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换热器管口裂纹产生的控制措施和原因

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【概要描述】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 

换热器管口裂纹产生的控制措施和原因

【概要描述】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 

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  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。换热器使用。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。
换热器    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。换热器
  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。换热器
 
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。

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