摘 要:某紡織公司染缸熱交換器在檢修過程中發(fā)現(xiàn)焊縫及筒體附近母材出現(xiàn)裂紋.通過宏觀 分析、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗和氯離子檢測等方法對熱交換器焊縫開裂的原因進行了 分析.結(jié)果表明:該熱交換器焊縫及筒體附近母材的開裂模式為應力腐蝕開裂.由于蒸汽冷凝水 中氯離子質(zhì)量濃度過高,在焊接殘余應力和工作應力的共同作用下,焊縫發(fā)生應力腐蝕開裂.
關(guān)鍵詞:熱交換器;焊縫;應力腐蝕;氯離子;殘余應力
中圖分類號:TG１７２．９ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５５Ｇ０３
熱交換器是用來使熱量從熱流體傳遞到冷流 體,以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置,是對流傳熱及熱 傳導的一種工業(yè)應用.某紡織漂染有限公司染缸熱 交換器在檢修過程中發(fā)現(xiàn)筒體與錐形封頭的焊縫及 筒體附近母材出現(xiàn)裂紋.筒體及錐形封頭材料均為 ３１６Ti不銹鋼,筒體規(guī)格為?３８１ mm×３．０mm,壁 厚為３．０mm;前管板材料為３１６L 不銹鋼,焊接材 料為 ER３１６LSi不銹鋼焊絲.熱交換器殼程最高工 作壓力為０．７MPa,設(shè)計工作溫度為１７０ ℃,工作介 質(zhì)為水蒸氣;管程最高工作壓力為０．３８MPa,設(shè)計 工作溫度為１４０ ℃,工作介質(zhì)為染液.前管板兩側(cè) 分別與筒體和錐形封頭焊接.為查明該染缸熱交換 器筒體與錐形封頭焊縫開裂的原因,筆者對其進行 了一系列理化檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
采用滲透檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)熱交換器表面存在兩條 裂紋,其宏觀形貌如圖１所示.１號裂紋位于筒體和 前管板之間的焊縫位置,沿焊縫縱向擴展,長度約為 ６０mm.２號裂紋位于１號裂紋焊縫附近的筒體母材 處,距焊縫約１０mm,長度約為２５mm.將兩條裂紋 打磨掉約０．５mm 后再次進行滲透檢測發(fā)現(xiàn),１號裂 紋打磨后長度約為７０mm,２號裂紋打磨后長度約為 ３０mm,裂紋均有由內(nèi)表面向外表面擴展的趨勢.
１．２ 化學成分分析
采用手持合金分析儀對熱交換器裂紋兩端筒體 母材和焊縫進行化學成分分析,結(jié)果見表１.裂紋 兩端筒 體 母 材 化 學 成 分 符 合 ASMESAＧ２４０/SAＧ ２４０M －２０１６ Specificationfor Chromium andChromiumＧnickel Stainless Steel Plate,Sheet, and Stripfor Pressure Vesselsandfor General Applications對３１６Ti不銹鋼的技術(shù)要求,焊縫化 學成分符合 ASMESECIICSFAＧ５．９/SFAＧ５．９M － ２００１ Specification for Bare Stainless Steel WeldingElectrodesandRods對 RE３１６LSi不銹鋼 的技術(shù)要求.
１．３ 硬度測試
對熱交換器開裂區(qū)焊接接頭和遠離開裂區(qū)的其 他前管板與筒體焊接接頭進行顯微硬度測試,測試 位置分別為筒體母材、焊縫和熱影響區(qū),結(jié)果見表 ２.根據(jù) ASMESA２４０/SAＧ２４０M－２０１６,３１６Ti不 銹鋼的硬度應不高于２１７HBS.由表２可知,開裂 區(qū)母材與焊縫位置處硬度未見明顯異常,熱影響區(qū) 的 硬度偏高;遠離開裂區(qū)的前管板與筒體焊接接頭硬度均無明顯異常.
１．４ 金相檢驗
對熱交換器開裂區(qū)１號和２號裂紋處進行打磨 拋光,用濃硝酸和濃鹽酸體積比為１∶３的溶液浸蝕 后進行金相檢驗,結(jié)果如圖２所示.可見１號裂紋 處的顯微組織為奧氏體＋網(wǎng)狀分布的鐵素體,主裂 紋穿晶擴展,存在二次裂紋和明顯的腐蝕坑,具有應 力腐蝕特征;２ 號裂紋呈樹枝狀,顯微組織為奧氏 體,同樣具有應力腐蝕特征.
１．５ 氯離子檢測
為檢驗染缸熱交換器工作介質(zhì)情況,對染缸熱交 換器殼程的蒸汽系統(tǒng)冷凝水和管程常用的兩種染液 (分別編號為１號染液和２號染液)取樣進行氯離子 質(zhì)量濃度分析,工作介質(zhì)試樣見圖３.檢測結(jié)果如 下,１號染液中的氯離子質(zhì)量濃度為３８６ mg??L－１;２號染液中的氯離子質(zhì)量濃度為４２６mg??L－１;開裂 母材內(nèi)表面直接接觸的蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃 度為１７２mg??L－１.
２ 分析與討論
由上述理化檢驗結(jié)果可知,開裂交換器筒體以 及筒體與前管板焊縫的化學成分均符合相關(guān)標準要 求;開裂交換器的裂紋呈樹枝狀,具有由內(nèi)向外擴展 的趨勢,主裂紋穿晶擴展;開裂位置處的焊接接頭筒 體側(cè)熱影響區(qū)的硬度遠高于筒體母材和焊縫的.熱 交換器內(nèi)壁在工作過程中需要承受一定的蒸汽壓 力,同時焊接熱影響區(qū)存在殘余拉應力,焊縫處的受 力情況為兩者的疊加.拉應力和腐蝕性環(huán)境會導致 應力腐蝕裂紋的產(chǎn)生[１].氯離子的質(zhì)量濃度越高, 產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的時間越短,裂紋擴展的速度越 快[２Ｇ４],即使氯離子質(zhì)量濃度較低,也會在短時間內(nèi) 產(chǎn)生裂紋.溫度的上升也加快了應力腐蝕裂紋的 產(chǎn)生.
奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下具有應力腐蝕敏 感性,當氯離子質(zhì)量濃度大于２５mg??L－１時,容易發(fā) 生應力腐蝕開裂[５Ｇ８].從熱交換器工作介質(zhì)的氯離 子質(zhì)量濃度檢測結(jié)果可知,開裂筒體內(nèi)表面接觸的 蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度達到１７２mg??L－１,加 之殘余拉應力和工作應力的疊加作用,熱交換器焊 縫處出現(xiàn)應力腐蝕裂紋,并最終導致該熱交換器筒 體焊縫開裂.
３ 結(jié)論及建議
該熱交換器焊縫及筒體附近母材的開裂模式為 應力腐蝕開裂.由于蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度 過高,在焊接殘余應力和工作應力的共同作用下,焊 縫發(fā)生應力腐蝕開裂.
建議筒體材料選用抗氯離子應力腐蝕性能更優(yōu) 的３１６L 不銹鋼或雙相不銹鋼;定期對染液和蒸汽 中的氯離子質(zhì)量濃度進行檢測,將其質(zhì)量濃度嚴格 控制在２５mg??L－１之下;采用經(jīng)評定合格的焊接工 藝,由熟練焊工進行焊接,并在焊后對應力集中部位 進行去應力處理,保證焊接質(zhì)量.
參考文獻:
[１] 水麗,龐紅．分流塔套筒焊縫應力腐蝕開裂分析[J]． 金屬熱處理,２００４,２９(５):６８Ｇ７０．
[２] 王建．焊縫應力腐蝕裂紋的原因分析及控制措施[J]． 金屬加工(熱加工),２０１０,５５(１０):６１Ｇ６３．
[３] 熊立斌,孟若愚．０Cr１８Ni９不銹鋼換熱管應力腐蝕開 裂原因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(１２): ９１５Ｇ９１７．
[４] 張樂,安浩,張瑤,等．P１１０S鋼級油管斷裂失效分析 [J]．理化檢驗(物理分冊),２０１８,５４(１１):８３３Ｇ８３６．
[５] 黃毓暉,軒福貞,涂善東．３０４奧氏體不銹鋼在酸性氯 離子溶 液 中 應 力 腐 蝕 性 能 的 研 究 [J]．壓 力 容 器, ２００９,２６(７):５Ｇ１０．
[６] 閆康平,陳匡民．過程裝備腐蝕與防護[M]．北京:化 學工業(yè)出版社,２００９．
[７] RAO B S C, MADESWARAN R, CHANDRAMOHAN R．InＧfabrication and preＧ servicecareonstainlesssteelpressurevessels[J]． MetallurgicalPower,１９９７,７３(１):５３Ｇ５７．
[８] KAUFMAN M J,FINKJL．Evidenceforlocalized ductilefractureinthe “brittle”transgranularstress corrosioncrackingofductileF．C．C．a(chǎn)lloys[J]．Acta Metallurgica,１９８８,３６(８):２２１３Ｇ２２２８．