板式换热器板片为什么会失效，分析ing

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2012/03/30

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板式换热器板片失效分析

摘要：采用化学成分分析、电镜扫描等方法，对出现裂纹的换热器板片样品进行了逐项分析。结果表明，板片发生裂纹和泄漏的主要原因为密封面本身存在比较高的冷加工残余应力，介质中有较高的Cl-，在操作压力下，换热器板片发生了应力腐蚀。同时针对本次事故发生的原因提出了相应的预防措施。

关键词：板式换热器；板片；残余应力；失效分析

板式换热器被广泛应用于石油、化工等行业中，其常见的故障有几下几种：①外漏，主要为板片密封失效。据文献介绍，北京、青海和新疆等地的多个热力站因蒸汽温度较高，橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸气外漏。②串液。由于使用温度远超出材料的应用范围，致使压力较高一侧的板片流道内介质串入压力较低一侧的流道介质中。以饱和蒸汽为热源的板式换热器，当蒸汽温度过高时，运行过程中很容易发生蒸汽外漏并在板片两侧密封区域急速冷凝，冷凝残液不断积集形成局部Cl-质量浓度较高，破坏板片表面钝化层，加上该处板片冷冲压导致的内应力较大，引发应力腐蚀，引起串液。③压降过大。由于介质中污垢过多，导致板片表面结垢，致使原本板片间流道截面流速过高，而压降超过了允许范围[1]。某石化公司E24101再沸器凝液冷却器为板式换热器，外形尺寸680×2520×1825mm，板片为0.7mm的SS316不锈钢，密封垫片为EPDM，密封胶为氯丁胶[2]。换热器设计与操作条件见表1。该换热器于1997年投入使用几个月后停工，直到1999年继续使用，期间由于泄漏更换过垫片，到2002 年底发现因密封垫部位存在大量的裂纹而导致严重泄漏。为了避免类似情况重复发生，笔者对此板式换热器板片取样进行了失效分析，简述如下。

1 检测分析

1.1 裂纹宏观形貌分析

通过对所提供样品的宏观形貌分析发现：①裂纹主要沿板片密封垫走向分布，且裂纹上附有密封胶。裂纹处于板片冷加工凸起的密封面上，裂纹附近没有明显的塑性变形。②裂纹附近的流动死角沉积有垢层。③裂纹发生在冷、热流道口密封面，主裂纹与密封垫平行，但存在明显的分叉现象。④作为换热板片主传热面的鱼脊状波纹流槽冲压凸起部分未发现裂纹和穿孔。

根据上述观察，发现裂纹具有应力腐蚀的基本特征，估计与板片密封部位冷冲压成型具有较高的残余应力、密封胶的化学成分、垫片与板片的相互作用、介质及操作等因素有关，需要进行进一步的检验和证实。

1.2 材料化学分析

从换热器板片提取化学成分分析样品

从检测结果可以看出，该样品应当属于奥氏体不锈钢，除Cr质量分数较高以外，其他主要元素与GB3280—1992《不锈钢冷轧钢板》中的0Cr17Ni12Mo2以及AISI316奥氏体不锈钢化学成分相符。

1.3 材料硬度检测

在常温下选择部分样品进行硬度(HV)测试，结果见表3。

按照GB3280—1992中固溶态奥氏体不锈钢的力学性能指标，0Cr17Ni122Mo2材料的硬度应不大于HV200。由表 3中结果可见，密封面上硬度比普通换热部位的要高，但两者都小于HV200，原则上符合性能要求。不同测量部位数据相差较大，这些分析结果表明密封面上的应力水平偏高。1.4 板片表面杂质分析
为查找介质方面的原因，在裂纹比较集中的冷、热流体通道密封垫附近切取样品(图1)，有针对性地分析所含Cl-

1.5 金相分析

对换热器板片样品选择具有代表性的部位进行金相分析，结果如下：①未经腐蚀的含有裂纹尖端的微观形貌表明，裂纹的扩展呈现出明显的树枝状形态，微观形态显示裂纹附近没有明显的宏观变形迹象，裂纹具备应力腐蚀的基本特征，见图2a。②经过侵蚀处理的换热器板片样品的金相组织为等轴奥氏体组织，晶粒比较均匀，主要以沿晶为主，辅以个别的穿晶裂纹，裂纹尖端显现晶间腐蚀迹象，见图2b。

1.6 扫描电镜分析

选择有代表性的换热器板片样品，进行电镜扫描(SEM)分析[4]，结果如下：①板片表面存在着大量密布的粒状结构，进行能谱成分分析之后发现该物质为主材晶粒。裂纹沿晶间扩展。②换热器板片表面上存在着大量类似二次裂纹的缝隙，说明材料表面的组织疏松，遭受了严重的介质腐蚀，存在严重的晶间腐蚀现象，见图3。③人工解离断口表面发现大量冰糖块状的形貌，显现了脆性裂纹的特点，端口附近表面有腐蚀产物覆盖，见图4。④裂纹穿透了板片的壁厚，从解离面密封胶即可辨别裂纹的扩展方向。

1.7 微区能谱分析

为了辨识电镜扫描观察时样品表面物质的成分，针对上述裂纹/断口形态观察的部分试样进行微区能谱分析

从表5可知，换热器板片含胶密封面和断口表面的元素组成比较复杂，除了材料的主元素Cr、Ni和Fe外，还存在大量的其他有害元素，如C、S、Si、Cl等。在人工解离面无覆盖物断口上，由于没有介质和密封胶的直接污染，微区材料化学成分比较简单，Ni质量分数偏低，并且未发现S和Cl等有害介质。与密封胶接触的表面和裂纹断口含有较高的Cl，主要由于密封胶为氯丁胶，配方中可能含有硫化剂，添加剂(如氯化镁等氯化物)、介质含有一定的Cl(氯在流动死区容易积聚)，氯丁胶在长期高温下逐渐老化析出单体与含氯物质，从而为奥氏体不锈钢在操作工况下产生应力腐蚀提供了介质条件。

2 预防措施

通过对换热器板片、密封胶、垫片、断口形貌、材料化学成分、板片金相组织、内外表面微区能谱等方面的综合分析，笔者认为，换热器板片在密封面发生泄漏的主要原因在于密封面本身存在较高的冷加工残余应力，操作条件下有较高的应力，氯丁胶中含有的Cl、S等元素在操作温度下有析出的趋势，从而导致奥氏体不锈钢发生应力腐蚀[5]。为防止类似事故的发生，建议采取下列措施：①加强换热器板片冷冲压成型后消除应力热处理的监督与控制。②严格把好密封胶的配方关，确保密封胶中不含Cl、S等有害元素，或采取措施确保S、Cl 在操作条件下不会析出，也可采用新型粘胶。③选择耐Cl、S应力腐蚀的不锈钢换热器板片，如铁素体、双相不锈钢等。④严格检测并控制蒸汽凝液中所含Cl-，避免板片发生应力腐蚀失效，对除盐水、蒸汽凝液进行Cl-监控。⑤通过调整垫片密封比压，探讨适宜的换热器板片密封面上的面密封压紧力或力矩，避免超过合理参数的预紧操作。

3 结语

密封面本身存在较高的冷加工残余应力，操作条件下有较高的应力水平，是导致本次换热器板片失效的直接原因。氯丁胶中含有的C1、S 等元素在操作温度下析出，导致奥氏体不锈钢发生应力腐蚀，是本次换热器板片失效的根本原因。建议在使用过程中定期对上述诸参数进行相应的检查，以避免类似事故的发生。

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