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1、不锈钢换热器盘管腐蚀开裂不锈钢换热器盘管腐蚀开裂失效分析失效分析 腐蚀失效是造成换热器事故的主要原因，直接威胁到腐蚀失效是造成换热器事故的主要原因，直接威胁到换热设备的寿命，安全和稳定生产。因此对其腐蚀失效的换热设备的寿命，安全和稳定生产。因此对其腐蚀失效的研究一直是换热设备中一个重要课题。某公司流化床内置研究一直是换热设备中一个重要课题。某公司流化床内置换热器盘管为换热器盘管为316L奥氏体不锈钢（奥氏体不锈钢（022Cr17Ni12Mo2），），管内通地下水，设计压力管内通地下水，设计压力 1.0MPa，设计温度，设计温度180 ，实，实际运行压力际运行压力0.6MPa，工作温度，工作温度
2、20 ，峰值流，峰值流1.2m/s。管。管外主要介质为食盐，实际运行压力外主要介质为食盐，实际运行压力0.1MPa，工作温度，工作温度 80 ，峰值流速，峰值流速 1.2m/s。该换热器是用来干燥食盐的，在。该换热器是用来干燥食盐的，在使用使用 一段时间后，发现流化床经常死床，尤其是流化床冷一段时间后，发现流化床经常死床，尤其是流化床冷却端尤为明显，后经排查发现流化床内置换热器的冷却端却端尤为明显，后经排查发现流化床内置换热器的冷却端中有一台盘管损坏，盘管上面有大量的裂纹，且盘管已经中有一台盘管损坏，盘管上面有大量的裂纹，且盘管已经没有韧性，用手就能掰断，为查明盘管开裂原因，对其进没有韧性，用
3、手就能掰断，为查明盘管开裂原因，对其进行了失效分析。行了失效分析。一、理化检验与分析1.1 化学成分分析化学成分分析 在在盘盘管管上上截截取取试试样样，用用primus 型型X射射线线荧荧光光光光谱谱仪仪及及CS-8800型型红红外外碳碳硫硫分分析析仪仪进进行行化化学学成成分分分分析析，结结果果见见 表表 1，可可 见见 盘盘 管管 化化 学学 成成 分分 符符 合合 T20878-2007不不锈锈钢钢和和耐热钢耐热钢 牌号及化学成分标准要求牌号及化学成分标准要求。1.2 盘管形貌分析盘管形貌分析 该该流流化化床床中中被被破破坏坏的的不不锈锈钢钢盘盘管管的的宏宏观观形形貌貌见见图图 1。可可见
4、见，内内壁壁腐腐蚀蚀较较严严重重，断断口口呈呈灰灰黑黑色色，大大部部分分已已被被腐腐蚀蚀产产物物所所覆覆盖盖，表表面面被被一一层层黄黄褐褐色色锈锈蚀蚀产产物物所所覆覆盖盖，管管壁壁上上可可见见水水干干涸涸后后留留下下的的痕痕迹迹，用用肉肉眼眼就就可可发发现现外外壁壁上上有有许许多多分分叉叉裂裂纹纹，很很多多裂裂纹纹已已经经穿穿透透管管壁壁，开开裂裂管管壁壁无无明明显显宏宏观观变形。变形。在在靠靠近近外外壁壁的的断断口口处处腐腐蚀蚀情情况况较较靠靠近近内内壁壁处处轻轻一一些些，断断口口上上可可以以清清晰地晰地看到解理面及解理台阶，表明裂纹扩展为穿晶看到解理面及解理台阶，表明裂纹扩展为穿晶，见图，
5、见图 2(d)。图图 2所所示示为为失失效效盘盘管管断断口口微微观观形形貌貌可可见见，裂裂纹纹由由盘盘管管内内壁壁萌萌生生并并向向盘盘管管外外壁壁扩扩展展，有有非非常常明明显显的的二二次次裂裂纹纹，见见图图 2(a，b)。腐腐蚀蚀产产物物呈呈泥泥状状花花样样并并有有裂裂纹存在纹存在(见图见图 2(c)，这是应力腐蚀开裂断口的典型特征这是应力腐蚀开裂断口的典型特征。1.3 腐蚀产物分析腐蚀产物分析 该不锈钢盘管外表面形貌及晶界处腐蚀产物，该不锈钢盘管外表面形貌及晶界处腐蚀产物，EDS（能谱）（能谱）分析结果见图分析结果见图 3。可见，外表面晶粒明显可见，外壁腐蚀产物。可见，外表面晶粒明显可见，外
6、壁腐蚀产物中含中含 Fe、O、C、Si、Cl、S、K、Na、Al、Ca等元素，其中等元素，其中 Cl和和S腐蚀性元素含量也比较高。腐蚀性元素含量也比较高。盘盘管管内内表表面面基基本本完完全全被被腐腐蚀蚀产产物物所所覆覆盖盖，EDS分分析析腐腐蚀蚀产产物物中中存存在在大大量量六六方方晶晶 系系 的的 CaCO3和和Fe3O4，在在内内表表面面局局部部区区域域，检检测测到到了了腐腐蚀蚀性性元元素素硫硫的的存存在在，且且硫硫在在局局部部的的浓浓度度较较高高，说说明明该该不不锈锈钢钢盘盘管管一一直直在在含含硫硫的的腐腐蚀蚀环环境境中中工作。工作。1.4显微组织分析显微组织分析 分分别别取取盘盘管管横横
7、截截面面和和纵纵截截面面经经镶镶嵌嵌、研研磨磨、抛抛光光后后，用用金金相相显显微微镜镜观观察察显显微微组组织织及及裂裂纹纹扩扩展展路路径径，如如图图5所所示示。可可见见，显显微微组组织织为为单单相相奥奥氏氏体体，晶晶内内有有大大量量孪孪晶晶和和滑滑移移线线出出现现，由由于于孪孪晶晶是是奥奥氏氏体体的的主主要要塑塑性性变变形形方方式式，表表明明该该不不锈锈钢钢盘盘管管承承受受了了较较大大的的工工作作应应力力。其其晶晶粒粒不不太太均均匀匀，晶晶粒粒度度为为5-6级级。裂裂纹纹由由盘盘管管内内壁壁萌萌生生并并向向盘盘管管外外壁壁扩扩展展，裂裂纹纹走走向向开开始始是是沿沿晶晶的的，随随后后穿穿晶晶扩扩
8、展展，与与断断口口观观察察到到的的裂裂纹纹扩扩展展路路径径相相吻吻合合，裂裂纹纹呈呈树树枝枝状状分分布布，分分叉叉严严重重，纵纵横横交交错错，裂裂纹纹中中均均充充满满腐腐蚀蚀产产物物，显显示示出出应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂的的特特征。征。二、失效分析与讨论二、失效分析与讨论 由由以以上上检检验验结结果果判判断断该该不不锈锈钢钢盘盘管管的的破破坏坏原原因因为为硫硫离离子子引引起起的的应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂，发发生生应应力力腐腐蚀蚀必必须须具具备备以以下下3个个基基本条件本条件:1)腐腐蚀蚀环环境境:应应力力腐腐蚀蚀破破裂裂对对介介质质具具有有选选择择性性，破破裂裂只只在在特特定定的的环环境境中中
9、发发生生，对对奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢而而言言，Cl-、F-、Br-、H2SXO6（连连多多硫硫酸酸）、和和H2S等等是是其其发发生生应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂的的特特定定环环境境。对对管管内内壁壁腐腐蚀蚀产产物物的的分分析析结结果果表表明明，该该不不锈锈钢钢盘盘管管一一直直工工作作在在高高硫硫含含量量的的腐腐蚀蚀环环境境中中。硫硫离离子子对对316L奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢的的腐腐蚀蚀是是十十分分严严重重的的，这这是是由由于于溶溶液液中中的的硫硫离离子子吸吸附附性性及及活活性性很很强强，使使不不锈锈钢钢表表面面的的钝钝化化膜膜受受到到破破坏坏，在在拉拉应应力力的的作作用用下下，钝钝化化膜膜被被
10、破破坏坏的的区区域域就就会会产产生生裂裂纹纹，成成为为腐腐蚀蚀电电池池的的阳阳极极区区，连连续续不不断断的的电电化化学学腐腐蚀蚀最最终终可可能能导导致致金属的断裂。金属的断裂。较较高高含含量量的的硫硫化化物物在在有有水水分分的的情情况况下下容容易易形形成成连连多多硫硫酸酸，硫硫酸酸根根离离子子和和溶溶解解氧氧的的协协同同作作用用，加加速速了了材材料的应力腐蚀。料的应力腐蚀。2)敏敏感感材材料料:开开裂裂失失效效盘盘管管所所用用316L奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢，广广泛泛地地应应用用于于各各种种腐腐蚀蚀环环境境中中，但但对对硫硫离离子子环环境境有有可可怕怕的的敏敏感感性性，这这就就为为不不锈锈钢钢
11、盘盘管管的的应应力力腐腐蚀蚀失失效效提提供供了条件。了条件。3)应应力力来来源源:拉拉应应力力是是发发生生应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂的的必必要要条条件件之之一一。不不锈锈钢钢盘盘管管的的制制备备一一般般需需经经过过冷冷拔拔等等成成形形工工艺艺，这这可可能能在在钢钢管管内内产产生生加加工工残残余余应应力力。另另外外，盘盘管管内内工工作作压压力力远远大大于于外外部部的的大大气气压压，内内表表面面承承受受较较大大的的环环向向应应力力。加加工工残残余余应应力力和和环环向向应应力力叠叠加加效效果果增增大大，一一旦旦有有蚀蚀坑坑产产生生，蚀蚀坑坑处处产产生生应应力力集集中中会会使使这这种种应应力力成成倍倍增
12、增加加，在在该该不不锈锈钢钢盘盘管管中中达达到到产产生生应应力力腐腐蚀蚀所所需需应力时，导致应力腐蚀开裂。应力时，导致应力腐蚀开裂。三、结论与建议三、结论与建议1)该该不不锈锈钢钢盘盘管管的的开开裂裂失失效效为为硫硫离离子子引引起起的的应应力力腐腐蚀蚀开开裂裂，以以穿穿晶晶开开裂裂为为主主，同同时时也也存存在在沿沿晶晶开开裂裂。管管内内沉沉积积的的大大量量含硫腐蚀元素的水垢含硫腐蚀元素的水垢是导致其失效的主要原因。是导致其失效的主要原因。2)建建议议降降低低水水的的硬硬度度，去去除除水水中中的的硫硫离离子子;对对不不锈锈钢钢盘盘管管应应进进行行时时效效处处理理以以消消除除残残余余应应力力，合合理理循循环环和和补补水水可可以以避避免此类问题的发生。免此类问题的发生。