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【摘 要】板式换热器凭借着诸多优势，成为了食品、冶金、石油化工等领域的主导换热设备。但由于换热器的工作环境复杂，板式换热器容易出现因腐蚀而导致设备失效。本文结合应用实例，就板式换热器不锈钢板片腐蚀失效原因进行分析，可为此类故障防治研究提供支持。
【关键词】板式换热器；开裂；腐蚀；腐蚀介质
某化工厂车间所使用的板式换热器，板片采用306不锈钢，使用两年多以后，在冷凝器的进料孔附近发现许多微裂纹，裂纹也分布在密封槽中，裂纹两侧可见许多腐蚀坑。在板片二道密封与一道密封之间也有裂纹存在，开裂严重的板片母材已脱落，形成孔洞。开裂部位进口板片的颜色较其他部位深，呈褐色。该板式冷凝器热侧工作压力为常压，进口工作温度80℃，出口工作温度50℃，工作介质为99%的甲醇、少量水、少量HCl及少量H2S的混合物；冷侧进口工作压力为0.25～0.3MPa，出口工作压力0.1MPa，进口工作温度28～34℃，出口工作温度32～36℃，工作介质为循环水。
1.理化检测与分析
1.1 宏观分析
从宏观上观察，发生开裂的不锈钢板片，其冷却水一侧板片表面覆盖着大量浅黄色垢层，有部分深褐色腐蚀痕迹，未发现裂纹和穿孔；而甲醇蒸汽一侧表面光亮，未发现垢状物、裂纹及穿孔；在密封槽上存在明显的裂纹，裂纹主要沿板片密封槽走向，有明显的分叉现象，局部有二次裂纹，裂纹附近没有明显的塑性变形；对裂纹部分取样打磨后发现有点腐蚀存在，腐蚀坑由冷却水侧向甲醇蒸汽侧延伸。
宏观观察表明，换热板片冷却水侧发生点腐蚀，腐蚀源于水侧；板片裂纹具有应力腐蚀的基本特征，这可能与板片密封部位冷冲压成型具有较高的残余应力、冷却水的化学成分、垫片和板片的相互作用等因素有关，需进一步检验。
1.2 微观分析
在板片断面用线切割切取试样，用扫描式电子显微镜进行断口微观形貌观察。发现断口表面覆盖大量的腐蚀产物；断口表面存在泥状花样微观形貌；断口表面呈现出不同位向的晶粒多面体外形的冰糖块状花样，晶粒明显，且观察到沿晶二次裂纹和穿晶二次裂纹；断口表面具有准解理花样，稍有撕裂岭。
微观分析表明，断口上发现泥状花样、冰糖块状花样、准解理花样及二次裂纹，具有应力腐蚀的微观形貌特征。
1.3 化学成分分析
从换热器板片上取样进行化学成分分析，分析结果见表1。
从测量结果可以看出，除Si质量分数较高和Ni质量分数略微偏低以外，其余各元素的含量均处于GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中304奥氏体不锈钢中规定的范围内。
Si含量偏高会提高材料冷变形加工硬化率，降低焊接性能，易导致冷脆。Ni在不锈钢中是形成奥氏体晶体结构的元素，能改善不锈钢的耐蚀性和工艺性能。Ni含量偏低会对奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能产生不利影响。
1.4 断面能谱分析与垢层X射线衍射分析
取断口微观分析试样和换热板外表面覆盖层分别进行微区能谱分析与垢层衍射分析，结果见表2，3。
由检测结果可以看出，断口表面和板片冷却水侧表面垢层都检测出较多的Cl元素和S元素。由于板片表面结垢层位于冷却水侧，故可以判断Cl-来源于工厂所用的循环冷却水。输送冷却水的碳钢管道发生的腐蚀造成了冷却水长期循环过程中有害S2-的浓缩。此外，密封橡胶垫片和密封胶材料组成中含有硫化剂，长期处于高温和腐蚀介质中逐渐老化析出含Cl-，S物质。对奥氏体不锈钢，在含有Cl-，S2-的介质中容易发生应力腐蚀，循环冷却水中Cl-，S2-偏多导致板片的应力腐蚀。
1.5 金相检验
从换热器板片上选择具有代表性的部位取样进行金相检验。检验发现未腐蚀部位试样的金相组织形貌正常，可见均匀的奥氏体组织，部分晶粒呈孪晶分布，其上黑色小点为碳化物；靠近板片冷却水侧腐蚀较严重的试样断口附近的表面粗糙不平，有金属颗粒脱落，金相组织正常，未发生变化；腐蚀严重部位的腐蚀孔下存在穿晶型裂纹，裂纹呈树枝状，其他部位金相组织正常。
金相检验表明：材料为典型的奥氏体组织，晶粒形态均一，部分晶粒呈孪晶分布。金相组织正常，未观察到脱碳层、晶粒增大等现象。发生失效的部位明显存在不同程度的腐蚀孔和穿晶型裂纹，腐蚀孔与裂纹都是从冷却水侧产生。
1.6 板片残余应力测试
在换热器板片的换热面和密封槽选取测试区，每个测试区选取8个点进行残余应力测试。测试结果见表4。
测试结果显示，密封槽上的残余应力主要是拉伸应力，拉伸应力平均值185MPa，少数点测出压应力，压应力平均值-100.5MPa，说明密封面上以残余拉应力为主，局部存在压应力，而拉应力数值明显大于压应力；在热交换面上的残余应力全部是拉应力，拉应力平均值73.3MPa，没有测试点测出压应力。两测试面相比较，密封槽上的残余应力明显大于热交换面。
2.原因分析与讨论
上述理化检测结果表明，换热器板片冷却水侧换热面发生点腐蚀，点腐蚀造成密封槽腐蚀开裂，裂纹呈树枝状，无明显的塑性变形；断口表面微观分析成泥状、冰糖块状、准解理花样，存在沿晶和穿晶腐蚀二次裂纹；金相检验材料为典型的奥氏体组织结构，晶粒形态均一，部分晶粒呈孪晶分布，裂纹源于冷却水侧，具有典型应力腐蚀的基本特征。
腐蚀产物中检测出较多的Cl元素和S元素，证明循环冷却水介质中存在Cl-和S2-。奥氏体不锈钢在含有Cl-和S2-的溶液中易发生点腐蚀，在应力作用下易发生应力腐蚀。密封垫和密封槽之间存在缝隙，Cl-和S2-在缝隙处聚集浓缩，进一步加深了应力腐蚀开裂。
密封槽和换热面均存在残余拉应力，密封槽上残余应力较大，随着板片工作时间的增加，加上工作热应力的影响，在密封槽上发生了应力腐蚀破裂。另外，换热板材料Si含量较高和Ni含量略微偏低。Si含量偏高易导致冷脆，Ni含量偏低降低了不锈钢的抗腐蚀能力。
3.结论
长时间运行在含有较多Cl-和S2-的循环介质中以及材料本身的缺陷，这是使不锈钢板式换热器板片发生腐蚀失效的主要因素。因此，为了防止此类问题的发生，应降低并控制循环介质中的Cl-和S2-含量，并且建议把304不锈钢改用耐蚀性更强的316L。
参考文献：
[1] 王政东；史云峰；何昆.板式换热器板片腐蚀失效原因分析[J].炼油与化工，2011年04期.
[2] 董雷云；刘长军；潘缉悌.板式换热器不锈钢板片失效分析[J].化工设备与管道，2005年06期.
【关键词】板式换热器；开裂；腐蚀；腐蚀介质
某化工厂车间所使用的板式换热器，板片采用306不锈钢，使用两年多以后，在冷凝器的进料孔附近发现许多微裂纹，裂纹也分布在密封槽中，裂纹两侧可见许多腐蚀坑。在板片二道密封与一道密封之间也有裂纹存在，开裂严重的板片母材已脱落，形成孔洞。开裂部位进口板片的颜色较其他部位深，呈褐色。该板式冷凝器热侧工作压力为常压，进口工作温度80℃，出口工作温度50℃，工作介质为99%的甲醇、少量水、少量HCl及少量H2S的混合物；冷侧进口工作压力为0.25～0.3MPa，出口工作压力0.1MPa，进口工作温度28～34℃，出口工作温度32～36℃，工作介质为循环水。
1.理化检测与分析
1.1 宏观分析
从宏观上观察，发生开裂的不锈钢板片，其冷却水一侧板片表面覆盖着大量浅黄色垢层，有部分深褐色腐蚀痕迹，未发现裂纹和穿孔；而甲醇蒸汽一侧表面光亮，未发现垢状物、裂纹及穿孔；在密封槽上存在明显的裂纹，裂纹主要沿板片密封槽走向，有明显的分叉现象，局部有二次裂纹，裂纹附近没有明显的塑性变形；对裂纹部分取样打磨后发现有点腐蚀存在，腐蚀坑由冷却水侧向甲醇蒸汽侧延伸。
宏观观察表明，换热板片冷却水侧发生点腐蚀，腐蚀源于水侧；板片裂纹具有应力腐蚀的基本特征，这可能与板片密封部位冷冲压成型具有较高的残余应力、冷却水的化学成分、垫片和板片的相互作用等因素有关，需进一步检验。
1.2 微观分析
在板片断面用线切割切取试样，用扫描式电子显微镜进行断口微观形貌观察。发现断口表面覆盖大量的腐蚀产物；断口表面存在泥状花样微观形貌；断口表面呈现出不同位向的晶粒多面体外形的冰糖块状花样，晶粒明显，且观察到沿晶二次裂纹和穿晶二次裂纹；断口表面具有准解理花样，稍有撕裂岭。
微观分析表明，断口上发现泥状花样、冰糖块状花样、准解理花样及二次裂纹，具有应力腐蚀的微观形貌特征。
1.3 化学成分分析
从换热器板片上取样进行化学成分分析，分析结果见表1。
从测量结果可以看出，除Si质量分数较高和Ni质量分数略微偏低以外，其余各元素的含量均处于GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中304奥氏体不锈钢中规定的范围内。
Si含量偏高会提高材料冷变形加工硬化率，降低焊接性能，易导致冷脆。Ni在不锈钢中是形成奥氏体晶体结构的元素，能改善不锈钢的耐蚀性和工艺性能。Ni含量偏低会对奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能产生不利影响。
1.4 断面能谱分析与垢层X射线衍射分析
取断口微观分析试样和换热板外表面覆盖层分别进行微区能谱分析与垢层衍射分析，结果见表2，3。
由检测结果可以看出，断口表面和板片冷却水侧表面垢层都检测出较多的Cl元素和S元素。由于板片表面结垢层位于冷却水侧，故可以判断Cl-来源于工厂所用的循环冷却水。输送冷却水的碳钢管道发生的腐蚀造成了冷却水长期循环过程中有害S2-的浓缩。此外，密封橡胶垫片和密封胶材料组成中含有硫化剂，长期处于高温和腐蚀介质中逐渐老化析出含Cl-，S物质。对奥氏体不锈钢，在含有Cl-，S2-的介质中容易发生应力腐蚀，循环冷却水中Cl-，S2-偏多导致板片的应力腐蚀。
1.5 金相检验
从换热器板片上选择具有代表性的部位取样进行金相检验。检验发现未腐蚀部位试样的金相组织形貌正常，可见均匀的奥氏体组织，部分晶粒呈孪晶分布，其上黑色小点为碳化物；靠近板片冷却水侧腐蚀较严重的试样断口附近的表面粗糙不平，有金属颗粒脱落，金相组织正常，未发生变化；腐蚀严重部位的腐蚀孔下存在穿晶型裂纹，裂纹呈树枝状，其他部位金相组织正常。
金相检验表明：材料为典型的奥氏体组织，晶粒形态均一，部分晶粒呈孪晶分布。金相组织正常，未观察到脱碳层、晶粒增大等现象。发生失效的部位明显存在不同程度的腐蚀孔和穿晶型裂纹，腐蚀孔与裂纹都是从冷却水侧产生。
1.6 板片残余应力测试
在换热器板片的换热面和密封槽选取测试区，每个测试区选取8个点进行残余应力测试。测试结果见表4。
测试结果显示，密封槽上的残余应力主要是拉伸应力，拉伸应力平均值185MPa，少数点测出压应力，压应力平均值-100.5MPa，说明密封面上以残余拉应力为主，局部存在压应力，而拉应力数值明显大于压应力；在热交换面上的残余应力全部是拉应力，拉应力平均值73.3MPa，没有测试点测出压应力。两测试面相比较，密封槽上的残余应力明显大于热交换面。
2.原因分析与讨论
上述理化检测结果表明，换热器板片冷却水侧换热面发生点腐蚀，点腐蚀造成密封槽腐蚀开裂，裂纹呈树枝状，无明显的塑性变形；断口表面微观分析成泥状、冰糖块状、准解理花样，存在沿晶和穿晶腐蚀二次裂纹；金相检验材料为典型的奥氏体组织结构，晶粒形态均一，部分晶粒呈孪晶分布，裂纹源于冷却水侧，具有典型应力腐蚀的基本特征。
腐蚀产物中检测出较多的Cl元素和S元素，证明循环冷却水介质中存在Cl-和S2-。奥氏体不锈钢在含有Cl-和S2-的溶液中易发生点腐蚀，在应力作用下易发生应力腐蚀。密封垫和密封槽之间存在缝隙，Cl-和S2-在缝隙处聚集浓缩，进一步加深了应力腐蚀开裂。
密封槽和换热面均存在残余拉应力，密封槽上残余应力较大，随着板片工作时间的增加，加上工作热应力的影响，在密封槽上发生了应力腐蚀破裂。另外，换热板材料Si含量较高和Ni含量略微偏低。Si含量偏高易导致冷脆，Ni含量偏低降低了不锈钢的抗腐蚀能力。
3.结论
长时间运行在含有较多Cl-和S2-的循环介质中以及材料本身的缺陷，这是使不锈钢板式换热器板片发生腐蚀失效的主要因素。因此，为了防止此类问题的发生，应降低并控制循环介质中的Cl-和S2-含量，并且建议把304不锈钢改用耐蚀性更强的316L。
参考文献：
[1] 王政东；史云峰；何昆.板式换热器板片腐蚀失效原因分析[J].炼油与化工，2011年04期.
[2] 董雷云；刘长军；潘缉悌.板式换热器不锈钢板片失效分析[J].化工设备与管道，2005年06期.