板式换热器泄漏原因

申志清, 姜成利, 王 飞

[通标标准技术服务(青岛)有限公司, 青岛 266000]

板式换热器主要是隔离两侧介质，起热量交换作用。板式换热器换热效率高、结构紧凑，广泛应用在各行各业中[1]。某热力公司的板式换热器在运行1 a(年)后发生早期泄漏，该板式换热器材料为06Cr19Ni10钢，运行压力为0.5～1.0 MPa，温度为20～100 ℃，循环介质是水，不同板式换热器之间采用橡胶胶条进行隔离。为了查明该起泄漏事故发生的原因,笔者对其进行了一系列检验和分析。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在板式换热器上取样，采用斯派克MAXxLMM15型直读光谱仪按照GB/T 11170-2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对其材料进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知,该换热器材料的化学成分符合GB/T 4237-2015《不锈钢热轧钢板和钢带》中对06Cr19Ni10钢的成分要求。

表1 板式换热器材料的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the plate heat exchanger material (mass fraction) %

1.2 宏、微观观察

泄漏点的宏观形貌如图1所示，可见泄漏主要由点状穿孔导致，泄漏点位于冲压成型的底部位置。采用VEGA3 TESCAN型扫描电镜对泄漏点的微观形貌进行观察，如图2所示，可见泄漏点主要呈现沿晶开裂形貌，并且在部分区域的晶界上发现了点蚀坑[2-3]。

图1 板式换热器宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the plate heat exchanger: a) overall morphology; b) leakage point location; c) macro morphology of the leakage point; d) macro morphology of inner surface of the leakage point

图2 泄漏点处的微观形貌Fig.2 Micro morphology at the leakage point

1.3 能谱分析

采用能谱分析仪对泄漏点附近的微区成分进行分析，分析位置如图3所示，分析结果见表2，结果表明附着物含有很高氯、纳、钾、氮等元素。

图3 EDS分析位置Fig.3 EDS analysis locations

表2 泄漏点处的EDS分析结果(质量分数)Tab.2 EDS analysis results at the leakage point (mass fraction) %

1.4 金相检验

根据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》，从板式换热器靠近泄漏点附近及远离泄漏点附近取样，经过镶嵌研磨、抛光后使用Curran 试剂腐蚀，然后采用IMAGER.A2M型蔡司显微镜对其进行金相检验。板式换热器材料的显微组织主要为奥氏体+少量δ铁素体，如图4所示。远离泄漏点处部分区域表面存在腐蚀坑，腐蚀坑深度约为58.8 mm，如图5所示。

图4 近泄漏点处显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology near the leakage point

图5 远离泄漏点处显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology far away from the leakage point

1.5 非金属夹杂物分析

根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》，从换热器泄漏点附近取样，经过镶嵌、研磨、抛光后采用IMAGER.A2M型蔡司显微镜对其进行分析，分析结果见表3可知其非金属夹杂物含量较少。

表3 非金属夹杂物分析结果Tab.3 Non-metallic inclusions analysis results 级

1.6 硬度测试

依据GB/T 4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》对近泄漏点位置和远离泄漏点位置进行维氏硬度分析，分析结果见表4。由GB/T 4237-2015可知，对于06Cr19Ni10钢，其维氏硬度不应超过210 HV0.3。由表4可知，近泄漏点处硬度为201～203 HV0.3，远离泄漏点处的硬度为186～189 HV0.3，表明板式换热器的硬度均未超过要求值。但是通过比对可以发现近泄漏点处的硬度略高，这说明该处出现了轻微的材料硬化现象。

表4 硬度测试结果Tab.4 Hardness test results HV0.3

1.7 水质分析

由于泄漏点部分区域存在较多的氯元素，所以从水池里采集了正在使用的水以及刚软化的新水进行水质分析，新水透明且无杂质，而水池中使用的水较浑浊，分析结果见表5。由表5可知，水池中正在使用的水导电率明显高于新水，氯化物含量则高了约39倍。

表5 水质分析结果Tab.5 Water quality analysis results

1.8 固定胶条氯元素含量分析

从板式换热器不锈钢板上截取固定胶条，采用X射线荧光光谱分析仪对其进行成分分析，未发现氯元素的存在。

2 分析与讨论

该板式换热器使用的不锈钢板材化学成分无异常，显微组织均为奥氏体+少量δ铁素体，符合06Cr17Ni10钢的组织特征，非金属夹杂物也较少，硬度虽然有轻微硬化但是均符合标准要求，因此可以基本排除不锈钢材料异常导致泄漏的可能性。

由宏、微观分析结果可知，泄漏处主要呈现点状泄漏，微观形貌主要是沿晶开裂形貌，同时远离泄漏点的其他部位也发现了细小的点蚀坑。能谱分析结果表明泄漏点处存在大量的氯元素，考虑到氯元素在不锈钢中含量较低，所以这些元素主要来源于不锈钢的接触物质。板式换热器的接触物质主要是固定胶条和循环水，而固定胶条中未发现腐蚀性元素氯，因此可以确定氯元素主要来源于循环水中，循环水的检测结果也验证了此结论。

通常试压水和使用水中的氯离子含量不应超过25 mg·L-1[4]，但是根据分析结果可知，水池中正在使用的水的氯化物含量为157.2 mg·L-1，远远超过了要求值。氯元素具有很强的穿透能力，会破坏甚至穿透表面钝化膜，这些被破坏的钝化膜处就会形成点蚀源。点蚀孔一旦形成，蚀孔的内表面就会处于活性状态，电位较负，成为阳极，而蚀孔的外表面仍然处于钝化状态，电位较正，成为阴极，此时蚀孔内外形成活化-钝化的微电池，点蚀孔内和孔外发生的反应如式(1)和式(2)所示。此电池呈现大阴极小阳极的特点，因此阳极的腐蚀速度会比较快，点蚀孔向内部腐蚀扩展的速度也会较快，随着腐蚀程度的加深，最终造成穿孔泄漏[4-5]。

点蚀孔外

O2+2H2O+4e-→4OH-

(1)

点蚀孔内

Fe→Fe2++2e-

(2)

3 结论及建议

循环水水质异常，里面含有的高氯化物使板式换热器不锈钢板产生点蚀，随着点蚀程度增加，最终导致板式换热器穿孔泄漏。

建议定期更换循环水，净化水质，避免水中氯化物含量超标。