换热器板片失效原因分析

齐红梅，俄 馨，史 伟，杨 莉，雍红团华

(兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314)

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器，板片做为板式换热器的重要组成部分，各种板片之间形成薄矩形通道，专门用来隔离介质和进行热交换[1]。某公司生产的一台板式换热器，在服役约5个月后发现介质串液现象。该换热器板片所采用材质为C-276哈氏合金，板厚δ=0.5 mm。板式换热器的热侧介质为冷凝水(157 ℃)，冷侧介质为质量分数39%的纯碱(106 ℃)。该台板式换热器共计使用40张波纹型板片，其中有27张板片失效，失效板片表面均发生层状剥落甚至穿透的现象(图1)。换热器运行过程中，进水口和出水口压力仪表显示正常，压降未发现异常。设备运行期间曾停车约2个月，且停车后并未把换热器中的介质排空并清洗。为查找造成该换热器失效原因，对拆卸后的部分板片进行了相关的检测与分析。

1 理化检测

1.1化学成分分析

在板片出水口附近取样，对其进行化学成分分析(表1)，结果符合ASTM B575—06《低碳镍铬钼、低碳镍铬钼铜、低碳镍铬钼钽及低碳镍铬钼钨合金板材标准规范》对C-276哈氏合金化学成分的要求。

(a) 冷侧；(b) 热侧图1 换热器板片形貌(a)cold side; (b)hot sideFig.1 Morphology of plate in heat exchanger

元素MoCrFeWCoCSiMnVSPNi 检测值 16.3515.184.313.721.080.010.020.490.020.0030.00558.22 标准值15.0～17.014.～16.54.0～7.03.0～4.5≤2.5≤0.010≤0.08≤1.0≤0.35≤0.03≤0.04余量

1.2宏观检验

对失效板片进行宏观检验发现：在板片的热侧(介质为冷凝水的一侧)发生部分表面层状剥落现象，见图2(a)、2(b)；且距离进水口越近处发生剥落现象越严重，剥落层厚度也随之增加，在进水口附近随着表层层状物质剥落，发现板片局部已有穿孔现象，见图2(c)；而该侧出水口侧的板片未发现剥落现象且表面仍具有金属光泽，见图2(d)，同时冷凝水侧密封垫无破损。对板片冷侧(介质为纯碱的一侧)清洗后观察，在该板片的冷侧表面未发现腐蚀或氧化的异常现象，见图2(e)。

1.3金相检验

分别在板片的进水口和出水口附近取样进行金相检验。显微组织均为γ相，见图3(a)、图3(b)，其晶粒度均为6.0级，未发现引起板片失效的异常组织或明显的析出相以及过高的夹杂物级别。

(a)热侧进水口附近层状剥落现象；(b)热侧进水口附近层状剥落现象；(c)板片局部穿透；(d)热侧出水口；(e)冷侧(介质为纯碱的一侧)图2 换热板片宏观照片(a) laminlar spalling near inlet of hot side; (b) laminlar spalling near inlet of hot side; (c) local penetration of plate; (d)outlet of hot side;(e)cold side (side of pure alkali)Fig.2 Macroscopic photos of plate in heat exchange

1.4SEM分析

在冷凝水侧进水口附近取层状剥落物质试样进行微观形貌分析，在板片表面进水口板片表面存在大量氧化产物，表明发生了严重的腐蚀或氧化，见图4(a)；在板片出水口位置表面形貌平整，系正常板片金属表面，见图4(b)。并在层状剥落物质最表面局部位置存在开裂的现象，见图4(a)，开裂具有穿晶和沿晶走向的混合特征。

(a)出水口附近；(b)进水口附近图3 金相检验(a) near water outlet; (b) near water inletFig.3 Metallographic examination

(a)层状剥落物质；(b)正常板片表面图4 微观形貌分析(a) material of laminlar spalling; (b)normal surface of plateFig.4 micro morphology analysis

1.5EDS分析

对进水口附近的板片表面层状剥落物质进行EDS分析，测试时随机选取了10点，将具有代表性的两处进行了分析(分别标记为谱图1处、谱图3处)。发现板片表面的层状物质中主要含有大量的Ni、O两种元素，见图5、表2、表3，表面层状物质中未发现Cl、S等元素的存在。

1.6XRD分析

对板片表面层状剥落物质做XRD分析，其中谱线中的衍射峰主要是镍和镍的氧化物的特征峰，而部分镍的氧化物特征峰与镍的特征峰重合。结果表明该物质由镍及一些氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)组成，见图6。

1.7冷凝水试验

取冷凝水进行分析，该冷凝水系客户提供的换热器正常服役时用的冷凝水，并非从失效换热器现场采集。对冷凝水进行氯离子浓度检测(表4)，冷凝水中的氯离子含量为425.44 ppm。取冷凝水进行板片浸蚀失重测试，在出水口附近取2片试样，将冷凝水加热至80 ℃后进行浸泡试验(表5)，每周期试验时间为48 h，两周期后试样表面保持金属光泽，未发现腐蚀现象，第一周期后失重量仅为0.0001 g，系板片表面污染物失重，第二周期失重量为0 g。

图5 层状剥落物质EDS分析Fig.5 EDS analysis for material of laminlar spalling

表2 谱图1处层状剥落物质EDS分析结果

表3 谱图3处层状剥落物质EDS分析结果

表4 水质分析结果

表5 浸蚀失重测试试验结果

图6 板片表面层状剥落物质的XRD谱Fig.6 XRD spectrum for material of laminlar spalling on surface of plate

2 分析与讨论

对失效板片进行宏观检测发现板片的热侧(介质为冷凝水的一侧)发生部分表面层状剥落现象，且距离进水口越近处发生剥落现象越严重，剥落层厚度也随之增加，在进水口附近随着表层层状物质剥落，发现板片局部已有穿孔现象，见图2(c)；而热侧出水口侧的板片未发现剥落现象且表面仍具有金属光泽，图2(d)。板片冷侧(介质为纯碱的一侧)表面未发现腐蚀或氧化的异常现象，图2(e)。说明板片在冷凝水侧发生了不均匀的氧化或腐蚀，而越靠近进水口该现象越严重，表明发生腐蚀时冷凝水循环不畅通，越靠近进水口处氧化或腐蚀的特征越明显。

对出水口板片取样进行化学分析结果表明，板片成分符合相关标准的要求。进水口(层状剥落部位)和出水口(正常部位处)取样检测，未发现足以引起板片失效的异常组织或明显的析出相以及过高的夹杂物级别。

对冷凝水侧进水口附近层状剥落物质进行微观形貌分析,在板片进水口板片表面存在大量氧化产物，表明发生了严重的腐蚀或氧化，见图4(a)；在板片出水口位置表面形貌平整，系正常板片金属表面，见图4(b)；在层状剥落物质最表面局部位置存在开裂的现象，见图4(c)，开裂具有穿晶和沿晶走向的混合特征。

对进水口附近的层状剥落物质进行EDS分析，其中主要含有大量的Ni、O两种元素，未发现氯、硫等元素的存在。对板片表面层状剥落物质进行XRD分析的结果说明，该层状剥落物质中除基体镍以外，由一定量镍的氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)所组成。分析冷凝水的水质，氯离子含量为425.44 ppm，该含量不会造成哈氏合金发生腐蚀[2]，且氯离子主要造成点腐蚀[3-4]，宏观检测未发现点腐蚀特征。取冷凝水进行板片浸蚀试验，结果表明该板片在冷凝水中浸泡后未发现腐蚀现象。

综上所述，金相检测、化学成分分析结果均符合技术及标准要求，水质分析结果表明冷凝水不足以引起板片失效。换热器制造时所选用材质符合要求，正常使用的冷凝水不会造成板片失效。

冷凝水侧发生了不均匀的氧化或腐蚀，而越靠近进水口该现象越严重，而冷侧无异常，说明板片失效源于热侧(冷凝水侧)，因此对热侧发生氧化或腐蚀的剥落物质进行形貌分析、EDS和XRD分析。对板片热侧剥落物做形貌分析可以发现板片表面发生了严重的氧化或腐蚀，进一步取样对剥落物质做EDS分析，发现该剥落物质主要含Ni和O元素，说明板片表面在一定条件下发生了氧化现象。为了明确剥落物质中具体的物相，对其做XRD分析，确定剥落物质除了Ni外，由一定量镍的氧化物NiO2、Ni2O3、NiO(OH)所构成。当板片拆卸下来干燥后，Ni(OH)2又转变为不完全脱水产物NiO(OH)[5]，其结果与EDS和XRD分析结果一致。宏观检测发现冷凝水侧密封垫无破损，且正常运行时，未发现压降异常，说明该换热器在正常服役过程中，冷凝水循环通畅。

经上述分析结果可认为该成型板片失效系客户在设备停车时发生，停车后未按照要求将换热器中的介质排空并清洗，一方面在停车后换热器热侧存在未循环的冷凝水，另一方面某种强氧化性物质误混入到冷凝水中，由于冷凝水未循环，导致进水口侧强氧化性介质的浓度过高，在一定条件下，造成冷凝水进口侧发生氧化，且越靠近进水口侧，氧化越严重，从而导致板片穿孔失效[6]。由于无法提供换热器失效时该部位的冷凝水以供检测，故难以对混入物质给予定性分析。

3 结论及建议

造成该板式换热器板片失效的原因是：设备在停车后未按照要求将换热器中的介质排空并清洗，且某种强氧化性物质混入到冷凝水中，由于冷凝水未循环，导致进水口侧氧化性物质的浓度过高，冷凝水进口侧发生氧化，最终造成板片失效。建议板式换热器在停车后，要按照要求将换热器中的介质排空并进行清洗；在板式换热器发生泄露后，要注意收集换热器中当时的运行介质以供分析。