摘 要:某紡織公司染缸熱交換器在檢修過程中發(fā)現(xiàn)焊縫及筒體附近母材出現(xiàn)裂紋.通過宏觀 分析、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)和氯離子檢測(cè)等方法對(duì)熱交換器焊縫開裂的原因進(jìn)行了 分析.結(jié)果表明:該熱交換器焊縫及筒體附近母材的開裂模式為應(yīng)力腐蝕開裂.由于蒸汽冷凝水 中氯離子質(zhì)量濃度過高,在焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下,焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.

關(guān)鍵詞:熱交換器;焊縫;應(yīng)力腐蝕;氯離子;殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào):TG１７２．９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５５Ｇ０３

熱交換器是用來使熱量從熱流體傳遞到冷流 體,以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置,是對(duì)流傳熱及熱 傳導(dǎo)的一種工業(yè)應(yīng)用.某紡織漂染有限公司染缸熱 交換器在檢修過程中發(fā)現(xiàn)筒體與錐形封頭的焊縫及 筒體附近母材出現(xiàn)裂紋.筒體及錐形封頭材料均為 ３１６Ti不銹鋼,筒體規(guī)格為?３８１ mm×３．０mm,壁 厚為３．０mm;前管板材料為３１６L 不銹鋼,焊接材 料為 ER３１６LSi不銹鋼焊絲.熱交換器殼程最高工 作壓力為０．７MPa,設(shè)計(jì)工作溫度為１７０ ℃,工作介 質(zhì)為水蒸氣;管程最高工作壓力為０．３８MPa,設(shè)計(jì) 工作溫度為１４０ ℃,工作介質(zhì)為染液.前管板兩側(cè) 分別與筒體和錐形封頭焊接.為查明該染缸熱交換 器筒體與錐形封頭焊縫開裂的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行 了一系列理化檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

采用滲透檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)熱交換器表面存在兩條 裂紋,其宏觀形貌如圖１所示.１號(hào)裂紋位于筒體和 前管板之間的焊縫位置,沿焊縫縱向擴(kuò)展,長度約為 ６０mm.２號(hào)裂紋位于１號(hào)裂紋焊縫附近的筒體母材 處,距焊縫約１０mm,長度約為２５mm.將兩條裂紋 打磨掉約０．５mm 后再次進(jìn)行滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn),１號(hào)裂 紋打磨后長度約為７０mm,２號(hào)裂紋打磨后長度約為 ３０mm,裂紋均有由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展的趨勢(shì).

１．２ 化學(xué)成分分析

采用手持合金分析儀對(duì)熱交換器裂紋兩端筒體 母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.裂紋 兩端筒 體 母 材 化 學(xué) 成 分 符 合 ASMESAＧ２４０/SAＧ ２４０M －２０１６ Specificationfor Chromium andChromiumＧnickel Stainless Steel Plate,Sheet, and Stripfor Pressure Vesselsandfor General Applications對(duì)３１６Ti不銹鋼的技術(shù)要求,焊縫化 學(xué)成分符合 ASMESECIICSFAＧ５．９/SFAＧ５．９M － ２００１ Specification for Bare Stainless Steel WeldingElectrodesandRods對(duì) RE３１６LSi不銹鋼 的技術(shù)要求.

１．３ 硬度測(cè)試

對(duì)熱交換器開裂區(qū)焊接接頭和遠(yuǎn)離開裂區(qū)的其 他前管板與筒體焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,測(cè)試 位置分別為筒體母材、焊縫和熱影響區(qū),結(jié)果見表 ２.根據(jù) ASMESA２４０/SAＧ２４０M－２０１６,３１６Ti不 銹鋼的硬度應(yīng)不高于２１７HBS.由表２可知,開裂 區(qū)母材與焊縫位置處硬度未見明顯異常,熱影響區(qū) 的 硬度偏高;遠(yuǎn)離開裂區(qū)的前管板與筒體焊接接頭硬度均無明顯異常.

１．４ 金相檢驗(yàn)

對(duì)熱交換器開裂區(qū)１號(hào)和２號(hào)裂紋處進(jìn)行打磨 拋光,用濃硝酸和濃鹽酸體積比為１∶３的溶液浸蝕 后進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖２所示.可見１號(hào)裂紋 處的顯微組織為奧氏體＋網(wǎng)狀分布的鐵素體,主裂 紋穿晶擴(kuò)展,存在二次裂紋和明顯的腐蝕坑,具有應(yīng) 力腐蝕特征;２ 號(hào)裂紋呈樹枝狀,顯微組織為奧氏 體,同樣具有應(yīng)力腐蝕特征.

１．５ 氯離子檢測(cè)

為檢驗(yàn)染缸熱交換器工作介質(zhì)情況,對(duì)染缸熱交 換器殼程的蒸汽系統(tǒng)冷凝水和管程常用的兩種染液 (分別編號(hào)為１號(hào)染液和２號(hào)染液)取樣進(jìn)行氯離子 質(zhì)量濃度分析,工作介質(zhì)試樣見圖３.檢測(cè)結(jié)果如 下,１號(hào)染液中的氯離子質(zhì)量濃度為３８６ mg??L－１;２號(hào)染液中的氯離子質(zhì)量濃度為４２６mg??L－１;開裂 母材內(nèi)表面直接接觸的蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃 度為１７２mg??L－１.

２ 分析與討論

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,開裂交換器筒體以 及筒體與前管板焊縫的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要 求;開裂交換器的裂紋呈樹枝狀,具有由內(nèi)向外擴(kuò)展 的趨勢(shì),主裂紋穿晶擴(kuò)展;開裂位置處的焊接接頭筒 體側(cè)熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于筒體母材和焊縫的.熱 交換器內(nèi)壁在工作過程中需要承受一定的蒸汽壓 力,同時(shí)焊接熱影響區(qū)存在殘余拉應(yīng)力,焊縫處的受 力情況為兩者的疊加.拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致 應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生[１].氯離子的質(zhì)量濃度越高, 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的時(shí)間越短,裂紋擴(kuò)展的速度越 快[２Ｇ４],即使氯離子質(zhì)量濃度較低,也會(huì)在短時(shí)間內(nèi) 產(chǎn)生裂紋.溫度的上升也加快了應(yīng)力腐蝕裂紋的 產(chǎn)生.

奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕敏 感性,當(dāng)氯離子質(zhì)量濃度大于２５mg??L－１時(shí),容易發(fā) 生應(yīng)力腐蝕開裂[５Ｇ８].從熱交換器工作介質(zhì)的氯離 子質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果可知,開裂筒體內(nèi)表面接觸的 蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到１７２mg??L－１,加 之殘余拉應(yīng)力和工作應(yīng)力的疊加作用,熱交換器焊 縫處出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋,并最終導(dǎo)致該熱交換器筒 體焊縫開裂.

３ 結(jié)論及建議

該熱交換器焊縫及筒體附近母材的開裂模式為 應(yīng)力腐蝕開裂.由于蒸汽冷凝水中氯離子質(zhì)量濃度 過高,在焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下,焊 縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.

建議筒體材料選用抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能更優(yōu) 的３１６L 不銹鋼或雙相不銹鋼;定期對(duì)染液和蒸汽 中的氯離子質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè),將其質(zhì)量濃度嚴(yán)格 控制在２５mg??L－１之下;采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工 藝,由熟練焊工進(jìn)行焊接,并在焊后對(duì)應(yīng)力集中部位 進(jìn)行去應(yīng)力處理,保證焊接質(zhì)量.

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<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>56卷>2期(pp:55-57)>