)成分分析及譜圖Fig.4 Analysis and spectra of the composition of the outer surface at the leakage point of the heat exchange tube

換熱管泄漏處內(nèi)表面的微觀形貌見圖 5。由圖5可見,該位置內(nèi)表面同樣發(fā)現(xiàn)了多條裂紋,說明管外表面的裂紋已穿透管壁。EDS分析顯示裂紋附近存在Cl和S元素,見圖6。

圖5 換熱管泄漏處內(nèi)表面的微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of the inner surface at the leakage point of the heat exchange tube

圖6 換熱管泄漏處內(nèi)表面的微區(qū)成分分析結(jié)果及圖譜Fig.6 Analysis and spectra of the composition of the inner surface at the leakage point of the heat exchange tube

將換熱管泄漏處的一處裂紋打開,觀察其斷口形貌。見圖7(a)和圖7(b),裂紋由換熱管的外表面多源起裂,部分裂紋源處可觀察到與外表面交界的腐蝕坑,說明這些裂紋由外表面的腐蝕坑底產(chǎn)生,斷口表面呈穿晶開裂微觀形貌。分析發(fā)現(xiàn)裂紋源處含有較高含量的Cl和S元素,分析結(jié)果見圖8(a)。該位置的截面微觀形貌如圖7(c)和7(d)所示,可見多處由管外表面起裂,并向材料內(nèi)部擴展的裂紋,裂紋呈樹枝狀,且有分叉,部分裂紋的起裂位置位于外表面的腐蝕坑底部。裂紋內(nèi)部填充有腐蝕產(chǎn)物,EDS分析顯示,裂紋內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物含有Cl和S元素,分析結(jié)果見圖8(b)。

圖7 換熱管裂紋斷口及截面的微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of crack fracture and cross-section of heat exchange tube

圖8 換熱管裂紋斷口及截面的微區(qū)成分分析及譜圖Fig.8 Analysis and spectra of the composition of crack fracture and cross-section of heat exchange tube

1.4 金相檢驗

金相檢驗是檢查材料冶煉、加工和熱處理后材料組織和缺陷狀況的有效方法。為檢查失效換熱管的金相組織,截取了失效換熱管的橫截面、縱截面金相試樣,進行了金相分析[10]。

換熱管泄露處 D類(球狀氧化物類)夾雜物評級為細系1級(D1),見圖9(a)。平均晶粒度為8級,見圖9(b)～圖9(d)。泄露處橫截面可見多條裂紋,見圖10(a)～圖10(d),裂紋由管外壁萌生并向管內(nèi)壁擴展,以穿晶擴展為主,與斷口觀察到的裂紋擴展特征相吻合。裂紋呈樹枝狀分布,口部和枝干較粗,枝杈較細,裂紋中均充滿腐蝕產(chǎn)物,符合應力腐蝕開裂的特征。截面金相組織均為奧氏體+碳化物,部分晶粒呈孿晶,有少量條狀碳化物沿奧氏體晶界分布。

圖9 換熱管泄露處的夾雜物及平均晶粒度Fig.9 Inclusions and average grain size at the leakage of heat exchange tube

圖10 換熱管泄漏處橫截面金相組織Fig.10 Metallographic structure of the cross section at the leakage of the heat exchange tube

1.5 拉伸性能

按照 GB 13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》的要求,在失效換熱管截取試樣進行拉伸試樣。拉伸試驗按照 GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》執(zhí)行,所得拉伸力學性能指標見表2。失效換熱管的抗拉強度和斷后伸長率均符合GB13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》對316L不銹鋼的要求[3,8]。

表2 換熱管拉伸力學性能指標Tab.2 Mechanical performance of heat exchange tube

2 分析與討論

由分析結(jié)果可知,該失效換熱管的化學成分及拉伸力學性能符合國家標準GB 13296-2013對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的要求。

應力腐蝕開裂是受應力作用(靜態(tài)或拉伸)的金屬材料在某些特定介質(zhì)中,由于腐蝕介質(zhì)與應力的協(xié)同作用而導致的裂縫增長,是一種腐蝕速度快,破壞嚴重,且往往在沒有產(chǎn)生任何明顯宏觀變形、不出現(xiàn)任何預兆的情況下突然發(fā)生的脆性斷裂?；?溶解/膜破裂是較為公認的應力腐蝕裂紋擴展機理,應力主要破壞不銹鋼表面的鈍化膜,促進應力腐蝕的發(fā)生[11-12]。

案例中失效不銹鋼管的管壁厚度未發(fā)生明顯變化,泄露處主要集中在換熱管的彎管處,泄漏處的管外壁存在大量腐蝕坑,多位置出現(xiàn)裂紋。管壁裂紋由管外壁開始萌生,部分裂紋起始于外表面的腐蝕坑底部,并沿壁厚方向向管內(nèi)壁擴展,主裂紋已穿透整個管壁。主裂紋沿管的環(huán)向開裂,裂紋擴展過程中形成分枝狀形貌,裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物。裂紋斷口呈脆性斷裂特征,主要為穿晶開裂形貌,管外壁、裂紋內(nèi)部及裂紋斷口均檢出較高含量的氯(Cl)和硫(S)元素,裂紋符合應力腐蝕開裂的特征。

奧氏體不銹鋼的應力腐蝕發(fā)生在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應力的共同作用下。在案例中,換熱管外部介質(zhì)是溫度為80～100 ℃、含水率為3%左右的常壓氯化鈉顆粒,該介質(zhì)提供了過飽和的氯離子環(huán)境,充當腐蝕介質(zhì)。換熱管內(nèi)部介質(zhì)為帶壓蒸汽,在彎管處存在拉應力。氯離子極易破壞不銹鋼表面的保護膜,在拉應力的作用下可進一步形成嚴重的應力腐蝕開裂。研究表明,雖然316L不銹鋼的耐腐蝕性能要優(yōu)于不含鉬(Mo)元素的不銹鋼(如304不銹鋼),但是當氯離子濃度大于2 000 mg/L時,316L不銹鋼發(fā)生應力腐蝕的傾向趨于明顯,且隨氯離子濃度的增加,其應力腐蝕敏感性呈增大趨勢[12]。在較高濃度氯離子環(huán)境中,內(nèi)加熱流化床內(nèi)置換熱管材質(zhì)建議選用耐氯離子腐蝕的材料,如雙相不銹鋼或鈦材因有具有較高的組織穩(wěn)定性,在化工、石油、海洋工程等領(lǐng)域已有大量的應用案例[13]。

3 結(jié)論

文章通過對失效換熱管進行了一系列的宏觀和微觀分析,得出以下結(jié)論。

1)該廠內(nèi)加熱流化床內(nèi)置不銹鋼換熱管的失效原因為氯離子導致的應力腐蝕開裂。

2)316L不銹鋼在成分上降低了碳含量,增加了鎳含量,改善了應力腐蝕性能,但在較高濃度的氯離子環(huán)境中發(fā)生應力腐蝕的傾向仍明顯,在設備選材中應根據(jù)實際工況予以考慮。

3)在較高濃度氯離子環(huán)境中,內(nèi)加熱流化床內(nèi)置換熱管材質(zhì)建議選用雙相不銹鋼或鈦材。