背景情況

    某公司一臺回收N-甲基吡咯烷酮（NMP）的立式固定管板式換熱器投運不滿2個月，管束中間部位管子發生泄漏，管子泄漏段處于上管板管孔內。

    該換熱器換熱管與管板材料均為0Cr18Ni9不銹鋼，換熱器內徑700mm，管板厚35mm，換熱管規格φ25mm×2.5mm，長3.0m，管板與換熱管采用焊接連接。換熱管管外殼程為循環冷卻水；管內介質為NMP，其沸點為203℃。

    理化檢驗

    1.宏觀分析

    抽出泄漏的換熱管，可見上管板管孔內的一段有環狀裂紋，如見圖1a）所示。沿開裂處將換熱管打開，可見斷口無明顯減薄和塑性變形，斷口呈灰黑色，表面有腐蝕產物，部分位置呈現亮色新斷特征，如圖1b）所示。

    圖1 失效換熱管環狀裂紋及斷口宏觀形貌

    2.換熱管材料化學成分分析

    在失效換熱管管孔以外管段取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合GB/T  13296-2007《鍋爐 熱交換器用不銹鋼無縫管》對0Cr18Ni9不銹鋼成分的技術要求。

    表1 換熱管材料的化學成分（質量分數）

    3.循環冷卻水成分分析

    在換熱器循環回水總管取樣口處取殼程循環冷卻水（即管外介質）進行成分分析，結果見表2，可見殼程循環冷卻水中的氯離子含量較高，酚酞堿度為0.1mmol/L，說明OH-含量很低或基本沒有。

    表2 失效換熱器殼程介質的成分分析結果

    4.斷口截面金相分析

    在泄漏點附近取樣進行金相分析，該部位顯微組織為單相奧氏體，孿晶較多，晶粒均勻，晶粒度為8～9級，如圖2所示。觀察面上存在較多的二次裂紋，裂紋細長呈樹枝狀，尖端銳利，裂紋的擴展方式以穿晶為主，呈現應力腐蝕開裂特征，如圖3所示。

 圖2 換熱管顯微組織形貌

圖3 斷口處的二次裂紋形貌

    5.斷口掃描電鏡及能譜分析

     使用掃描電鏡（SEM）對換熱管斷口進行觀察，發現兩個裂紋源，均位于管子外表面。如圖4a）~c）所示。在擴展區和終斷區可見明顯的河流狀花樣，呈解理斷裂的特征，如圖4d）所示。

 圖4 換熱管斷口SEM形貌

     對斷口裂紋源區進行能譜（EDS）分析，檢測到除了基體元素外，還存在Cl、S等奧氏體不銹鋼應力腐蝕敏感的元素成分，如圖5所示。

圖5 斷口裂紋源區能譜分析結果

     分析與討論

    1.循環冷卻水中Cl-影響

     奧氏體型不銹鋼對氯離子的應力腐蝕非常敏感，少量的氯離子就有可能導致奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂。

    一般隨氯離子含量升高，奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕開裂的敏感性增加。有研究表明低硬度循環水環境下，氯離子濃度達300mg/L左右時，0Cr18Ni9不銹鋼的應力腐蝕敏感性較高，應力腐蝕發展較快。

    該失效換熱器，其循環回水總管中水的氯離子含量高達395mg/L。該換熱器裂紋發生在換熱管進口端，換熱管與上管板結合處管壁溫度較高，加上隙縫內水流動不暢，易發生水汽化濃縮，氯離子進一步富集，因而該處為應力腐蝕敏感區。

    2.換熱管應力影響

    換熱器在制造換熱管管口與管板焊接后沒有進行熱處理，這使換熱管存在一定的殘余應力。NMP蒸氣由上部接管進入換熱管，運行過程中換熱管入口處NMP蒸氣溫度超過200℃；而換熱器殼程循環冷卻水出水溫度低于70℃。因此，換熱管在上管板厚度段的溫差變化較大，這會產生一定的熱應力。

    3.材料及加工因素影響

    該換熱器換熱管與管板材質均為0Cr18Ni9不銹鋼，為應力腐蝕敏感材質。管板與換熱管焊接連接時，連續作業可能會造成管板與換熱管結合段散熱不充分，中心區局部溫度較高，造成奧氏體不銹鋼的輕微敏化。由于尺寸較大、結構復雜，焊后熱處理難以控制，該換熱管管口與管板焊接后沒有進行焊后熱處理。敏化狀態下的奧氏體不銹鋼處于高氯離子含量的循環水中，極易發生應力腐蝕開裂。該換熱器管束發生泄漏的管子，正好是中心區管板結合段。

    4.溫度因素

    溫度是影響化學反應速率的重要因素。在氯離子和拉應力存在的情況下，溫度較低時，奧氏體不銹鋼應力腐蝕不明顯；溫度升高，其應力腐蝕速率加快。

    有研究發現，輕度敏化的0Cr18Ni9不銹鋼在0.2mg/L溶解氧的水中，200℃溫度區間時應力腐蝕速率達到峰值。該失效換熱器換熱管進口處NMP溫度超過203℃，處于應力腐蝕的敏感溫度區；熱端循環冷卻水出水溶解氧含量檢測值超過0.5mg/L，說明換熱器內與換熱管接觸的循環水溶解氧含量較高，對應力腐蝕的發生也有一定的促進作用。該換熱器換熱管腐蝕開裂段正是處于上管板管孔內溫度較高的一段，而其他部位未發現腐蝕開裂問題。

    結論與建議

    該換熱器換熱管材料為0Cr18Ni9不銹鋼，為應力腐蝕敏感材質，其腐蝕開裂與氯離子濃度、換熱管制造安裝的殘余應力及運行形成的溫差熱應力、熱端高溫環境的誘導作用、以及焊接加工可能造成的材料輕度敏化有關。其中，氯離子濃度和溫度因素是0Cr18Ni9不銹鋼換熱管應力腐蝕開裂的主要因素。

    建議改善制造工藝，防止材料局部溫度過高，并采取適宜的方案進行焊后熱處理降低應力；運行中，應加強循環水處理，控制循環水進水氯離子含量符合要求，并采用適宜的緩蝕阻垢劑，提高換熱管對氯離子濃度的耐蝕能力，控制腐蝕和結垢。

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責任編輯：王元

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