换热器管口裂纹产生的原因及其控制措施
【摘要】从具体的实际例证入手，对不锈钢换热器管口裂纹产生的原因进行了检测和分析，根据结果阐述了造成管口裂纹的原因。并提出了避免裂纹产生的改进措施。
某厂的不锈钢换热器。在使用一年多时间后，管口处相继产生贯穿性裂纹．影响了工厂的日常生产．酝酿着严重的安全隐患。裂纹从管口胀接处开始，逐渐向另一管孔延伸，管口的交界处有锈状物包裹．剥去包裹物后用肉眼观察可见管孔周边存在多条裂纹，裂纹总长600Im以上。为找到裂纹产生的原因并提出相应的改进措施．对管板材质化学成分、断口形貌、介质环境、腐蚀产物、金相组织等进行了分析，综合分析裂纹的成因。
一、检验分析
1、管口材料成分分析
对管口取样进行化学成分分析，并与标准GB4237《不锈钢热轧钢板)中1Crl8Ni卯i成分对照，分析结果表明，实际材质与国标材质对比，Ti含量明显不足，C含量略偏高，管口材质实际接近1crl8Ni9，而不是1Cd8Ni蛳。
2、介质环境分析
换热器所用的蒸汽来自于本厂的循环工业用水。加热后使用。实地对换热器的介质即加热蒸汽的凝结水和机油采样送检，水汽分析结果表明。蒸汽凝结水中含有较多的Cr。这可能与工业水循环过程中混人了Cl-有关。
3、全相分析
宏观检查管口，发现存在宽窄不一的贯穿性裂纹，裂纹宽度最宽达1．5咖。制取断口试样(未破坏断口形貌)，管口大部分金属已失去光泽，断口表现为多台阶、参差不齐的断口，呈脆性断裂特征。微观检验观察试样抛光面．发现存在多处沿晶裂纹，由粗变细逐渐由外向内扩展：在较粗一头存在明显的非金属夹杂物；同时还发现少数区域存在沿晶分布的非金属夹杂物。电解侵蚀后．显微组织特征为：基体为奥氏体．其上分布有较多碳化物颗粒，同时存在碳化物沿晶分布的网状组织．微观裂纹是沿着碳化物析出的晶界扩展的，裂纹特征符合晶间腐蚀(网状)和应力腐蚀(沿晶)的特征。
4、腐蚀产物分析
对管口孔缝隙间的腐蚀产物取样。用能量散射X光谱(EDS)进行分析，结果表明，腐蚀产物中主要成分为Fe，Cr，并有Cr局部富集现象。
二、腐蚀机理分析
1、材质影响
不锈钢的耐蚀性主要是因为表面有一层钝化膜，提高了电极电位，可以阻止腐蚀反应发生。而管板材质不良，缺钛且碳含量偏高，
易造成晶界贫铬现象．产生活态一钝态微电池。一般的1Cd8Ni蛐中钛含量为碳含量的5一10倍．这样才能起到稳定化作用。但本材质钛含量过低，而碳含量偏高。若材料在制造或使用过程中经过敏化温度区。不稳定的碳容易在晶界消耗大量的铬形成碳化铬析出，内部的碳向晶界扩散的速度比铬快．晶界的铬得不到补充致使晶界出现贫铬区(即敏化)．形成不了钝化膜，使晶界钝态受到破坏，电极电位下降(阳极、活态)，而晶粒本身仍维持钝态，电位较高(阴极)，晶粒与晶界构成活态一钝态微电池，且具有大阴极一小阳极的面积比，在这种藕合加速效应的影响下．导致材料晶间腐蚀，同时抗晶间型应力腐蚀的能力也有所下降。
2、介质环境、应力因素
不锈钢发生应力腐蚀现象较为常见。不锈钢发生应力腐蚀应具备三个基本条件：敏感的合金(材料因素)、静的拉伸应力(力学因素)和特征介质(环境因素)。
敏感的合金一对lCd8Ni朔而言。在有氯化物、氢氧化物和连多硫酸的介质中。均能引起应力腐蚀。静的拉伸应力一如果没有静的拉伸应力，即使有敏感的合金与特定的介质配合。应力腐蚀也不会发生。在不锈钢应力腐蚀中起主要作用的是宏观内应力。即残余拉应力，而不是微观内应力。换热管与管板胀接后，存在胀接应力(残余拉应力)。
特征介质一特别是溶液中的一些杂质．即所谓特征离子的存在是最为危险的。在200℃水中仅含2ppm Cr，便可使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀。并多数以点蚀、缝隙腐蚀为起源。
&nbs p; 水汽报告表明，其Cr含量足以在200一300℃时使不锈钢产生晶间型应力腐蚀。EDS分析结果也表明，裂纹面内有明显的Cr局部富集。
3、闭塞电池的形成
由于胀接部位缝隙内溶液处于滞流状态。氧只能以扩散的方式向缝内传递。使缝内的氧耗难以得到补充。从而使缝隙内的阴极反应中止。然而，缝隙内的阳极反应继续进行，形成一个高浓度金属正离子溶液的空腔。为保持溶液中性，带负电荷的阴离子(Cr)迁移人空腔内，生成的金属氯化物又发生水解反应，空腔内酸性增加。导致钝化膜破裂，使空腔内电极电位下降，形成为阳极，整个外表面形成为阴极。尤其是Cr可与H+生成盐酸．其腐蚀性更强。加速了空腔内的腐蚀速度。由于材质中钦含量不足。也易引起钝态的活化。随着腐蚀的进行及腐蚀产物的沉积．缝隙内形成闭塞电池腐蚀．并在应力和腐蚀的联合作用下。扩展为裂纹向纵深发展。
4、冶金、热处理因素
金相组织显示为奥氏体加大量的未溶碳化物．同时存在沿晶分布的网状碳化物。说明该材料未经固溶处理，或固溶处理温度不高、时间较短，碳化物未充分溶鳃，合金化程度差。而且，热处理温度低，铬扩散速度减慢，碳化铬沉淀加快，更加速了贫铬区的形成，降低了电极电位。同时。沿晶分布的含铬碳化物会加剧晶界贫铬而导致沿晶界的应力腐蚀。
沿晶非金属夹杂物的存在说明该材料晶粒很粗。粗晶粒的晶间腐蚀倾向大。原因在于粗晶单位体积的晶界面积小，而在给定的敏化条件下产生的碳化物沉淀又是一定的。使粗晶的晶界部位碳化物密度比细晶的大。另一方面，粗大的晶粒有促使加速M23C6沉淀的作用，同时沿晶分布的非金属夹杂物严重割裂基体的连续性，降低了材料的强度．非金属夹杂的尖端极易造成应力集中。
三、结语
管口的材质分析和金相组织分析表明，材质不合要求。导致基体和晶界耐晶间腐蚀和晶间型应力腐蚀的性能下降。介质中的Cr在晶界敏化和残余应力的共同作用下，引起晶间型应力腐蚀，并且Cr在管子管板缝隙内滞流．在残余应力、酸性自催化作用下导致缝隙腐蚀：而沿晶的非金属夹杂物导致应力集中、组织晶粒粗大，也加剧了腐蚀的产生和发展。为防止裂纹产生，可从以下四方面改进：
1、材质控制
严格控制材质质量，通过添加稳定化元素或降低碳含量．控制晶界吸附和抑制晶界沉淀：热处理温度、时间和温度变化速度必须达到要求，以减少含铬碳化物的析出，控制晶粒度和细化晶粒，降低产生腐蚀的可能性。
2、结构改进
尽量避免形成闭塞空间．设计时对管板与管子问的缝隙可考虑进行密封处理。建议采用密封焊，焊后进行消除应力处理。
3、工况介质控制
严格控制介质中的杂质。特别是C1．含量，可通过工艺手段将其控制在引起应力腐蚀的浓度之下。
4、选材考虑
由于lCrl8Ni卯i中C含量较高。将增加不锈钢对应力腐蚀的敏感性，同时在设备制造过程中经过热加工或焊接热循环后。Ti的稳定化作用会下降甚至消失。易造成晶界敏化。降低抗晶间腐蚀的性能，故在压力容器行业。目前已不推荐使用该钢号。可选用含碳量更低的Cr—Ni奥氏体不锈钢．如0Cd8Nil0Ti钢、OCrl8 NiUNb钢或超低碳不锈钢00Cd9Nil0钢等，以降低晶界敏化的危害性。也可考虑采用复相不锈钢，以降低不锈钢对氯离子应力腐蚀破裂的敏感性。
参考文献
（1）换热器设计手册，钱颂文编著，化学工业出版社，2004年08月
（2）石油化工厂设备检修手册·换热器，徐钢编著，中国石化出版社，2007年01月 作者单位系中石化河南油田油建工程建设有限公司)
