摘 要:某紡織公司染缸熱交換器在檢修過程中發現焊縫及筒體附近母材出現裂紋.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,焊縫發生應力腐蝕開裂.
關鍵詞: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,以滿足規定的工藝要求的裝置,是對流傳熱及熱 傳導的一種工業應用.某紡織漂染有限公司染缸熱 交換器在檢修過程中發現筒體與錐形封頭的焊縫及 筒體附近母材出現裂紋.筒體及錐形封頭材料均為 ３１６Ti不銹鋼,筒體規格為?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,設計工作溫度為１７０ ℃,工作介 質為水蒸氣;管程最高工作壓力為０．３８MPa,設計 工作溫度為１４０ ℃,工作介質為染液.前管板兩側 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
采用滲透檢測技術發現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現,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 的技術要求.
１．３ 硬度測試
對熱交換器開裂區焊接接頭和遠離開裂區的其 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,結果見表 ２.根據 ASMESA２４０/SAＧ２４０M－２０１６,３１６Ti不 銹鋼的硬度應不高于２１７HBS.由表２可知,開裂 區母材與焊縫位置處硬度未見明顯異常,熱影響區 的 硬度偏高;遠離開裂區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,結果如圖２所示.可見１號裂紋 處的顯微組織為奧氏體＋網狀分布的鐵素體,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情況,對染缸熱交 換器殼程的蒸汽系統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 質量濃度分析,工作介質試樣見圖３.檢測結果如 下,１號染液中的氯離子質量濃度為３８６ mg??L－１;２號染液中的氯離子質量濃度為４２６mg??L－１;開裂 母材內表面直接接觸的蒸汽冷凝水中氯離子質量濃 度為１７２mg??L－１.
２ 分析與討論
由上述理化檢驗結果可知,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標準要 求;開裂交換器的裂紋呈樹枝狀,具有由內向外擴展 的趨勢,主裂紋穿晶擴展;開裂位置處的焊接接頭筒 體側熱影響區的硬度遠高于筒體母材和焊縫的.熱 交換器內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.拉應力和腐蝕性環境會導致 應力腐蝕裂紋的產生[１].氯離子的質量濃度越高, 產生應力腐蝕裂紋的時間越短,裂紋擴展的速度越 快[２Ｇ４],即使氯離子質量濃度較低,也會在短時間內 產生裂紋.溫度的上升也加快了應力腐蝕裂紋的 產生.
奧氏體不銹鋼在氯離子環境下具有應力腐蝕敏 感性,當氯離子質量濃度大于２５mg??L－１時,容易發 生應力腐蝕開裂[５Ｇ８].從熱交換器工作介質的氯離 子質量濃度檢測結果可知,開裂筒體內表面接觸的 蒸汽冷凝水中氯離子質量濃度達到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 縫處出現應力腐蝕裂紋,并最終導致該熱交換器筒 體焊縫開裂.
３ 結論及建議
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 的３１６L 不銹鋼或雙相不銹鋼;定期對染液和蒸汽 中的氯離子質量濃度進行檢測,將其質量濃度嚴格 控制在２５mg??L－１之下;采用經評定合格的焊接工 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,保證焊接質量.
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