換熱器冷沖壓波紋板片腐蝕原因探討*]

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(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評價工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730314；3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314)

板式換熱器由于具有占地面積小、安裝維修方便、傳熱效率高和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到煉油、化工、冶金、食品和制藥等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。板式換熱器波紋板片大多是采用耐蝕材質(zhì)(如不銹鋼、鎳基合金和鈦材等)經(jīng)冷沖壓壓制而成。但是由于介質(zhì)組分的多樣性和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，如流通截面積小、容易發(fā)生堵塞或結(jié)垢以及在制造過程中一些無法避免的缺陷，發(fā)生腐蝕在所難免[4]92。其中冷沖壓波紋板片的腐蝕失效是板式換熱器最主要的失效形式。

1 均勻腐蝕

均勻腐蝕(全面腐蝕)是金屬材料最常見的腐蝕形態(tài)。在腐蝕介質(zhì)中,冷沖壓波紋板片發(fā)生均勻腐蝕，板片與介質(zhì)接觸的全部或大部分發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致板片均勻減薄，最后損壞。但是從其使用方面來看，這類腐蝕對于設(shè)備的正常運(yùn)行影響并不大。通過質(zhì)量損失法就可以準(zhǔn)確地估計(jì)換熱器使用年限。同時這類腐蝕也不會在短時間內(nèi)造成設(shè)備腐蝕失效，因此換熱器冷沖壓波紋板片的均勻腐蝕危害不大。

C-276哈氏合金板式換熱器波紋板片，熱側(cè)介質(zhì)為冷凝水(157 ℃)，冷側(cè)介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)39%的堿(106 ℃)。冷側(cè)波紋板片發(fā)生均勻腐蝕,見圖1。該板片表面僅發(fā)生輕微的均勻腐蝕，未發(fā)生失效。

圖1 C-276板片冷側(cè)均勻腐蝕形貌

2 溫差腐蝕

在不銹鋼板式換熱器檢修時，往往會發(fā)現(xiàn)其高溫部位比低溫部位腐蝕更為嚴(yán)重，其原因是形成溫差電池導(dǎo)致腐蝕加劇[5]8。這是由于不銹鋼換熱片的高溫部位形成陽極，低溫部位形成陰極，導(dǎo)致高溫部位發(fā)生腐蝕。但并不是所有換熱器的高溫部位都會形成陽極，這與使用材質(zhì)和運(yùn)行介質(zhì)有關(guān)，當(dāng)?shù)蜏夭课恍纬申枠O時也會產(chǎn)生溶解腐蝕，高溫部位得到保護(hù)。

3 縫隙腐蝕

組成板式換熱器的眾多板片在運(yùn)行時，相鄰冷沖壓板片波紋頂端相互交叉會形成大量的支撐觸點(diǎn)。在這些觸點(diǎn)處必然存在著縫隙，縫隙容易聚集各類雜物或者銹垢。當(dāng)換熱器服役時，介質(zhì)中的腐蝕元素(Cl和S等)就有可能在縫隙中富集。如果縫隙內(nèi)介質(zhì)不流動或者流動不暢，導(dǎo)致在縫隙內(nèi)外存在氧的濃度差，加上腐蝕性元素的存在，就會引起縫隙腐蝕[6]。同時板片壓緊后，密封墊片與波紋板片之間形成縫隙時容易發(fā)生縫隙腐蝕[7]47,[8]。發(fā)生縫隙腐蝕的縫寬一般為0.025～0.100 mm?？p寬大于0.1 mm的縫隙，介質(zhì)不容易形成滯流，也就不會發(fā)生縫隙腐蝕。介質(zhì)中有害成分(如氯離子、溴離子、碘離子和氧)的濃度越高，波紋板片發(fā)生縫隙腐蝕的敏感性就會越大。當(dāng)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%時便具備了發(fā)生縫隙腐蝕的條件。介質(zhì)中溶解氧的質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L時也可以引起縫隙腐蝕。此外，溫度越高，發(fā)生縫隙腐蝕的可能性越大[9]。

4 孔蝕

當(dāng)孔蝕發(fā)生時，由于電化學(xué)腐蝕陽極面積很小，所以腐蝕很快，加上波紋板片厚度均在1 mm左右，很容易造成板片穿孔，導(dǎo)致串液，影響設(shè)備正常運(yùn)行。不銹鋼波紋板片發(fā)生孔蝕的原因主要有3個方面[7]47：①不銹鋼材質(zhì)選擇有問題，如材料中Ni和Mo元素含量偏低，降低了該材料耐氯離子腐蝕的能力。②在板片壓制過程中表面發(fā)生機(jī)械損傷,表面有灰塵,含有金屬或非金屬的雜質(zhì)及殘留焊渣。③介質(zhì)中鹵素離子超標(biāo)容易形成孔蝕，大多數(shù)的孔蝕都是在含氯離子或者氯化物的介質(zhì)中發(fā)生的。隨著介質(zhì)pH值的升高，會減緩孔蝕的發(fā)生；介質(zhì)流速增大，可減緩孔蝕的發(fā)生。不銹鋼換熱器板片的冷沖壓致使顯微組織產(chǎn)生了大量的晶體缺陷與晶格畸變，大大增加了位錯等晶體缺陷的密度，尤其是換熱器板片為奧氏體不銹鋼時，經(jīng)沖壓后，誘發(fā)晶格位錯、馬氏體相變、增加殘余應(yīng)力等，導(dǎo)致其耐腐蝕性能降低，更容易在各類缺陷位置發(fā)生孔蝕。如誘發(fā)的相變馬氏體中存在的大量位錯、空洞等，均會在腐蝕環(huán)境中形成孔蝕源，提高奧氏體不銹鋼波紋板片的孔蝕敏感性，最終導(dǎo)致孔蝕的產(chǎn)生[10-12]。

材料發(fā)生孔蝕的敏感性一般可以通過孔蝕電位的大小進(jìn)行判斷?？孜g電位越大，孔蝕越不易發(fā)生，孔蝕敏感性越低[13]113。

用于暖氣冷熱水交換的板式換熱器板片材質(zhì)為316L不銹鋼，水質(zhì)為自來水，溫度為80～100 ℃。在使用4個采暖期(每個采暖期為5個月)后，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，系循環(huán)水中氯離子超標(biāo)引起的孔蝕。316L波紋板片孔蝕見圖2。

冷卻器用換熱器板片材質(zhì)為C-276哈氏合金，3臺冷卻器共使用143片板片，4 a后12片發(fā)生穿孔。究其原因是由于在板片上存在機(jī)械損傷，在表面機(jī)械損傷處引起孔蝕造成的。哈氏合金波紋板片發(fā)生的機(jī)械損傷及孔蝕見圖3和圖4。

圖2 316L波紋板片孔蝕

圖3 波紋板片發(fā)生機(jī)械損傷

圖4 哈氏合金波紋板片發(fā)生的孔蝕

5 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是指金屬或者合金材料在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的金屬或合金的破裂現(xiàn)象。板式換熱器波紋板片由于經(jīng)冷沖壓軋制而成，其表面存在著較大的殘余應(yīng)力，加上工作時產(chǎn)生的外應(yīng)力及其所承受的載荷以及由變形造成的不均勻應(yīng)力等，為發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂提供了必要的拉應(yīng)力。且大多數(shù)換熱器在較高溫度下運(yùn)行，對換熱器發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂也有一定促進(jìn)作用。活性陰離子(尤其是氯離子)是造成換熱器板片發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的另一個重要因素。由于氯離子半徑小，很容易穿透鈍化膜上存在的小缺陷，破壞局部鈍化膜[14]。溫度也是造成應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素，如溫度越高引起應(yīng)力腐蝕開裂的氯離子臨界濃度越低[4]92。

從應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的機(jī)理來講，按照陽極溶解理論[5]112,[13]113，如果冷沖壓波紋板片表面已經(jīng)存在劃痕、小孔或縫隙等缺陷部位及薄弱點(diǎn)，由于該部位電位比其他部位低，成為活性點(diǎn)，為應(yīng)力腐蝕開裂提供了裂紋核心。在這些裂紋核心存在的前提下，在特定介質(zhì)(如氯離子等)和拉應(yīng)力(如表面殘余應(yīng)力)的共同作用下，產(chǎn)生塑性變形，破壞板片表面的鈍化膜，新裸露出來的金屬表面由于其電位較負(fù)，做為陽極而迅速溶解成為蝕坑。蝕坑又在拉應(yīng)力的作用下沿著滑移線發(fā)展成為微觀裂紋。微觀裂紋形成后在其尖端又容易造成應(yīng)力集中，高的應(yīng)力集中引起的微觀滑移再次造成尖端鈍化膜的破壞，使尖端再次溶解，裂紋便不斷擴(kuò)展。隨著裂紋的逐步擴(kuò)展，拉應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力集中更加厲害，導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展，最終引起換熱器的冷沖壓波紋板的開裂失效。

某板式換熱器，服役3個多月后，在進(jìn)水口所對的腐蝕介質(zhì)一側(cè)發(fā)現(xiàn)局部開裂，該換熱器材質(zhì)為254 SMO，介質(zhì)為115 ℃氫氧化鈉溶液，水的溫度在130 ℃左右。其失效原因是由于氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂(見圖5)。

圖5 板片發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂

6 磨損腐蝕與磨振腐蝕

磨損腐蝕是指同時存在著高速流體對金屬表面產(chǎn)生的機(jī)械沖刷作用和流體介質(zhì)對金屬表面腐蝕作用[15-16]。這種腐蝕形式主要發(fā)生在波紋板片的入口或者導(dǎo)流部位，由于在這些特定部位，介質(zhì)流速急劇增加形成湍流或渦流，導(dǎo)致板片發(fā)生腐蝕破壞。介質(zhì)的流速是影響其腐蝕速率的最重要外界因素。一般情況下，提高介質(zhì)流速，會使板片的腐蝕速率增加。

對于板式換熱器冷沖壓波紋板片而言，兩板片的觸點(diǎn)難以完全接觸，板片兩側(cè)運(yùn)行介質(zhì)的流量和壓力又不可能恒定，導(dǎo)致波紋板片在觸點(diǎn)位置不斷反復(fù)出現(xiàn)接觸和分離，從而引起板片的磨振腐蝕。磨振腐蝕過程中，波紋板觸點(diǎn)的反復(fù)接觸和分離，導(dǎo)致板片表面的鈍化膜發(fā)生破壞，裸露金屬被迅速腐蝕，磨損和腐蝕又反復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致破壞進(jìn)一步加劇，這樣導(dǎo)致觸點(diǎn)位置形成陽極，其他金屬表面形成陰極，造成小陽極和大陰極，觸點(diǎn)位置的金屬離子由于電化學(xué)作用不斷流失，腐蝕也就不斷進(jìn)行下去，從而造成板片在觸點(diǎn)位置發(fā)生腐蝕泄漏[7]48。

7 其他腐蝕形式

除上述常見的腐蝕形式外，板式換熱器冷沖壓波紋板片還有垢下腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕和雜散電流腐蝕等形式。

8 結(jié) 語

在實(shí)際生產(chǎn)中，有可能是上述某一種腐蝕形式導(dǎo)致波紋板片腐蝕失效，也有可能是幾種腐蝕形式共存，共同導(dǎo)致腐蝕失效，要根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)具體情況進(jìn)行分析。

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