板式換熱器用304L不銹鋼冷沖壓波紋板片的耐腐蝕性能試驗(yàn) *

史 偉，俄 馨，王順花，劉麗梅，靳海軍，楊建剛

(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(jià)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； 4.蘭州交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；)

0 引 言

板式換熱器做為換熱設(shè)備的一類產(chǎn)品，由于其具有占地面積小、安裝維修方便、傳熱效率高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到煉油、化工、冶金、食品、制藥等行業(yè)[1-3]。304L不銹鋼因其具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，沖壓彎曲加工性好，是板式換熱器用冷沖壓波紋板片常選用的材質(zhì)。在換熱器的實(shí)際服役過程中，由于運(yùn)行環(huán)境、介質(zhì)等原因，往往會(huì)造成波紋板片腐蝕，一旦發(fā)生泄漏就會(huì)造成換熱器失效[4]。該類換熱器發(fā)生的腐蝕失效常見的以點(diǎn)腐蝕為主，產(chǎn)生泄露的部位大多在波紋板片的波紋頂端[2,5-6]。

目前對形變誘導(dǎo)馬氏體的產(chǎn)生導(dǎo)致奧氏體不銹鋼耐蝕性能變差的研究較多，但主要集中在軋制變形等相對宏觀或均勻的變形[7-8]，對于如板式換熱器波紋板片局部減薄量差異較大，導(dǎo)致其耐腐蝕性能存在明顯差異而造成腐蝕失效的論述較少，筆者作者對板式換熱器用304L不銹鋼波紋板片不同減薄量下耐腐蝕性進(jìn)行了研究，探討造成該類換熱器波紋板片失效的原因，以期為板式換熱器的失效分析提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用304L不銹鋼板片各化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM A240-2017《Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications》中對304L不銹鋼的要求(見表1)，板厚δ=0.5 mm。用MP30便攜式鐵素體測定儀測定鐵素體含量，金相檢驗(yàn)采用奧林巴斯GX51倒置式金相顯微鏡和日本電子JSM-IT300型掃描電子顯微鏡，XRD物相分析采用日本島津生產(chǎn)的XRD-6000型衍射儀，三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自制的FS-Ⅱ 腐蝕系統(tǒng)，自腐蝕電位測量采用CHI760E電化學(xué)工作站。

表1 304L板片化學(xué)成分 /%

分別從未進(jìn)行沖壓的原始板片，經(jīng)沖壓后的板片波紋側(cè)面，波紋頂端位置按不同試驗(yàn)要求截取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵素體(馬氏體)含量測試

使用MP30便攜式鐵素體測定儀，原始板片厚度為0.5 mm，測試位置的減薄率分別為0%、4%、12%、20%，經(jīng)冷沖壓后通過磁性法對不同部位的鐵素體(馬氏體)含量進(jìn)行測試(見表2)。經(jīng)冷沖壓成型后的波紋板片鐵素體(馬氏體)含量高于未沖壓的原始板片，并且隨著減薄率的增大，鐵素體(馬氏體)含量有明顯的增大，經(jīng)沖壓的波紋板平面位置鐵素體(馬氏體)含量增至約2倍，減薄率最大的板片波紋頂端位置鐵素體含量(馬氏體)最大，高于未沖壓的原始板片近30倍左右。

表2 鐵素體數(shù)測試結(jié)果

2.2 金相檢驗(yàn)

在未沖壓的原始板片，成型板片的波紋側(cè)面及頂端分別取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)(見圖1)。

板片主要組織為奧氏體，隨著減薄率從4%增大到12%和20%，馬氏體相對含量逐漸增大，冷沖壓冷變形流線越清晰。

對金相試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察(見圖2)，板片平面位置變形小(減薄率4%)，點(diǎn)腐蝕坑較少。波紋側(cè)面(減薄率12%)和波紋頂端(減薄率20%)變形增加，點(diǎn)腐蝕坑數(shù)量相對增加，馬氏體的含量同時(shí)增大。

圖1 不同部位波紋板片顯微組織

圖2 不同部位波紋板片SEM照片

2.3 物相分析

對304L不銹鋼未沖壓板片(見圖3(a))和冷沖壓板片(見圖3(b))分別進(jìn)行XRD衍射分析。為了滿足XRD的測試條件，對已經(jīng)冷沖壓的波紋板片進(jìn)行壓平后再測試。

圖3 304L波紋板XRD衍射譜線

未沖壓板片中衍射譜線中主要有奧氏體(110)、(200)、(220)、(311)衍射譜線，馬氏體(鐵素體)(110)、(211)衍射譜線，其中奧氏體(110)衍射譜線與馬氏體(鐵素體)(110)疊加導(dǎo)致相應(yīng)衍射峰變寬。304L不銹鋼冷沖壓板片主要有奧氏體(110)、(200)、(220)、(311)衍射譜線，馬氏體(鐵素體)(110)、(200)、(211)衍射譜線，奧氏體(110)衍射譜線與馬氏體(鐵素體)(110)同樣疊加導(dǎo)致相應(yīng)衍射峰變寬。304L不銹鋼板片經(jīng)沖壓后，馬氏體(鐵素體)(200)衍射譜線的出現(xiàn)，且奧氏體(110)衍射譜線與馬氏體(鐵素體)(110)疊加衍射峰強(qiáng)度大大增強(qiáng)，都表明了304L不銹鋼板片經(jīng)冷沖壓之后其顯微組織中馬氏體(鐵素體)的含量增多，與前面金相檢驗(yàn)的結(jié)果相吻合。有研究表明[9-10]馬氏體含量的增加會(huì)導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能變差。

2.4 三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)ASTM G48 - 11(2015)《Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution》A法分別對304L未沖壓板片和沖壓后板片取樣進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度50 ℃，腐蝕時(shí)間72 h(見表3)。冷沖壓前板片腐蝕率為10.04 g/m2·h，冷沖壓后板片腐蝕率為10.91 g/m2·h，經(jīng)冷沖壓成型后板片腐蝕率大于未進(jìn)行冷沖壓板片的腐蝕速率，腐蝕后的板片局部呈現(xiàn)點(diǎn)腐蝕形態(tài)，冷沖壓后波紋板上發(fā)生的點(diǎn)腐蝕坑主要分布在波紋頂端(見圖4)。

表3 304L不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

圖4 腐蝕后板片形態(tài)

2.5 極化曲線測試

通過CHI760E電化學(xué)工作站對未經(jīng)冷沖壓和經(jīng)冷沖壓后的波紋板片分別進(jìn)行極化曲線測試，介質(zhì)選擇3.5%NaCl水溶液。由于無法精確測量波紋板片的表面積，無法計(jì)算電流密度，故用自腐蝕電位來表征材料的耐腐蝕性能。分別對未沖壓的波紋板片和冷沖壓后板片進(jìn)行自腐蝕電位測試(見圖5)，發(fā)現(xiàn)板片的自腐蝕電位由沖壓前的-0.5411V降至沖壓后-0.5619V，表明經(jīng)過冷沖壓后板片的耐腐蝕性能變差。

圖5 304L不銹鋼板片極化曲線

材料發(fā)生點(diǎn)蝕的敏感性可通過自腐蝕電位大小進(jìn)行判斷，自腐蝕電位值越大，點(diǎn)蝕越不易發(fā)生，點(diǎn)蝕敏感性越低[11]。波紋板片經(jīng)冷沖壓后，不同部位的減薄率存在差異，經(jīng)沖壓的波紋板平面位置馬氏體含量增至2倍，減薄率最大的板片波紋頂端位置馬氏體含量最大，高于平面位置約30倍左右，造成波紋板片不同部位組織形成明顯差異。而馬氏體的耐腐蝕性能低于奧氏體，在腐蝕過程中，馬氏體相會(huì)存在優(yōu)先溶解[12-14]。在換熱器的服役過程中，由于波紋頂端自腐蝕電位低于其它部位，在相同條件下，波紋頂端容易被優(yōu)先腐蝕，加之腐蝕主要以圍繞顯微組織中的馬氏體相開始，便形成點(diǎn)腐蝕[15]。

在波紋板片冷沖壓過程中產(chǎn)生的形變誘導(dǎo)馬氏體是導(dǎo)致其耐腐蝕性能變差的關(guān)鍵，建議改進(jìn)波紋板片的冷沖壓模具，針對不同流場分布，確定模具設(shè)計(jì)參數(shù)，在不影響換熱效率要求的前提下增大過渡圓弧，這樣就可以降低局部形變誘導(dǎo)馬氏體的含量，減少換熱器發(fā)生點(diǎn)腐蝕的可能。

同時(shí)，波紋頂端減薄率最大，形變后的殘余應(yīng)力，加上板片裝配時(shí)施加的夾緊力，均會(huì)在波紋頂端造成較大應(yīng)力，促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕開裂或者晶間腐蝕[5,16-17]。在板式換熱器制造或服役過程中，由于波紋頂端易劃傷，也會(huì)增加局部形變誘導(dǎo)馬氏體含量，破壞保護(hù)膜導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕的產(chǎn)生[2,18]，在實(shí)際生產(chǎn)中也應(yīng)予以重視。

3 結(jié) 論

過通過金相檢驗(yàn)，耐腐蝕性能測試，物相分析等手段對304L不銹鋼冷沖壓波紋板片的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究分析，找出了易造成該類換熱器波紋頂端發(fā)生點(diǎn)腐蝕失效的原因，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議。

(1) 隨著波紋板片冷沖壓過程中減薄率的增大，波紋板片中形變馬氏體含量增加，材料的耐腐蝕性能變差。

(2) 板片波紋頂端為馬氏體含量最大位置，耐腐蝕性能最差，容易在該部位發(fā)生點(diǎn)腐蝕引起換熱器泄露失效。

(3) 建議通過優(yōu)化波紋板片沖壓模具，降低局部減薄率和馬氏體含量，從而減少換熱器發(fā)生點(diǎn)腐蝕的可能。