板壳式换热器金属腐蚀原因分析

张 东，张 红，黄兴德

（上海漕泾热电有限责任公司，上海 201507）

0 引言

上海漕泾热电有限责任公司（以下简称漕泾热电厂）位于上海西南杭州湾北岸的化学工业区内，装备2台300 MW燃气－蒸汽轮机联合循环热电机组，2004年12月投运，除正常发电外，还向化工区客户提供蒸汽和除盐水。

对应4台超滤装置与反渗透设备，加热系统配置了4台伐德鲁斯全焊接型板壳式换热器（以下简称加热器）。

由于超滤膜对运行温度十分敏感，因此在冬季运行时需要加热进水，而在夏季运行时则要停止加热，使得4台加热器长期处于频繁起停状态，金属材料承受的应力非常大，加上加热系统的配置及自动调节系统也存在一些问题，为此于2006年9月趁检修机会，将加热系统改为母管配置，即不管超滤投运几套，4台加热器同时运行，流量平均分配，确保加热器始终处于连续运行状态。

1 加热器发生内漏

2007年1月，加热系统改为母管配置后系统运行十分稳定，但在2008年11月初，发现加热蒸汽疏水侧含盐量急剧上升，从原有的5μS／cm上升至300μS／cm，经过逐台疏水监测，发现4台加热器都存在不同程度的内漏，板壳式加热器的结构示意照片，如图1所示。

图1 板壳式换热器结构

加热器外观如图1（a）所示，外壳为压力容器，壳体材料采用碳钢；内部结构如图1（b）所示，其核心是由圆形波纹换热板片经本体焊接而成的换热板束，换热板片材料采用AISI 316L，上部为加热蒸汽进口，底部为疏水出口。被加热的水流为逆流布置，侧面下部进水，侧面上部出水。加热器在冬季投运，进水温度保持在4～15℃，出水温度保持在20～25℃，加热蒸汽经过减压阀后压力为5 MPa，温度为200℃。

解体加热器后发现，靠近进水侧入口面的大部分换热板束，未见明显的焊缝开裂或腐蚀现象，如图2（a）所示；而在靠近出水侧出口面的众多换热板束，有明显的焊缝开裂和腐蚀现象，如图2（b）所示。

图2 圆形波纹换热板表面

2 加热器焊缝开裂及腐蚀原因

2.1 波纹换热板材质分析

利用场发射扫描电子显微镜（XL30FEG），对加热器损坏脱落的换热板进行微区高分辨二维形貌观察，分析不锈钢换热器失效材料的化学成分、显微组织、腐蚀产物的成分和裂纹形貌等，并使用射线能谱仪（EDX）对感兴趣的区域进行微区组分和元素分布扫描。

微区组分和元素分布扫描结果为：Mn标准为2.00，实测为2.03；Si标准为1.00，实测为0.6；Cr标准为16.0～18.0，实测为17.4；Ni标准为10.0～14.0，实测为9.98；Mo标准为2.0～3.0，实测为2.32；Fe标准为基体，实测为67.6。测定结果材料为TP 316L。

2.2 裂纹分布及起源分析

取多个破损脱落的换热板片观察，发现破损开裂处主要分布在板片的焊接处，裂纹均较粗，较少分支性的微裂纹；横裂纹主要分布在焊接边缘区域，纵向裂纹主要起源于焊接边缘区域，沿裂纹起点及走向观察，存在较少明显的点蚀坑，如图3所示。

图3 裂纹主要分布在板片的焊接处

用电子显微镜对碳化物形貌进行分析，表明危险区退火后，沿晶界析出大量树枝状碳化物薄片，形成连续的链状。提高退火温度，扩散会加快，晶间腐蚀倾向会增大，晶界结构变化与回火时间的关系如图4所示。

图4 晶界结构变化与回火时间的关系

焊缝腐蚀是晶界腐蚀的一种特殊形态，由焊接引起，发生在离焊缝稍有距离的母材上，腐蚀区呈带状。不锈钢容易发生焊缝腐蚀，主要是焊接时不锈钢的受热温度在其敏化温度范围内，晶界生成（Fe、Cr）23C6沉淀而引起的。

2.3 失效区域的沉积物分析

取破损脱落的换热板片对裂纹和撕裂部位进行微观形貌观察，发现沉积物部位银色闪亮的物质不是沉积物，而是暴露的FeCr O晶体，如图5所示。

FeCr O晶体元素分析结果：O为29.17%，Na为0.63%，Mg为1.00%，Al为0.64%，Si为1.16%，P为1.46%，S为0.61%，Cl为0.61%，Ca为5.45%，Cr为26.68%，Fe为22.63%，Ni为3.14%。

撕裂部位沉积物较少，如图6所示。沉积物元素分析结果：O为75.11%，Na为5.93%，Mg为 2.15%，Al为3.41%，Si为3.15%，P为2.91%，S为0.81%，Cl为0.70%，Ca为5.84%。沉积物元素分析结果表明，不存在明显的氯离子、硫酸根离子的浓缩，沉积元素基本与原水水质相符。

图5 撕裂部位暴露的FeCrO晶体

图6 撕裂部位沉积物较少

2.4 汽水两侧沉积物及点蚀分析

取破损脱落的换热板片，对裂纹走向、撕裂部位和汽水两侧表面进行点蚀情况的形貌分析和微观观察，水侧表面有大量较浅的点蚀坑存在，如图7所示。少量发源于点蚀坑的裂纹，裂纹较短，尚处于孕育阶段。取3个沉积物样本，元素分析结果如下。

沉积物样本A元素分析结果：O为71.03%，Na为2.56%，Mg为2.33%，Al为1.04%，Si为3.72%，P为2.17%，S为2.28%，Cl为3.22%，Ca为11.65%。

沉积物样本B元素分析结果：O为76.29%，Na为2.56%，Mg为2.33%，Al为1.19%，Si为5.11%，P为2.56%，S为6.37%，Cl为2.85%，Ca为5.62%。

沉积物本C元素分析结果：O为37.07%，Na为0.65%，Mg为2.88%，Al为2.47%，Si为1.30%，P为1.51%，S为0.96%，Cl为0.94%，Ca为0.94%，Cr为19.34%，Fe为4.16%，Ni为 8.22%。

沉积物元素分析结果表明，不存在明显的氯离子、硫酸根离子的浓缩，沉积元素基本与原水水质相符。

图7 伴随裂纹的点蚀坑分析

工作环境温度为175℃，氯离子为400 mg／L时诱发不锈钢应力腐蚀开裂特征，如图8所示。从这个典型案例来看，裂纹呈树枝状，主裂纹似树干，许多分叉裂纹形成树枝。由氯离子诱发的不锈钢应力腐蚀开裂现象，必须具备应力、溶解氧、氯离子和温度4个要素，只有氯离子与一定温度的协同作用，才会产生初始的点蚀现象。

对于加热器316L不锈钢管束而言，汽水两侧温度必须超过50℃，加上氯离子诱发，才可能发生应力腐蚀开裂现象。而加热器泄漏之前的进水温度保持在4～15℃，出水温度保持在20～25℃，氯离子含量为100～200 mg／L。因此，在现有工作温度条件下，316L不锈钢管束应力腐蚀开裂的风险较小。

图8 氯离子诱发的应力腐蚀开裂特征

4 加热器失效分析结论

通过对加热器的运行分析及对金属成分的检测，结论如下：

1）换热板材中Cr、Ni、Mn、Mo等主要成分，基本符合316L不锈钢的标准。

2）在加热器泄漏之前，水侧温度为25℃，明显低于不锈钢应力腐蚀开裂现象的阀值温度（50℃）；参照温度较为接近的国标工业循环冷却水处理设计规范（GB 50050—95）要求，不锈钢换热设备，氯离子要求低于700 mg／L，SO2－4＋Cl－≤2500 mg／L。目前原水氯离子含量为100～200 mg／L，在现有温度条件下，316L不锈钢应力腐蚀开裂的风险较小。

3）浅表性的点蚀坑说明水质存在轻微的点蚀趋势，具有氯离子腐蚀特征。而在焊接区域和应力裂纹存在的情况下，设备停用期间氯离子、湿度、溶解氧的联合腐蚀加速了不锈钢的失效进程，也是原因之一，但不是主要原因（这符合设备失效前具有较长周期停运的实际情况）。

4）裂纹主要分布在焊接区域，点蚀坑较浅，不是裂纹的发源地，属于典型的不锈钢晶界腐蚀中的焊缝腐蚀，说明加热器成品在焊接工艺上存在强度薄弱点，也是加热器最早破损点。

5）加热器水侧温度为5～25℃，汽侧温度为200℃左右，温差引起的热应力较大。尤其是加热器投运初期，由于加热器和超滤设备呈对应关系，超滤设备实施“运行过滤—反洗—运行过滤”方式，导致加热器频繁启停，热应力冲击较大。特别是在蒸汽的进口处，热应力最为集中，加快了换热板的破损。

5 后期运行情况

目前，化水加热系统常用的加热器大多采用进口设备，焊接工艺造成焊缝腐蚀不受控制，通过全衡对比后，最终采用阿法拉伐全焊式加热器CP30-V，其优点：一是，热交换板材选用SMo245，对比316L的抗氯离子浓度更高；二是，在结构上去除了在超滤系统运行时，工业水过热汽化可能储存空间，避免了因气蚀发生水锤冲击；三是，通过控制超滤产水箱水位，避免应高高水位造成超滤系统全停，稳定蒸汽进汽量的限值。

新的加热器于2008年11月投运至今，加热器单台冷凝水排水电导检测始终在5.7μS／cm以下，没有发生换热板材损坏现象。