在石油、化工、电力等工业领域,换热器作为一种常见压力容器被广泛使用,其中最普遍使用的为管壳式换热器,由壳体、传热管束、管板、折流板( 挡板) 和管箱等部件组成.
换热器
在换热器材料的选择上,根据使用温度及环境不同,可选用金属、塑料、陶瓷等材料.但对于一些在高压、强腐蚀等苛刻条件下运行的设备,国内外多使用2205 型铁素体- 奥氏体双相不锈钢材料, 相比与传统的普通奥氏体不锈钢,其具有高强度、优良的韧性、好的焊接性及卓越的耐Cl-腐蚀性能,大大提高了换热器的使用寿命.
换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造中最关键的技术之一,也是换热器事故发生率最多的部位,所以换热管与管板连接处理不好可能导致换热器提前失效,造成停产、伤亡等.
一、腐蚀调查
某工程采用2205 双相不锈钢制作管壳式换热器,在用胀管工艺实现管束与管板的连接时发现换热管管壁破裂.所用换热管为无缝钢管,且胀管前使用内窥镜检查并没有发现裂缝存在.本此调查针对胀管工艺后失效的换热管,利用金相显微镜、扫描电子显微镜( SEM) 、能谱( EDS) 以及电子背散射衍射( EBSD) 技术分析裂缝附近轴向及径向的微观组织结构,确定2205 型双相不锈钢换热管胀管破裂的原因,通过有针对性的控制来消除失效换热器流入市场的安全隐患,避免经济损失.
二、 试验过程与结果
1、 宏观观察破裂换热管为2205 双相不锈钢管,外径20 mm,壁厚2 mm,管壁开裂.定义靠近裂纹端的不锈钢管口为卷尺0 mm 位置,70 ~ 150 mm 处的长裂纹最为明显( 图1) .宏观上观察裂纹并非直线型,而是螺旋型.用体式显微镜沿不锈钢管检查,发现换热管0 mm 位置有小裂纹且未贯穿,650 mm位置仍可以看见微小的裂纹,且裂纹从0~ 650 mm 位置从未间断,但仅在70 ~ 150 mm 位置裂纹贯穿管壁,其余位置为非贯穿性裂纹.
不锈钢换热管开裂照片
2、从断口分析来看,距离不锈钢管外壁约365靘 区域断口形貌比较光滑,可能是时间较长氧化所致,未见明显的断裂特征.而距离管外表面大于365 靘 区域有明显韧窝,为韧性断裂,管壁内侧韧窝的方向一致向下,为胀管撕裂所致.从不锈钢的断口组织可以推断,外侧管壁日久氧化为先开裂的区域,而中部和内侧为后断裂区域.
断口
3、从金相组织及相分析的结果来看,表面裂纹附近的组织异常.一方面裂纹处的晶粒粗大,并且未随着钢管生产过程中的冷轧工艺变成长条状,另一方面,根据EBSD 的结果可知其裂纹附近基本为单相的奥氏体组织,而正常的双相钢组织铁素体和奥氏体是均匀分布的.从贯穿性断裂的径向金相组织来看,靠内壁部分虽然晶粒受到拉伸作用明显变形,但可看出其为正常的双相组织.
金相组织
由此可见不锈钢裂纹源位于表面奥氏体带状区域,管壁中部和内侧由于组织正常有良好的塑性,在胀管受力时屈服变形,最终断裂.从SEM 及EDS 的分析结果来看,裂纹贯穿带状粗大奥氏体晶区.EDS 半定量结果表明,裂纹附近的粗大奥氏体区域N 元素的含量较高,为0. 45%,而在双相区N 元素的含量为0. 19%,过渡区域中N 元素含量呈递减趋势.其他元素含量在各区域内变化较小.在双相不锈钢中,N 是强烈奥氏体化元素,奥氏体化作用是Ni 的30 倍,随着N 含量增加,铁素体体积分数逐渐减小,奥氏体体积分数逐渐增多,且尺寸增大,奥氏体形貌从长条状变成了近球形状.裂纹附近粗大的奥氏体带状区的塑性和强度较之正常双相钢组织差,晶界有富Cr 的硬脆相生成必然使得材料的塑性和强度进一步恶化,使得在不锈钢管冷加工过程中出现微裂纹.
微裂纹
三、结论及原因分析
(1)双相不锈钢管在胀管前已存在微裂纹.
原因分析:未胀管之前此不锈钢管可能在冶炼和铸造过程中由于微区成分不均匀而形成了粗大晶粒的奥氏体单相带状区,并存在硬脆的富Cr片状物析出,因此钢管表面异常组织区域塑性很差,在钢管加工过程中钢管表面受力导致微裂纹的产生.由于异常组织仅在钢管表面奥氏体带向下约365μm的区域,此区域下方为正常组织,塑性较好,使得不锈钢管冷加工处理完成后并未形成贯穿性的裂纹.而换热器制造厂在使用此钢管制作换热器时,液压胀管工艺使得原本均匀受力不锈钢管在微裂纹尖端应力集中,导致钢管破裂.
抑制措施:生产企业通过渗透检测表面微裂纹,可提前消除部分隐患.此外,企业在胀管连接工艺后,还利用内窥镜再进行检查,并通过高于使用压力的水压试验进行可靠性试验,避免失效换热器流入市场而导致的安全和经济问题.
(2) 双相不锈钢管由于N 元素偏析形成粗大奥氏体带状区,并在晶界处有片状富Cr 相析出,使得钢管局部塑性变差,导致钢管在加工过程中产生微裂纹.
抑制措施:在电连接器生产过程中应严格控制接触体表面氧化程度、酸洗程度及Cl - 的残留,保证镀层致密、无孔洞和裂纹.
更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注国家材料腐蚀与防护科学数据中心http://www.ecorr.org