翁詩源*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院寧德分院）

0 引言

管殼式換熱器是一種常用的換熱設(shè)備，利用管程和殼程的溫度差進行熱量交換。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管程部分結(jié)構(gòu)相對簡單而且其內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)易于控制，但是殼程介質(zhì)流動狀態(tài)復(fù)雜且對容器內(nèi)壁造成的沖刷情況難以預(yù)測[1]。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和的內(nèi)部介質(zhì)多樣，會使管殼式換熱器產(chǎn)生各種不同類型的缺陷[2]。

在對某企業(yè)的管殼式換熱器進行定期檢驗時發(fā)現(xiàn)，同一生產(chǎn)線的一批設(shè)備均存在不同程度的泄漏情況。該企業(yè)對殼程介質(zhì)的純度要求較高，從生產(chǎn)工藝和設(shè)備安全的角度來說，分析其泄漏的原因主尤為重要。因此，通過多種理化檢測方法對缺陷部位進行了分析測試，探究泄漏的原因，防止事故再次發(fā)生。

1 設(shè)備概況

該設(shè)備的管程材料為奧氏體不銹鋼材料（06Cr19Ni10），殼程材料為合金鋼16MnR（Q345），同一生產(chǎn)線中共有8臺設(shè)備，在定期檢驗時，對換熱器進行抽芯檢驗，發(fā)現(xiàn)其中6臺的管程部位存在泄漏情況。換熱器具體參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器參數(shù)及使用環(huán)境

2 測試分析

產(chǎn)生泄漏的部位位于管程，其材料為不銹鋼。對泄漏部位進行割管檢查，樣品如圖1所示。其外表面光滑圓整，內(nèi)表面有一層黃褐色附著物，內(nèi)外表面無肉眼可見的腐蝕坑類的形貌，管道截面無明顯減薄現(xiàn)象，用游標卡尺對壁厚進行測定后可知，其壁厚約為3.5 mm。

圖1 缺陷部位割管樣品

2.1 光譜分析

因割管樣品未見大面積的腐蝕減薄，而且其材料是不銹鋼，內(nèi)部介質(zhì)是水，因此，從缺陷表觀推測，該缺陷可能是由點蝕和晶間腐蝕引起的。因此先對樣品進行光譜分析，從而了解其材料的化學(xué)成分。通過光譜分析儀，對選取兩個不同部位的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果可見表2。

表2 樣品光譜分析結(jié)果表（質(zhì)量分數(shù)） %

查閱該設(shè)備的出廠資料，該設(shè)備的管程材料是根據(jù)GB/T 12771—2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》標準要求來選取的。對比表2和GB/T 12771—2008標準中對06Cr19Ni10的材料成分要求，上述檢測結(jié)果均符合標準要求。由此表明，該設(shè)備制造時，所選材料符合相關(guān)標準的要求。

2.2 金相檢驗

采用 GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的不銹鋼10%草酸浸蝕試驗方法，對圖2中管道泄漏孔位置的內(nèi)外壁進行打磨、拋光和腐蝕，圖3和圖4分別為漏點內(nèi)壁和外壁不同倍率時的金相顯示。

圖2 管道內(nèi)外壁金相檢驗區(qū)

圖3 泄漏點內(nèi)壁金相圖

圖4 泄漏點外壁金相圖

從圖3和圖4可以看出，泄漏點內(nèi)壁晶間腐蝕嚴重，為三類溝狀組織，晶粒被腐蝕溝包圍；外壁泄漏點晶間腐蝕為三類溝狀組織，晶粒被腐蝕溝包圍，外壁未泄漏部分未見晶間腐蝕。

2.3 掃描電鏡和能譜分析

本次分析時選取了具有代表意義的5個位置進行掃描電鏡分析，分別為管道內(nèi)壁的區(qū)域1，區(qū)域2，區(qū)域3，管道截面區(qū)域4，管道外壁區(qū)域5（如圖5所示）。

圖5 分析區(qū)域示意圖

對上述取樣部位采用蔡司（ZEISS）EVO18 掃描電鏡和牛津（OXFORD）X-MaxN50 能譜儀進行描電鏡能譜分析，結(jié)果如下：

（1）管壁內(nèi)表面區(qū)域 1

局部位置可觀察到晶粒狀組織，晶界開裂且相互勾連。能譜分析表明晶粒上 Cr 元素的平均質(zhì)量分數(shù)為 19.14%，遠高于晶界處的 9.66%；晶粒上Ni元素的平均質(zhì)量分數(shù)為 7.5%，高于晶界處的 5.16%； O元素在晶界處的平均質(zhì)量分數(shù)為 19.11%，且其主要富集在晶界處。

（2）管壁內(nèi)表面區(qū)域 2

局部位置觀察到晶粒狀組織，與區(qū)域 1 觀察到的結(jié)果類似，部分晶界交匯處存在較大腐蝕坑；能譜分析結(jié)果表明 Cr 元素在晶粒上的平均質(zhì)量分數(shù)為 19.2%，遠高于晶界處的 5.01%；Ni 元素在晶粒上的質(zhì)量分數(shù)為 7.09%，高于晶界處的 4.35%；O元素則主要在晶界富集，其在晶界處的質(zhì)量分數(shù)為26.26%。

（3）管壁內(nèi)表面區(qū)域 3（靠近焊縫）

局部位置可觀察到大量的“長梭”狀組織，其邊界線附近有大量的點蝕坑，而且部分邊界線開裂較大，能譜分析結(jié)果表明 Cr 元素在邊界開裂處的質(zhì)量分數(shù)明顯偏低，O素主要富集在邊界處，這與區(qū)域 1和區(qū)域 2 的觀察結(jié)果一致。

（4）管壁橫截面區(qū)域4

在靠近管內(nèi)壁的局部位置可觀察到周向裂紋以及與管壁垂直的橫向開裂；在截面的中部位置觀察到河流狀的微裂紋，走向不規(guī)則，端部存在分叉，并且部分裂紋呈閉合狀；局部位置觀察到不規(guī)則的、相互串聯(lián)的曲線狀異常組織，部分較大的異常組織呈條塊狀，能譜分析結(jié)果表明，異常組織處的 Cr，O 和 Mn元素平均質(zhì)量分數(shù)分別為 39.11%，23.22%和 8.00%，明顯高于正常組織，而Ni元素的平均質(zhì)量分數(shù)為2.22%，低于正常組織中的 7.99%。

（5）管壁外表面區(qū)域5

局部位置觀察到表面破口，破口形狀不規(guī)則，其附近無異常組織，破口內(nèi)部較深且相互貫通；破口處的能譜分析表明，Cr 和 Ni 元素在破口處的平均質(zhì)量分數(shù)為 3.15%和 3.79%，低于正常組織處的19.17%和 7.79%，O元素在破口處的平均質(zhì)量分數(shù)為 30.96%。

2.4 電鏡斷口分析

在管子內(nèi)壁沿軸線方向切割一個約1.5 mm的U型缺口，在管壁外表面通過錘擊使樣品從U型缺口處裂開，如圖6所示。

圖6 管壁斷口處宏觀形貌

如圖7所示，斷面1位于為管壁的初始斷口上，斷面 2 位于管壁的最終斷口上，圖8和圖9分別為斷面 1 和斷面 2 的不同倍率的電鏡照片。

圖7 斷面的選取情況

圖8 斷面1的斷口電鏡圖像

圖9 斷面2的斷口電鏡圖像

電鏡斷口分析結(jié)果如下：如圖8 a） 所示，斷面 1處的斷口相對平整，但微觀形貌呈河流花樣或舌狀花樣，存在明顯的撕裂棱如圖8 a）和圖8 b）所示，在高倍圖像中可觀察到微型韌窩如圖8 c）和圖8 d）所示，呈準解離斷裂特征。如圖9所示，斷面 2 處的端口整體不規(guī)則圖9 a）和圖9 b）所示，可觀察到大量的韌窩，且呈韌性斷裂特征，如圖9 c）和圖9 d）所示。由此可見，靠近管子內(nèi)壁的斷口為準解離斷裂，靠近管道外壁的斷口為韌性斷裂。

3 結(jié)論

對發(fā)現(xiàn)泄漏的管殼式換熱器的泄漏部位進行采樣分析，通過宏觀檢查、壁厚測量、光譜分析、金相分析、電鏡能譜分析和斷口分析手段，可以得到以下結(jié)論：（1）管道無明顯的腐蝕減薄現(xiàn)象,化學(xué)成分符合相關(guān)標準對06Cr19Ni10的要求；（2）管道泄漏點處內(nèi)壁晶間腐蝕嚴重,外壁泄漏點處有晶間腐蝕但泄漏點以外部分未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕；（3）管道內(nèi)壁晶界變寬、呈網(wǎng)格狀,晶界處 Cr元素損失嚴重,O元素富集；（4）管壁橫截面上發(fā)現(xiàn)周向裂紋、橫向開裂以及較多的河流狀的微裂紋,微裂紋端部存在分叉,部分呈閉合狀；（5）管壁內(nèi)側(cè)斷口為準解離斷口,外側(cè)斷口為韌性斷口。

對殘留在管程內(nèi)的介質(zhì)進行元素分析，發(fā)現(xiàn)其氯離子質(zhì)量含量達到570 mg/L,因此綜合上述理化檢測的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：該設(shè)備管程介質(zhì)中含有氯離子，使不銹鋼管內(nèi)壁發(fā)生嚴重晶間腐蝕,符合GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》中“敏化-晶間腐蝕”的損傷特征,該缺陷屬于氯化物應(yīng)力腐蝕開裂[3]。