蒸汽回轉干燥機換熱管開裂分析及對策

孫 濤

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司化學工業設備質量監督檢驗中心)

2008年底某焦化廠一臺蒸汽回轉干燥機在運行一年半后部分換熱管出現了裂紋，被迫停產。2010年焦化廠把開裂的SUS329J4L(2507)換熱管更換為SUS329J3L(2205)換熱管，但在使用5個月后換熱管又發生了開裂的現象，導致蒸汽外漏，影響了煤調濕的順利運行，造成了極大的經濟損失。筆者結合蒸汽回轉干燥機換熱管的開裂情況，從宏觀和微觀兩個方面，通過金相分析、掃描電鏡以及X射線能譜分析等方法對開裂部位進行了觀察和分析，并提出了防護建議。

1 干燥機運行工況介紹

蒸汽回轉干燥機換熱管1#管標稱材料為2507，2#管標稱材料為2205，規格均為φ141mm×5.0mm。蒸汽回轉干燥機主要技術參數(管程/殼程)為：

設計壓力 1.6MPa/常壓

工作壓力 0.8～1.6MPa/-100～-500Pa

設計溫度 300/300℃

操作溫度 280～300/280～300℃

工作介質 蒸汽/焦煤

2 試驗分析

2.1宏觀檢查及取樣情況

在干燥機開裂換熱管上取長度約200mm的兩段試件，1#管樣(材料為2507)和2#管樣(材料為2205)如圖1所示。可以看出1#管直管段處發現不規則穿孔一處(面積約60cm2)，孔洞周邊呈明顯外部介質沖刷磨損痕跡，孔洞一側有貫穿的軸向宏觀裂紋，裂紋由外壁至內壁擴展,附近未見塑性變形，周圍有明顯的腐蝕坑。2#管有多條與軸向基本平行的宏觀裂紋。換熱管內外表面無附著物。分別在1#管上取A、B、C 3塊樣品；在2#管上取D、E兩塊樣品進行分析檢查。

a. 1#管樣(2507)

b. 2#管樣(2205)

2.2化學成分分析

構成材料的主要化學元素含量對材料的性能會產生顯著的影響[1]。采用Spectrolab直讀光譜儀對兩種不同材料的開裂換熱管進行化學成分分析(表1、2)，結果顯示，兩種開裂換熱管的化學成分均符合ASTM A 790的要求。

表1 開裂2507管化學成分與標準值對比 wt%

表2 開裂2205管化學成分與標準值對比 wt%

2.3力學性能測試

在開裂換熱管完好部位處取樣進行力學性能測試，結果見表3、4。可以看出，2507換熱管強度和斷后伸長率均低于標準值；2205換熱管強度、斷后伸長率和硬度均符合標準要求。

表3 開裂2507換熱管力學性能

表4 開裂2205換熱管力學性能

2.4金相分析

對樣品A的徑向和軸向截面進行磨制、拋光和氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后，金相顯微組織如圖2所示。可以看出，徑向截面金相組織為奧氏體+鐵素體，主裂紋由外壁向內壁沿晶擴展，裂紋附近的鐵素體含量平均值為50.2%；軸向截面金相組織沿軋制方向過度拉長變形,可見較密集的晶間微裂紋。在主裂紋上存在次裂紋，且呈樹枝狀分布；裂紋貫穿鐵素體-奧氏體相界；顯微組織未發現有害的第二相。對樣品D軸向截面觀察(圖3)可以看出，金相組織為奧氏體+鐵素體，裂紋呈樹枝狀由外壁向內壁擴展，貫穿奧氏體與鐵素體相界，母材內部未發現晶間微裂紋，組織中未發現有害的第二相。

徑向截面 ×400 軸向截面 ×400

圖2 樣品A顯微組織

圖3 樣品D顯微組織

2.5掃描電子顯微鏡及能譜分析

用掃描電子顯微鏡對樣品B(2507)進行清洗前、后的斷口形貌觀察(圖4)，可見清洗前斷口表面有疏松附著物，清洗后斷口呈現韌性斷裂特征，能譜分析數據顯示樣品B附著物為碳化物，S含量很高。樣品C內外表面觀察到明顯晶間腐蝕形貌(圖5)，晶粒脫落后形成凹坑，能譜分析表明凹坑內Cl-含量很高。樣品E斷口呈現脆性斷裂特征(圖6)，外表面可觀察到明顯晶間腐蝕形態，晶粒脫落后形成凹坑，能譜分析表明凹坑內S、Cl-含量較高。

a. 清洗前 b. 清洗后

a. 內表面 b. 外表面

2.6材料性能對比

2507和2205都屬于雙相不銹鋼，該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點。與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數高、具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕性有明顯提高。Cl-具有應力裂尖及腐蝕坑等處擴散聚集的特性，會導致裂尖鈍化膜的破壞和基體金屬的快速溶解[2]。

a. 斷口 b.外表面

圖6 樣品E表面形貌

3 結束語

2507換熱管母材中存在密集平行于軸向的微裂紋，是形成開裂的主要原因。另外，煤粉對管外壁沖刷磨損、內外表面滯留并不斷濃縮的S、Cl-、加工過程中的殘余應力、換熱管內介質工作時對管壁產生的環向薄膜應力及干燥機開、停車過程中換熱管內外的熱應力等綜合因素導致晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。2205換熱管在濃縮的S、 Cl-環境下產生晶間腐蝕和應力腐蝕開裂。筆者建議選擇2507時改善換熱管的成型工藝，在成分設計中增加Cr、Mo、N元素的含量，并控制環境因素，盡可能減少煤粉中S、Cl-的含量，提高換熱管內蒸汽的品質以降低Cl-的含量。

[1] 盧德銀.螺桿鉆具傳動軸殼體開裂原因分析[J]．金屬熱處理，2003，28(5):57～59．

[2] 趙志農.腐蝕失效分析案例[M].北京：化學工業出版社，2009.