316L不锈钢板式换热器泄漏原因

吴建华, 李平平, 李玉新, 吴 特

(1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司, 常州 213011；2.中国铁路武汉局集团有限公司 江安机务段， 武汉 430301)

板式换热器是由许多波纹形的传热板片按一定间隔、通过橡胶垫片压紧组成的可拆卸的换热设备，工作过程中，相邻通道中两种不同流体形成的逆流或顺流通过板片进行热量的交换[1]。板式换热器具有换热效率高、物料流阻损失小、结构紧凑、温度控制灵敏、操作弹性大、装拆方便、使用寿命长等特点。目前板片通常采用奥氏体不锈钢、钛及钛合金、镍及镍合金等材料经冷冲压成形制备[2-6]。

某厂生产的板式换热器材料为316L不锈钢，热侧为高温水蒸气(200～300 ℃)，冷侧为质量分数为3%的NaOH(20～100 ℃)，设计寿命为30 a(年)，在使用约半年后陆续出现小批量泄漏事故。为找到该批次板式换热器的泄漏原因，笔者对其进行了理化检验及分析，并提出了有效的改进和预防措施。

1 理化检验

1.1 宏观分析

图1为泄漏板片的宏观形貌，可见泄漏位于板片冷冲压成形过程中变形最大的波峰和波谷处，且泄漏处有裂纹和凹坑存在，部分裂纹局部穿过凹坑。泄漏部位及周围未见明显塑性变形、磕碰擦伤等异常损伤情况，裂纹表现为脆性开裂特征。

图1 泄漏板片宏观形貌Fig.1 Macro morphology of leakage plate：a) overall morphology; b) leakage position morphology at wave crest and wave trough

1.2 扫描电镜和能谱分析

在图1b)箭头所指部位取样清洗后用扫描电镜进行表面形貌分析，并用能谱仪进行微区成分分析。图2为试样表面泄漏部位的低倍微观形貌，可见网状裂纹和凹坑，裂纹呈分叉状穿过部分凹坑，整体与宏观形貌一致。图3是泄漏部位局部高倍微观形貌和能谱分析结果，可见凹坑中和裂纹中均有腐蚀产物，腐蚀产物中含有较多的Cl-和S2-等腐蚀介质。

图2 不同表面泄漏部位低倍微观形貌Fig.2 Micro morphology of different surface defects at low magnification：a) position 1; b) position 2

将图2a)中长裂纹打开进行观察，断口微观形貌如图4所示。可见裂纹源区位于凸起侧表面，被厚厚的腐蚀产物覆盖，形貌难以观察；裂纹扩展区微观形貌以穿晶解理和二次裂纹为主。

1.3 金相检验

沿表面腐蚀较为严重处切割取纵向试样进行金相检验，如图5所示。可见弯曲表面(波峰)存在多处深浅不一的腐蚀坑，裂纹多从腐蚀坑底部呈放射状扩展，有的裂纹扩展至另一面而裂透(裂透部位发生泄漏)，有的裂纹扩展相对较浅。此外，弯曲表面缺陷部位由于受力产生较大变形，其晶粒被拉长，因而会产生一定的形变硬化现象。心部基体显微组织为奥氏体，晶粒度8.0级。结合电镜分析结果可综合判断板片开裂处具有应力腐蚀特征[7]。

图5 泄漏板片不同部位的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of different positions of leakage plate:a) polished morphology of cracked position; b) microstructure morphology of cracked position; c) deformation structure of cracked position;d) microstructure morphology of core matrix

1.4 显微硬度检测

对泄漏板片纵截面弯曲表面的晶粒拉长变形区(波峰)与正常基体部位(1/2高度处)分别进行了显微硬度检测，缺陷附近的显微硬度为380～390 HV0.3，正常基体部位的显微硬度为270～280 HV0.3,可见缺陷附近晶粒拉长变形部位的显微硬度较基体晶粒正常部位的高约110 HV0.3。

1.5 残余应力分析

图6为板片加工残余应力模拟示意图，可知波峰和波谷(开裂位置)残余拉应力为40 MPa，明显高于正常应力状态(小于15 MPa)，资料[8-9]指出,穿晶应力腐蚀裂纹的产生主要与在应力作用下环境介质诱发的解理开裂有关，裂纹的扩展则是在腐蚀介质和应力的共同作用下进行的，而足够的应力和腐蚀介质是产生应力腐蚀的必备条件，且拉应力越大，金属材料发生断裂的时间越短。

图6 板片残余应力模拟示意图Fig.6 Simulation diagram of plate residual stress

2 分析与讨论

根据上述检验结果可知，板片泄漏位置主要在波峰和波谷处，无明显塑性变形，呈脆性开裂特征，裂纹以穿晶解理形貌为主，整体表现为应力腐蚀开裂[10-11]。一般应力腐蚀的必备条件包括特定材料、应力和腐蚀介质3个方面，在材料确定的情况下，后两者显得尤为重要。其中应力因素多以拉应力为主[12]。通常情况下，拉应力主要来自材料的加工和使用过程，大致分为工作应力、残余应力、热应力和结构应力4种类型，研究[13-14]表明，冷加工产生的表面残余拉应力是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的主要原因之一，也是该板片中的应力类型。其次，热蒸汽侧腐蚀产物中检测到Cl-和S2-等腐蚀介质，尤其Cl-的存在，是关键的环境因素。此外，温度也是影响应力腐蚀的重要因素，板片热侧为高温蒸汽，随温度的升高，腐蚀介质扩散速率增大，引起腐蚀介质浓度的下降，即316L不锈钢应力腐蚀敏感性指数明显增大[15]。在上述多重因素的综合作用下，316L不锈钢板片最终发生了早期应力腐蚀开裂。

3 结论及建议

(1) 316L不锈钢板片的开裂泄漏为应力腐蚀开裂。

(2) 冷加工产生较大的残余拉应力和环境中存在Cl-，导致残余应力较大的波峰和波谷处产生裂纹和腐蚀坑，是造成板片发生早期失效的主要原因，而高温工作环境加速了点蚀的产生及裂纹的萌生和扩展，最终板片发生泄漏。

(3) 建议改进板片的加工方式，增加去应力处理工序，同时严格监控Cl-的浓度，必要时进行相关试验验证。