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换热器管箱封头开裂原因的分析探讨

赵景星，宋雪

（山东省特种设备检验研究院，山东 济南 250101）

摘 要：某化工厂换热器管箱封头在运行过程中发生泄漏，通过对其化学成分、金相组织、断口形貌等进行分析，确定开裂原因为奥氏体不锈钢在封头内残余应力以及氯离子联合作用下的应力腐蚀开裂。

关 键 词：换热器；管箱封头；开裂；应力腐蚀

1 前言

石油化工行业中奥氏体不锈钢设备的应力腐蚀问题引起了普遍的关注，氯离子被认为是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的主要原因之一。某化工厂1台正在使用的换热器上管箱封头发生泄漏，本研究对泄漏原因进行分析，确定应力腐蚀开裂为该设备泄漏的原因，并提出了避免此类设备产生应力腐蚀开裂的措施和建议。

2 检验过程及结果

换热器技术参数：壳程工作压力1.3MPa，管程工作压力0.14 MPa；壳程工作温度进口196℃，出口195℃；管程工作温度进口125℃，出口126℃；工作介质壳程为水蒸汽，管程为废水；材料壳程为16MnR，管程为304L；封头为冷压成形。

2.1 宏观检测

泄漏部位位于上封头，表面可见大量结垢物。将结垢物去除后，裂纹肉眼可见，多分布在封头圆弧过渡段，没有明显方向性，见图1。

2.2 微观检测

1）裂纹断口形貌及能谱分析。为排除蒸汽冲刷的影响，从封头裂纹未完全贯穿部位取样，采用手工锯切割以防止对断口的污染。沿裂纹面打开，在电镜下观察，断口表面存在腐蚀产物，伴有二次裂纹，部分无腐蚀产物的部位显示解理断裂形貌，为穿晶裂纹，见图2。使用能谱仪对断口表面腐蚀产物进行能谱分析，发现有氯离子（见图2）。腐蚀产物中存在氯，具备304L不锈钢应力腐蚀的介质条件。

2）金相分析。截取裂纹部位截面试样进行金相检测，发现裂纹由钢板外侧向内侧扩展，裂纹呈树枝状，以穿晶为主，伴有部分沿晶裂纹，为应力腐蚀所致，如图3所示。晶粒内有大量的滑移线，说明该处有较大的变形。

2.3 化学成分

取样对其化学成分进行分析，结果见表1，与ASTM A240中304L的成分要求相比较，封头试样C、Cr成分不符合要求。

3 封头开裂原因分析

封头开裂以穿晶为主，并有部分沿晶裂纹，断口内有氯离子，封头应为应力腐蚀开裂。

3.1 材料化学成分不符合要求

封头材料为奥氏体不锈钢，是氯离子应力腐蚀的敏感性材料。该封头材料成分不符合标准要求，C含量偏高降低了材料的耐腐蚀性能，增加了应力腐蚀敏感性。圆弧过渡段材料存在滑移线，也在一定程度上促进了应力腐蚀的发生。

3.2 应力腐蚀

设备封头在工作状态下承受薄膜应力及弯曲应力，受力状况比较复杂。为了了解其工作状态下的真实应力状态，对封头进行了有限元分析，根据设备实际尺寸绘制模型，载荷为0.14MPa，施加约束后进行分析，结果见图4。

由图4可以看出，出现裂纹部位无论是周向应力还是径向应力，基本为压应力，且裂纹的走向与主应力方向不一致。所以工作应力不是导致封头开裂的主要因素。开裂部位晶粒内有大量的滑移线，说明在封头加工过程中该处变形量较大，产生了较大的残余应力，在主应力不起作用的情况下，残余应力在应力腐蚀过程中起主导作用。

3.3 存在腐蚀介质

从能谱分析的结果看，断口腐蚀产物中含有氯，而氯离子为奥氏体不锈钢典型的应力腐蚀介质。由于裂纹从外表面开始开裂，氯离子可能来源于周围大气，在降水过程中，水分沿保温层破损部位渗入，到达设备表面后受热挥发，水分中所含腐蚀性杂质便残留于材料表面，如此反复，材料表面腐蚀性杂质增多，最终造成应力腐蚀。

4 结论与建议

经过以上分析，得出裂纹产生的原因为敏感材料在钢板内残余应力以及氯离子联合作用下的应力腐蚀开裂，材料成分不符合要求，降低了材料的耐腐蚀性能，增加了应力腐蚀敏感性。建议加强材料的验收，保证材料成分符合要求；封头压制严格按照工艺要求进行，并对成形后硬度指标进行控制；使用中保证保温层的完好，防止水分进入。