在石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域,換熱器作為一種常見壓力容器被廣泛使用,其中最普遍使用的為管殼式換熱器,由殼體、傳熱管束、管板、折流板( 擋板) 和管箱等部件組成.

換熱器

    在換熱器材料的選擇上,根據(jù)使用溫度及環(huán)境不同,可選用金屬、塑料、陶瓷等材料.但對(duì)于一些在高壓、強(qiáng)腐蝕等苛刻條件下運(yùn)行的設(shè)備,國(guó)內(nèi)外多使用2205 型鐵素體- 奧氏體雙相不銹鋼材料, 相比與傳統(tǒng)的普通奧氏體不銹鋼,其具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性、好的焊接性及卓越的耐Cl-腐蝕性能,大大提高了換熱器的使用壽命.

    換熱管與管板連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一,也是換熱器事故發(fā)生率最多的部位,所以換熱管與管板連接處理不好可能導(dǎo)致?lián)Q熱器提前失效,造成停產(chǎn)、傷亡等.

    一、腐蝕調(diào)查

    某工程采用2205 雙相不銹鋼制作管殼式換熱器,在用脹管工藝實(shí)現(xiàn)管束與管板的連接時(shí)發(fā)現(xiàn)換熱管管壁破裂.所用換熱管為無(wú)縫鋼管,且脹管前使用內(nèi)窺鏡檢查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫存在.本此調(diào)查針對(duì)脹管工藝后失效的換熱管,利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡( SEM) 、能譜( EDS) 以及電子背散射衍射( EBSD) 技術(shù)分析裂縫附近軸向及徑向的微觀組織結(jié)構(gòu),確定2205 型雙相不銹鋼換熱管脹管破裂的原因,通過(guò)有針對(duì)性的控制來(lái)消除失效換熱器流入市場(chǎng)的安全隱患,避免經(jīng)濟(jì)損失.

    二、 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

    1、 宏觀觀察破裂換熱管為2205 雙相不銹鋼管,外徑20 mm,壁厚2 mm,管壁開裂.定義靠近裂紋端的不銹鋼管口為卷尺0 mm 位置,70 ~ 150 mm 處的長(zhǎng)裂紋最為明顯( 圖1) .宏觀上觀察裂紋并非直線型,而是螺旋型.用體式顯微鏡沿不銹鋼管檢查,發(fā)現(xiàn)換熱管0 mm 位置有小裂紋且未貫穿,650 mm位置仍可以看見微小的裂紋,且裂紋從0~ 650 mm 位置從未間斷,但僅在70 ~ 150 mm 位置裂紋貫穿管壁,其余位置為非貫穿性裂紋.

  不銹鋼換熱管開裂照片

    2、從斷口分析來(lái)看,距離不銹鋼管外壁約365靘 區(qū)域斷口形貌比較光滑,可能是時(shí)間較長(zhǎng)氧化所致,未見明顯的斷裂特征.而距離管外表面大于365 靘 區(qū)域有明顯韌窩,為韌性斷裂,管壁內(nèi)側(cè)韌窩的方向一致向下,為脹管撕裂所致.從不銹鋼的斷口組織可以推斷,外側(cè)管壁日久氧化為先開裂的區(qū)域,而中部和內(nèi)側(cè)為后斷裂區(qū)域.

斷口

    3、從金相組織及相分析的結(jié)果來(lái)看,表面裂紋附近的組織異常.一方面裂紋處的晶粒粗大,并且未隨著鋼管生產(chǎn)過(guò)程中的冷軋工藝變成長(zhǎng)條狀,另一方面,根據(jù)EBSD 的結(jié)果可知其裂紋附近基本為單相的奧氏體組織,而正常的雙相鋼組織鐵素體和奧氏體是均勻分布的.從貫穿性斷裂的徑向金相組織來(lái)看,靠?jī)?nèi)壁部分雖然晶粒受到拉伸作用明顯變形,但可看出其為正常的雙相組織.

 金相組織

 
    由此可見不銹鋼裂紋源位于表面奧氏體帶狀區(qū)域,管壁中部和內(nèi)側(cè)由于組織正常有良好的塑性,在脹管受力時(shí)屈服變形,最終斷裂.從SEM 及EDS 的分析結(jié)果來(lái)看,裂紋貫穿帶狀粗大奧氏體晶區(qū).EDS 半定量結(jié)果表明,裂紋附近的粗大奧氏體區(qū)域N 元素的含量較高,為0. 45%,而在雙相區(qū)N 元素的含量為0. 19%,過(guò)渡區(qū)域中N 元素含量呈遞減趨勢(shì).其他元素含量在各區(qū)域內(nèi)變化較小.在雙相不銹鋼中,N 是強(qiáng)烈奧氏體化元素,奧氏體化作用是Ni 的30 倍,隨著N 含量增加,鐵素體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小,奧氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增多,且尺寸增大,奧氏體形貌從長(zhǎng)條狀變成了近球形狀.裂紋附近粗大的奧氏體帶狀區(qū)的塑性和強(qiáng)度較之正常雙相鋼組織差,晶界有富Cr 的硬脆相生成必然使得材料的塑性和強(qiáng)度進(jìn)一步惡化,使得在不銹鋼管冷加工過(guò)程中出現(xiàn)微裂紋.

微裂紋

    三、結(jié)論及原因分析

    (1)雙相不銹鋼管在脹管前已存在微裂紋.

    原因分析:未脹管之前此不銹鋼管可能在冶煉和鑄造過(guò)程中由于微區(qū)成分不均勻而形成了粗大晶粒的奧氏體單相帶狀區(qū),并存在硬脆的富Cr片狀物析出,因此鋼管表面異常組織區(qū)域塑性很差,在鋼管加工過(guò)程中鋼管表面受力導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生.由于異常組織僅在鋼管表面奧氏體帶向下約365μm的區(qū)域,此區(qū)域下方為正常組織,塑性較好,使得不銹鋼管冷加工處理完成后并未形成貫穿性的裂紋.而換熱器制造廠在使用此鋼管制作換熱器時(shí),液壓脹管工藝使得原本均勻受力不銹鋼管在微裂紋尖端應(yīng)力集中,導(dǎo)致鋼管破裂.

    抑制措施:生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)滲透檢測(cè)表面微裂紋,可提前消除部分隱患.此外,企業(yè)在脹管連接工藝后,還利用內(nèi)窺鏡再進(jìn)行檢查,并通過(guò)高于使用壓力的水壓試驗(yàn)進(jìn)行可靠性試驗(yàn),避免失效換熱器流入市場(chǎng)而導(dǎo)致的安全和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題.

    (2) 雙相不銹鋼管由于N 元素偏析形成粗大奧氏體帶狀區(qū),并在晶界處有片狀富Cr 相析出,使得鋼管局部塑性變差,導(dǎo)致鋼管在加工過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋.

    抑制措施:在電連接器生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制接觸體表面氧化程度、酸洗程度及Cl - 的殘留,保證鍍層致密、無(wú)孔洞和裂紋.

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