浅析换热管在胀接时开裂的原因

龚道平

（湖南省特种设备检验检测研究院岳阳分院，湖南 岳阳 414000）

2019年6月下旬，在某压力容器制造厂监检时发现：一台换热器的多只换热管（材质为09MnD规格为Φ19*2mm）在进行水压试验时有泄漏现象，经检查初部确认泄漏的部位非焊接部分，而是换热管本身存在质量问题，但换热管本身在入厂已进行水压、涡流及UT检测等各种检测试验。为找出泄漏点，确认泄漏点形成的原因，决定将换热器有泄漏的换热管抽出，对其先进行PT检测，检测发现换热管端部存疑是裂纹的缺陷显示。随后对换热管器进行解剖，发现换热管管壁开裂，裂纹形状为：内表开口大，且向外延伸至穿透（见图1abc），裂纹位置为液囊胀管位置。从而进一步确认该次泄漏是由于换热管产生了裂纹引起的，由此对换热管的化学成分、硬度等进行检测分析，以确认形成裂纹的原因。

1 宏观形貌

三支典型缺陷的样管，照片如图1（a）所示，按图示的部位进行相应的分析。将缺陷解剖放大，如图1（b）所示，缺陷宏观形貌一致，长度3～5cm。将3支样管切开，分别进行成分分析、压扁扩口试验、室温拉伸试验及金相检验，具体如下，试样编号见表1。

图1 宏观照片

表1 试样编号

2 检测分析

2.1 化学成分

采用Spark CCD 6000直读光谱仪对低温用换热管试样进行化学成分分析，其结果如表2所示。可见样管成分均满足采购标准NB/T47019-2011要求。

表2 化学成分（质量分数，%）

2.2 室温拉伸试验

按GB/T228.1-2010要求对所取样管进行室温拉伸试验，结果见表3，可见样管室温拉伸性能均满足采购标准NB/T47019-2011要求，尤其延伸率均大于等于40%，可见其塑性较好。

表3 室温拉伸试验结果

2.3 压扁试验

按GB/T246-2007要求对所取样管进行压扁试验，压扁后平板距离H分别为：11mm，压扁后试样宏观照片见图2所示，可见压扁后样管表面均无裂纹0。结果表明，管材抗纵向开裂和抗环向开裂能力良好，内部及表面无明显缺陷。

图2 换热管压扁后宏观照片

2.4 扩口试验

按GB/T 242-2007对所取样管进行扩口试验，扩口顶芯锥度为60°，外径扩口率为10%，扩口后试样宏观照片见图3所示，可见扩口后样管表面无裂纹。

图3 试样扩口后宏观照片

2.5 硬度测定

为验证管子热处理交货状态，进行了硬度检测，其结果为：173、169和166HBW，符合GB/9948-2013的要求。见图4和表4。

图4 硬度检测试样

表4 硬度检测

2.6 金相组织

在图1（a）中标识位置切取金相试样，横向磨抛后采用5%的硝酸酒精腐蚀，其金相组织如图5所示。由图5可以看出，缺陷均成贯穿性，缺陷及附近基体处的显微组织均正常；显微形貌看，缺陷形貌一致，缺陷均起源于管子内表面，呈开口状，晶粒圆润，表明此处缺陷是管子出厂前就已存在，此处缺陷与管子径向呈约15°夹角，在接近外表面时呈V形，且晶粒出现轻微拉长，晶粒拉长位置见图中标识。

图5 金相试样横向金相组织（40×）

3 结论

综合上述试验分析，可以得出以下结论：

（1）低温换热管的化学成分、室温拉伸性能、硬度检测、压扁扩口试验等均满足采购技术条件NB/T47019-2011要求；且管材本身具有良好的塑性。在进行了压扁实验后得出结论，管材抗纵向开裂和抗环向开裂能力良好，内部及表面无明显缺陷。

（2）上述管子在出厂前就已存在由于晶粒拉长产生的缺陷，在设备制造过程中，因设计要求，换热管与管板要进行强度焊和胀接连接，该缺陷在正常液囊胀压力（120MPa～140MPa）的作用下开裂扩展至贯穿。

（3）不管金属的断裂属于哪种机理，但裂纹的萌生，扩展以及最终的断裂在晶体学中只有两种微观上的基本途径，即穿晶断裂和沿晶断裂。有时也有混合型的。

除金相法外，断口电子显微形貌（扫描电镜，SEM）也可直接对穿晶或沿晶或混合型断裂途径直接做出判断。

断口在扫描电镜中的形貌，一般是韧窝、河流状解理以及准解理花样的断口直接对应的是穿晶断裂；各种岩石状和冰糖状花样对应的是沿径断裂；疲劳辉纹花样对应的也是穿晶途径，高温蠕变断口是沿晶的但高温蠕变疲劳断裂有时则是沿晶界的疲劳辉纹花样。

韧窝花样。韧性断裂中，断口形貌主要是韧窝花样。韧窝深度与夹杂物尺寸和材料优良有关。河流花样。脆性金属材料发生穿晶解理脆断。准解理断口。介于解理与韧窝之间，马氏体回火组织钢，贝氏体组织钢，更多的是在韧性断裂发展到快速撕裂阶段时发生准解理断裂。疲劳条带（疲劳辉纹）。形貌是肉眼可见的贝壳纹或海滩纹，或是轮胎花样压痕。沿晶断口。呈岩石状或冰糖花样，宏观上也呈脆性断裂状。泥状花样。平坦，像开裂的泥土。是应力腐蚀所形成的。技术检测分析之后，然后确定失效形式，确定失效类型，确定失效原因（可考虑设计因素，应力因素，材料因素，制造因素，环境因素等）。

4 措施

（1）控制晶粒大小。晶粒大小对金属的性能有重要影响。常温条件下，晶粒越细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。由于实验表明该次缺陷系晶粒拉长所造成，而晶粒长大的实质是一种晶界的位移，温度、分散相粒子、杂质与微量合金元素都会造成这种位移。为防治此类现象，特提出从下列两点建议来控制晶粒大小：①增大过冷度，增大过冷度可提高晶核形成率与晶核成长率的比值，有利于晶粒细化。②变质处理，加入变质剂（某些合金），造成更多的非自发晶核的固态质点，这样可以在很大程度上增加晶核数目，从而提高形核率来细化晶粒。

（2）选择合适的焊接工艺。在生产过程中，除了应根据产品结构、板厚、性能等基本要求外，由本例看出还应注意分别确定最深、最浅的裂纹位置，根据不同的裂纹深度选择合适的焊接工艺。

（3）在使用改换的换热管前，应当进行上述化学成分分析、室温拉伸试验、压扁试验、扩口试验、硬度测定、金相组织分析等一系列分析检测，根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的前提下，经济正确的选择材料。在确定各项均符合各类标准要求后，方能使用新管。