板式換熱器腐蝕與防護技術簡析

端木偉峰，李 海

（青海鹽湖鎂業有限公司，青海 格爾木 816099）

板式換熱器因其結構緊湊、維護方便、傳熱效率高等優點，廣泛應用于乳制品、食品加工、化工、熱電聯產、中央冷卻系統等領域。瓦楞奧氏體不銹鋼是板材的關鍵組成部分，由于暴露在惡劣的環境條件下，板材會遭受各種各樣的降解機制。

近年來，我國供熱熱電廠大量使用的公用電力設備發生內部泄漏，嚴重威脅著熱電廠的安全和經濟運行。根據現有的研究，板材的局部腐蝕，包括局部開裂和穿孔，是板材內部泄漏的主要原因。由于冷加工引起的高殘余應力，304型ASS板在板與墊片之間的冷卻水側裂縫處容易產生應力腐蝕裂縫。應力腐蝕開裂的進一步研究表明，縫隙中氯離子的堆積是應力腐蝕開裂過程中的關鍵因素。

我國電力系統技術監督由于參與電力生產而得到廣泛開展，實現了全方位、全過程的協調。采用技術監督可以避免故障分析的片面性。本文對某熱電廠內泄漏的板式換熱器進行了失效分析。分析了設計、施工、運行和維護中可能出現的原因。

1 實驗設計

1.1 材料和方法

本文采用板式換熱器對某電廠供熱系統的高溫熱水與城市供熱網絡的低溫熱水進行換熱。按照設計，失效的鋼板預計可以使用30年，但實際上只使用了5年。為了找出某公司生產的316L厚板穿孔的原因，采用了以下調查方法。

（1）對失效板進行宏觀檢查。

（2）對板材進行化學成分、尺寸、硬度、顯微組織和x射線衍射分析。

（3）失效鋼板穿孔的顯微檢查。

（4）水質，包括電導率、氯含量、總硬度。

1.2 實驗結果分析

雖然在板的兩側可以觀察到穿孔，但在外觀和分布上的差異是明顯的。在LTHW一側，穿孔是規則地分布在交叉接觸點之間的相鄰板的之字形峰值和擁有屬性形狀。此外，還觀察到碗狀凹坑，但其大小較小。在高溫高壓側的相應位置，即波紋板的凹陷處，大多可以觀察到穿孔。在高溫高壓側沒有發現碗狀的坑。在上述結果的基礎上，得出結論，射孔是在長四角錐面的曲折接觸中發生的。另一點值得注意的是，在中央控制點上沒有發現污垢，但它在周圍區域。這就是在這些地方煩躁不安的證據。

316L ASS波紋板的質量監測結果顯示：失效的樣品符合NB/T47004標準。通過測試，確定了破壞板的幾何參數符合設計要求。進一步在波紋板的不同位置進行了維氏硬度試驗，試驗結果表明，用該方法制備的鋼板表面的維氏硬度值在260 HV~300 HV之間，達到270 HV。顯然，失效板的維氏硬度遠遠超過GBT 3280-2015標準(220 HV)。由于使用溫度和應力較低，破損鋼板硬度較高的潛在原因可以排除在使用過程中的應變強化。結果表明，高硬度是由于加工工藝的影響，但其確切原因需要進行顯微組織檢驗才能確定。

之后對失效板進行了微觀結構檢驗。結果顯示兩種失效板組織均為典型的奧氏體擁有屬性，晶粒尺寸為6-8。腐蝕產物明顯，但無微小裂紋觀察坑。通過奧氏體晶粒和孿晶界的滑移帶普遍存在。眾所周知，孿生和滑移帶現象需要很高的應力水平，這可能是板材微觀結構中殘余應力和/或施加應力較高的塑性變形。根據板材制造商的數據，波紋板是由ASS板材在室溫下冷加工而成，無須按NB/t 47004的要求進行后熱處理。

在前期觀察的基礎上，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜儀(EDS)，進一步觀察了失效板的凹坑。兩個樣品板的凹坑特征為碗狀形狀。高倍鏡檢查顯示，在“碗”的底部沒有發現裂縫(既不是沿晶也不是穿晶)。EDS分析表明，腐蝕產物中含有大量的Cl-，這對ASS的局部耐蝕性是致命的。

采用x射線衍射(XRD)分析方法對同一平板中的鋸齒形峰面積和平面面積的樣品進行了分析。鋸齒形峰區存在馬氏體相，馬氏體對316L鋼的耐蝕性有不利影響。對于無鈮亞穩奧氏體擁有屬性ASS 316L，馬氏體可能是在波紋板制造過程中形變誘發的。這將對奧氏體穩定性和耐蝕性產生不利影響。

對板式換熱器的水合物質量進行深入分析，高溫高壓水合物的質量符合標準，而低溫高壓水合物的氯含量和總硬度均不合格。從熱電廠的經驗來看，氫氧化鈉具有高溫高壓的耐腐蝕性能。在目前情況下，長三角水電站的水質明顯低于高四角水電站，這是我國其他熱電廠普遍存在的現象。長期水量通常遠遠大于長期水量，這增加了水質控制的難度和成本。

2 板式換熱器故障原因以及解決方式分析

2.1 失效類型分析

由于在泄漏位置周圍沒有觀察到穿晶或穿晶裂紋，所以應力腐蝕和焊縫銹蝕裂紋都被排除在內部泄漏的可能原因列表之外，它們都是擁有屬性裂紋。失效鋼板的滲漏均為穿孔，腐蝕產物中觀察到Cl-。根據經驗推斷，射孔是由局部腐蝕引起的。正如其他類似事故的報道一樣，最初認為是坑蝕造成的。然而，在典型的現場條件下，孔蝕通常是較少的無定形孔洞的形狀，這是完全不同于在這種情況下的觀察。此外，穿孔出現在恒定的位置在這項工作。此外，在破壞板的穿孔位置同時滿足微動和縫隙腐蝕的要求條件，這兩者都可能在某些條件下誘發穿孔。因此，本研究中的穿孔可能是由點蝕、微動和縫隙腐蝕組合引起的。

相鄰波紋板的鋸齒峰之間形成裂縫，促進了氯離子的積累。由于高溫高壓比低溫高壓高得多，板材受到從高溫高壓側到低溫高壓側的彎曲應力，低溫高壓側的連續彎曲變形受到水壓變化的影響。微動損傷破壞了316L低溫側的鈍化膜，其中點蝕優先發生。由于氯離子在裂隙中的積累，使點蝕起始時間縮短。在腐蝕坑形成的早期，腐蝕產物不斷剝離，導致高濃度的氯離子與316L基質直接接觸。隨后，腐蝕坑沿表面和深度方向生長。凹坑沿著表面生長得更快，并得到了點蝕、微動和縫隙腐蝕的幫助，而在深度方向，則得到了點蝕和縫隙腐蝕的幫助。這也許可以解釋為什么所有的擁有屬性都呈碗狀。高溫高壓水中的氯化物是可以接受的，而長溫高壓水中的氯化物存在問題，遠遠超過標準值。

2.2 導致板式換熱器失效的原因分析

首先在設計方面，ASS 316L波紋板在使用條件和尺寸方面符合要求。然而，在沒有墊圈和水側壓差的鋸齒形峰值接觸同時產生微動磨損和縫隙腐蝕，在本工作中發現所有的微動磨損都發生在這種位置。這似乎是一個設計缺陷，這是一個關鍵因素在有利的位置的穿孔和在點蝕啟動時間。

其次，制造工藝方面，通過分析得出：失效的316L鋼板擁有屬性硬度很高。然而，高硬度并不意味著高水平的殘余應力，這有利于點蝕形成的拉伸狀態。這項工作中的非常高的硬度是由應變強化效應而不是由拉伸殘余應力引起的。殘余應力不僅使硬度發生變化，而且使XRD譜峰發生位移。拉伸殘余應力在鋸齒形峰值處是有限的。證據之一是曲折峰與曲折谷之間的硬度無顯著差異，另一個證據是在曲折峰與平面之間沒有觀察到峰移動。相應地，拉伸殘余應力對孔蝕的影響是有限的。這一點也得到了證實，在鋸齒形峰上沒有觀察到穿孔，殘余應力和CCPs處于同一水平。因此，材料質量差并不是導致板材穿孔失效的關鍵因素。

在上述討論的基礎上，得出結論：板式換熱器設計階段的錯誤對穿孔的有利位置起著至關重要的作用，而高含量的Cl-是造成板式換熱器穿孔嚴重的主要原因。

2.3 消除板式換熱器腐蝕故障的措施分析

根據目前工作中的穿孔機理，建議采取以下處理辦法消除這些穿孔:

首先，低溫水中高含量的氯離子應通過配水控制在標準線以下。灌裝用水至少要比一級反滲透用水好。通過添加氧化皮和緩蝕劑，LTHW的總硬度也應該降低。較高的總硬度與ASS中的穿孔無關，但可能導致結垢。剝離污垢堵塞了流道，導致板式換熱器效率急劇下降。

其次，當長時間高溫高壓壓力控制在同一水平時，中央對接板的微動應得到抑制，且不會產生明顯的波動。在夏季非取暖期間，板式換熱器應停止維修。由于點蝕開始于鈍化膜的局部擊穿，可以進行再鈍化處理以修復局部損傷的鈍化膜。我公司正在研究具體的工藝參數。

3 小結

綜上，對某熱電廠板式換熱器316L板的內泄漏進行了綜合失效分析。根據試驗結果得出結論：

（1）內泄漏是由于板材低溫熱水側鋸齒形峰值接觸處的穿孔引起的。

（2）孔蝕、縫隙腐蝕和微動在形成過程中協同作用。

（3）板式換熱器設計階段的誤差是影響射孔有利部位的關鍵因素，低溫熱水中高含氯量是造成板式換熱器射孔嚴重的主要原因。