冷油器换热片穿孔泄漏原因分析
2021-06-18张雪超张志浩
张雪超，程 璐，张 涛，云 峰，张志浩
(1.内蒙古电力(集团)有限责任公司，呼和浩特010020;2.呼和浩特供电局，呼和浩特 010020)
0 引 言
奥氏体不锈钢具有较好的耐腐蚀性能和抗氧化性能，常将其用在换热片、油管路等腐蚀性较强的环境下。但由于其对氯化物具有腐蚀敏感性，在应力的作用下产生应力腐蚀。目前对奥氏体不锈钢的晶间腐蚀机理的研究已经成熟，采取有效的防护措施，遏制奥氏体不锈钢腐蚀，能够有效提高设备的使用寿命。
某电站小汽轮机在运行过程中，润滑油冷油器换热片发生穿孔泄漏。该冷油器已累计运行32 000 h。送检的试样为发生穿孔泄露的小汽轮机润滑油冷油器换热片4片，厚度均为0.5 mm，材质为316L不锈钢，其中1号试样发生穿孔泄露，3号试样表面存在腐蚀坑。为确定换热片发生泄漏的原因，防止同类失效再次发生，此文对换热片泄漏原因进行了综合分析。
1 检验方法与试验分析
1.1 宏观形貌观察与分析
对穿孔泄漏的冷油器换热片进行宏观形貌检察。可以看出，换热片上有一处长约4 mm较大坑槽已彻底穿孔，孔径小于1 mm，如图1所示。
1.2 化学成分检测与分析
按照GB/T 11170—2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》[1]要求，使用SPECZROMAXx型台式直读光谱仪对穿孔泄漏换热片取样进行化学成分分析，以确定其化学成份是否符合标准的要求，结果见表1。可以看出，冷油器换热片的化学成分中各元素含量均符合GB/T 3280—2007《不锈钢冷轧钢板和钢带》[2]中316L材料化学成分要求。因此，导致换热片产生应力腐蚀的腐蚀物来源于环境。
表1 换热片化学成分检测结果
1.3 显微组织检测与分析
按照DL/T 884—2004《火电厂金相检验与评定技术导则》[3]要求，采用Axio Observer.A1m型金相显微镜对穿孔泄漏的换热片取样，如图2所示。换热片泄漏孔部位已沿厚度方向形成不规则的孔洞，其组织以单相奥氏体并伴有孪晶组织为主，未见明显老化。此外，由于换热片在冲压成型过程中发生较大形变，组织中伴有部分形变马氏体组织。
图2 穿孔泄漏换热片横截面显微组织
1.4 断口微区检测与分析
采用S-3700N型扫描电子显微镜综合测试系统对换热片穿孔部位及宏观正常部位进行了微区形貌检测与分析，如图3所示。
图3 换热片SEM微观形貌
可以看出，在穿孔部位及其附近存在众多的点状腐蚀坑，局部位置有晶粒沿晶界剥落现象，在远离腐蚀坑槽的宏观良好的换热片表层可以观察到整体的沿晶开裂现象。
采用能谱分析仪对穿孔部位的成分进行分析，如图4所示，该部位存在极易于导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的Cl、Na和K等元素，这些元素组成的盐类物质对换热片产生了腐蚀[4-5]。
图4 穿孔处能谱图
1.5 力学性能检测与分析
按照标准GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》[6]要求，对穿孔泄漏的换热片取样，在Tukon2500-6型Wilson维式显微硬度计上进行硬度试验，在20 ℃条件下，结果见表2。可以看出，该换热片的硬度高于标准GB/T 3280—2007《不锈钢冷轧钢板和钢带》要求，这与换热片在冲压成型的变形过程中产生部分形变马氏体组织有关。
表2 换热片硬度测试结果Table 2 Hardness test results of heat exchanger plate
2 结果分析
根据断口宏观及微观形貌来看，冷油器换热片穿孔部位存在众多点状腐蚀坑，并有晶粒沿晶界剥落现象，说明由于环境存在腐蚀性介质或者对奥氏体敏感的腐蚀元素，由于换热片的化学成分符合标准要求，且对穿孔部位进行能谱分析，可检测到Cl、Na和K元素的存在，而奥氏体对Cl-非常敏感，易发生腐蚀[7-8]。当溶液中含有大量的H+和Cl-时，H+的存在会促使溶液中Cl-在钝化膜中的集聚，使得局部Cl-的浓度更高，当浓度增加到某一临界值时，钝化膜发生破裂而产生点蚀，试样进一步加速腐蚀。316L不锈钢在富含Cl-的酸性介质中的电化学反应如下：
Fe-2e-→Fe2+
2H++2e-→H2
Fe+H2O→Fe(OH)3+H2↑
在腐蚀条件下随着pH值的降低，阴极反应加速，产生大量的H+，而且部分结合为H2，另一部分H+进入金属内部，降低试样的强度和塑性，导致裂纹的产生。因此在显微组织中可以看到，在远离腐蚀坑槽部位换热片表面存在大面积的沿晶表面微裂纹。盐类物质对奥氏体的腐蚀导致晶间裂纹的产生，致使表面产生微裂纹。根据金相组织分析可知在换热片基体材料中存在马氏体组织，这也是换热片的硬度高于标准的原因[9]。马氏体的存在也使换热片韧性降低[10]，在存在裂纹源的情况下，由于内应力的作用，更容易穿孔或开裂。
3 结 语
综上分析，此次小汽轮机润滑油冷油器换热片穿孔泄漏，因换热片接触的介质中存在极易于导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的Cl、Na和K等元素，这些元素组成的盐类物质对换热片产生了点腐蚀并导致其最终穿孔泄漏。
鉴于此次给水泵换热片穿孔泄漏的情况，建议检查换热器所接触介质中是否存在Cl-及其他盐类超标的问题，以避免再次发生类似穿孔泄漏事故。
