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高校换热设备--板式换热器

  • 螺旋板式换热器是一种高效换热设备,目前在各个领域内已得到广泛使用。某公司1台换热面积为200 m2的螺旋板式换热器,投入运行仅18 d就发生了泄漏,泄漏主要发生螺旋板焊缝上。该换热器制造材料为1Cr18Ni9Ti ,其工艺操作参数:热侧介质为转换反应气(其中含CO、CO2、H2、H2S、水蒸气和甲醇) ,进口温度240℃,出口温度90~100℃,最高工作压力1. 2MPa ;冷侧介质为甲醇、水和CO2 ,进口温度30℃,出口温度160~165℃。文中对泄漏原因进行分析并提出了预防措施。

      1  检验

      对设备底部螺旋板外侧3圈焊缝、螺旋板及其焊缝进行化学成分、金相组织及断口检验,对设备上部螺旋板外圈一层的螺旋板焊接接头及其母材进行金相组织和断口检验,对热侧进口处外筒体母材进行金相组织检验,对螺旋板与外筒体连接部位的堵板进行化学成分、金相组织检验,对换热器冷侧出口和进口的腐蚀产物进行化学成分分析和金相组织检验,对冷侧液体进行水样分析。1. 1  宏观检验

      裂纹分布在换热器的两端,以底部外侧最为严重,裂纹走向为横向。解剖换热器后,发现在螺旋板的两端约70 mm范围内有长度达50 mm的穿透性纵向裂纹,堵板上有不规则走向的较浅裂纹和点蚀痕迹。

      1. 2  材料成分分析

      对螺旋板、堵板等材料进行化学成分分析,其结果与标准中1Cr18Ni9Ti的成分相符。

           1. 3  金相分析

      对螺旋板换热器各部位进行金相检验,发现外筒体板材心部有带状分布的TiN(图3) ,堵板金相组织为奥氏体+马氏体+带状分布的铁素体(图4)。分析可知:①螺旋板换热器外筒体母材组织中TiN和Ti (CN)的出现表明该材料的冶金质量差,当TiN以夹杂物的形式出现并以链状分布时对材料的抗蚀性是有害的,易造成材料开裂[1 ]。②1Cr18Ni9Ti的冷变形强化效应较大,堵板组织中马氏体的存在就是变形强化的结果,这会导致材料的内应力增加,奥氏体组织的稳定性降低,对应力腐蚀敏感,尤其是在低于其屈服强度的应力条件下应力腐蚀开裂的敏感性增加。

      1. 4  断口分析

      对设备底部螺旋板外圈3层焊缝的试样(包括螺旋板及其焊缝热影响区)的裂纹断口进行分析。断口特征有以下共同点:①断面没有宏观塑性变形,粗糙,无金属光泽,有腐蚀产物,表面起裂。裂纹穿晶扩展呈树枝分叉状,见图5。起裂都发生在与冷介质接触的一侧,在冷侧流道的母材、焊缝附近发现大量未穿透裂纹,而热侧流道的裂纹均为穿透性。证明裂纹起始于冷侧,向热侧发展。②断裂扩展形貌主要是解理河流、台阶和二次裂纹,见图6。③螺旋板式换热器多处零部件发生开裂,分析认为,这些开裂的部位不仅与冷介质接触而且存在应力。其中,应力主要是焊接残余应力和冷加工形变应力。微观断口形貌显示了应力腐蚀破坏的特征。

      1. 5  产物及介质

      对冷侧出口、冷侧进口垢物进行X射线成分分析,发现垢物中的主要元素为Fe和O。在冷侧出口,Fe和O的质量分数分别为67. 99 %和11. 95 % ,在热侧进口, Fe和O的质量分数分别81. 82 %和13. 28 %。对断口产物进行X射线结构分析表明,断口产物中含有大量的FeS ,估计这主要是换热器内部钢板和焊缝上产生的裂纹穿透后,热侧介质中的H2S与断口金属反应的产物。冷侧介质的pH值为4. 87 ,其中Cl -和Fe3 +的质量浓度分别为71 mg/ L和101 mg/ L ,经X射线结构分析可知,冷侧进口介质中主要是Fe2O3 ,而冷侧出口介质中则含有Fe2O3、Fe3O4、碳以及钙、镁碳酸盐。

      2  失效原因分析

      从现有试样的分析结果和该设备的运行情况看,裂纹起始于螺旋板的冷侧,裂纹穿透后热侧介质串入冷侧,热侧介质中的硫化氢对腐蚀起了促进作用,裂纹性质符合1Cr18Ni9Ti在含Cl -介质中高温下(大于50℃)应力腐蚀开裂的特点。因此,该螺旋板式换热器的泄漏失效是典型的Cl -引起的应力腐蚀开裂所致。

      冷侧介质中存在的大量Cl -和Fe3 +可以导致1Cr18Ni9Ti发生应力腐蚀开裂,在大于80℃时,介质中大量的Fe3 +缩短了不锈钢在Cl -介质中发生应力腐蚀的诱导期,对开裂起强烈的促进作用[2 ]。这是导致换热器过早失效的主要原因。

      螺旋板筒体母材金相组织中呈带状聚集分布的TiN对材料的抗蚀性有很大的影响,容易造成材料的开裂。而堵板组织中的马氏体可以使材料的内应力增加,奥氏体组织的稳定性降低,对应力腐蚀极为敏感。

      环境、材料和力学因素(静态拉伸应力)是材料产生应力腐蚀断裂的3个基本条件,对于Cr2Ni奥氏体不锈钢来说,能引起应力腐蚀开裂的常见特定介质有氯化物、氢氧化物和连多硫酸等,较典型的就是Cl -引起的应力腐蚀开裂,已有的研究结果证明,对于Cr2Ni不锈钢,水中所含Cl -的质量浓度在0. 2~10 mg/ L即可导致材料断裂。此外,氧化性的金属离子是强烈的致点蚀剂,金属表面的点蚀坑可造成局部应力集中,点蚀坑内可形成闭塞区,使该处的pH值下降和Cl -富集,提供了有利于应力腐蚀裂纹的成核和扩展的介质———应力条件。H2S和O2的存在,在一定的条件下可促进敏化态的不锈钢产生应力腐蚀开裂。螺旋板式换热器的两端具有缝隙结构,缝隙结构也是导致不锈钢发生应力腐蚀的重要裂纹源[3 ] ,其影响与点蚀相似。此外,pH值和温度对应力腐蚀断裂的敏感性也有影响,试验和实践证明,对于固溶态和敏化态的1828型不锈钢,pH值为4时都有一个敏感峰值[2 ]。在22 %的NaCl中,1828型不锈钢的裂纹扩展速度从室温的10 - 10 m/ s加速到140℃的10 - 7m/ s[2 ] ,随温度的升高,1828型不锈钢的孔蚀数目也增加[4 ]。对应于该螺旋板式换热器的实际使用情况,其开裂部位大多位于温度高于80℃的区域,且温度越高开裂越严重。

      焊缝区通常具有接近屈服点的残余应力[3 ] ,因此,该换热器的螺旋板两端有很大的周向焊接残余应力。近缝区母材的金相组织劣化使这些部位的抗应力腐蚀能力下降,表现为应力腐蚀裂纹主要是近缝区的横向裂纹,裂纹向母材和焊缝方向发展,并穿透整个板材。由于螺旋板两端焊缝的径向收缩作用,使螺旋板的两端母材承受了较大的弯曲应力,表现为该处母材多处发生穿透性纵向裂纹。

      综上所述,该螺旋板式换热器的焊缝裂纹为应力腐蚀开裂,介质中的Fe3 +和H2S等对加速应力腐蚀裂纹的形核和裂纹扩展起了促进作用。

      3  预防措施及应用效果

      ①Cl -主要来源于原料液中的水,对工艺用水进行预处理,使其Cl -质量浓度小于25 mg/ L ,同时控制水中钙、镁离子的质量浓度,做好实时监测。②Fe3 +可能为前段工艺设备腐蚀带入,应采取相应措施加以控制,尽可能降低其质量浓度。③改善焊接工艺,消除因焊接引起的残余应力。

      该公司在制造和使用过程中采取以上预防措施后,更换后的同类换热器从2002年使用至今未发生泄漏。