板式换热器腐蚀与防护技术简析

端木伟峰，李 海

（青海盐湖镁业有限公司，青海 格尔木 816099）

板式换热器因其结构紧凑、维护方便、传热效率高等优点，广泛应用于乳制品、食品加工、化工、热电联产、中央冷却系统等领域。瓦楞奥氏体不锈钢是板材的关键组成部分，由于暴露在恶劣的环境条件下，板材会遭受各种各样的降解机制。

近年来，我国供热热电厂大量使用的公用电力设备发生内部泄漏，严重威胁着热电厂的安全和经济运行。根据现有的研究，板材的局部腐蚀，包括局部开裂和穿孔，是板材内部泄漏的主要原因。由于冷加工引起的高残余应力，304型ASS板在板与垫片之间的冷却水侧裂缝处容易产生应力腐蚀裂缝。应力腐蚀开裂的进一步研究表明，缝隙中氯离子的堆积是应力腐蚀开裂过程中的关键因素。

我国电力系统技术监督由于参与电力生产而得到广泛开展，实现了全方位、全过程的协调。采用技术监督可以避免故障分析的片面性。本文对某热电厂内泄漏的板式换热器进行了失效分析。分析了设计、施工、运行和维护中可能出现的原因。

1 实验设计

1.1 材料和方法

本文采用板式换热器对某电厂供热系统的高温热水与城市供热网络的低温热水进行换热。按照设计，失效的钢板预计可以使用30年，但实际上只使用了5年。为了找出某公司生产的316L厚板穿孔的原因，采用了以下调查方法。

（1）对失效板进行宏观检查。

（2）对板材进行化学成分、尺寸、硬度、显微组织和x射线衍射分析。

（3）失效钢板穿孔的显微检查。

（4）水质，包括电导率、氯含量、总硬度。

1.2 实验结果分析

虽然在板的两侧可以观察到穿孔，但在外观和分布上的差异是明显的。在LTHW一侧，穿孔是规则地分布在交叉接触点之间的相邻板的之字形峰值和拥有属性形状。此外，还观察到碗状凹坑，但其大小较小。在高温高压侧的相应位置，即波纹板的凹陷处，大多可以观察到穿孔。在高温高压侧没有发现碗状的坑。在上述结果的基础上，得出结论，射孔是在长四角锥面的曲折接触中发生的。另一点值得注意的是，在中央控制点上没有发现污垢，但它在周围区域。这就是在这些地方烦躁不安的证据。

316L ASS波纹板的质量监测结果显示：失效的样品符合NB/T47004标准。通过测试，确定了破坏板的几何参数符合设计要求。进一步在波纹板的不同位置进行了维氏硬度试验，试验结果表明，用该方法制备的钢板表面的维氏硬度值在260 HV~300 HV之间，达到270 HV。显然，失效板的维氏硬度远远超过GBT 3280-2015标准(220 HV)。由于使用温度和应力较低，破损钢板硬度较高的潜在原因可以排除在使用过程中的应变强化。结果表明，高硬度是由于加工工艺的影响，但其确切原因需要进行显微组织检验才能确定。

之后对失效板进行了微观结构检验。结果显示两种失效板组织均为典型的奥氏体拥有属性，晶粒尺寸为6-8。腐蚀产物明显，但无微小裂纹观察坑。通过奥氏体晶粒和孪晶界的滑移带普遍存在。众所周知，孪生和滑移带现象需要很高的应力水平，这可能是板材微观结构中残余应力和/或施加应力较高的塑性变形。根据板材制造商的数据，波纹板是由ASS板材在室温下冷加工而成，无须按NB/t 47004的要求进行后热处理。

在前期观察的基础上，使用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDS)，进一步观察了失效板的凹坑。两个样品板的凹坑特征为碗状形状。高倍镜检查显示，在“碗”的底部没有发现裂缝(既不是沿晶也不是穿晶)。EDS分析表明，腐蚀产物中含有大量的Cl-，这对ASS的局部耐蚀性是致命的。

采用x射线衍射(XRD)分析方法对同一平板中的锯齿形峰面积和平面面积的样品进行了分析。锯齿形峰区存在马氏体相，马氏体对316L钢的耐蚀性有不利影响。对于无铌亚稳奥氏体拥有属性ASS 316L，马氏体可能是在波纹板制造过程中形变诱发的。这将对奥氏体稳定性和耐蚀性产生不利影响。

对板式换热器的水合物质量进行深入分析，高温高压水合物的质量符合标准，而低温高压水合物的氯含量和总硬度均不合格。从热电厂的经验来看，氢氧化钠具有高温高压的耐腐蚀性能。在目前情况下，长三角水电站的水质明显低于高四角水电站，这是我国其他热电厂普遍存在的现象。长期水量通常远远大于长期水量，这增加了水质控制的难度和成本。

2 板式换热器故障原因以及解决方式分析

2.1 失效类型分析

由于在泄漏位置周围没有观察到穿晶或穿晶裂纹，所以应力腐蚀和焊缝锈蚀裂纹都被排除在内部泄漏的可能原因列表之外，它们都是拥有属性裂纹。失效钢板的渗漏均为穿孔，腐蚀产物中观察到Cl-。根据经验推断，射孔是由局部腐蚀引起的。正如其他类似事故的报道一样，最初认为是坑蚀造成的。然而，在典型的现场条件下，孔蚀通常是较少的无定形孔洞的形状，这是完全不同于在这种情况下的观察。此外，穿孔出现在恒定的位置在这项工作。此外，在破坏板的穿孔位置同时满足微动和缝隙腐蚀的要求条件，这两者都可能在某些条件下诱发穿孔。因此，本研究中的穿孔可能是由点蚀、微动和缝隙腐蚀组合引起的。

相邻波纹板的锯齿峰之间形成裂缝，促进了氯离子的积累。由于高温高压比低温高压高得多，板材受到从高温高压侧到低温高压侧的弯曲应力，低温高压侧的连续弯曲变形受到水压变化的影响。微动损伤破坏了316L低温侧的钝化膜，其中点蚀优先发生。由于氯离子在裂隙中的积累，使点蚀起始时间缩短。在腐蚀坑形成的早期，腐蚀产物不断剥离，导致高浓度的氯离子与316L基质直接接触。随后，腐蚀坑沿表面和深度方向生长。凹坑沿着表面生长得更快，并得到了点蚀、微动和缝隙腐蚀的帮助，而在深度方向，则得到了点蚀和缝隙腐蚀的帮助。这也许可以解释为什么所有的拥有属性都呈碗状。高温高压水中的氯化物是可以接受的，而长温高压水中的氯化物存在问题，远远超过标准值。

2.2 导致板式换热器失效的原因分析

首先在设计方面，ASS 316L波纹板在使用条件和尺寸方面符合要求。然而，在没有垫圈和水侧压差的锯齿形峰值接触同时产生微动磨损和缝隙腐蚀，在本工作中发现所有的微动磨损都发生在这种位置。这似乎是一个设计缺陷，这是一个关键因素在有利的位置的穿孔和在点蚀启动时间。

其次，制造工艺方面，通过分析得出：失效的316L钢板拥有属性硬度很高。然而，高硬度并不意味着高水平的残余应力，这有利于点蚀形成的拉伸状态。这项工作中的非常高的硬度是由应变强化效应而不是由拉伸残余应力引起的。残余应力不仅使硬度发生变化，而且使XRD谱峰发生位移。拉伸残余应力在锯齿形峰值处是有限的。证据之一是曲折峰与曲折谷之间的硬度无显著差异，另一个证据是在曲折峰与平面之间没有观察到峰移动。相应地，拉伸残余应力对孔蚀的影响是有限的。这一点也得到了证实，在锯齿形峰上没有观察到穿孔，残余应力和CCPs处于同一水平。因此，材料质量差并不是导致板材穿孔失效的关键因素。

在上述讨论的基础上，得出结论：板式换热器设计阶段的错误对穿孔的有利位置起着至关重要的作用，而高含量的Cl-是造成板式换热器穿孔严重的主要原因。

2.3 消除板式换热器腐蚀故障的措施分析

根据目前工作中的穿孔机理，建议采取以下处理办法消除这些穿孔:

首先，低温水中高含量的氯离子应通过配水控制在标准线以下。灌装用水至少要比一级反渗透用水好。通过添加氧化皮和缓蚀剂，LTHW的总硬度也应该降低。较高的总硬度与ASS中的穿孔无关，但可能导致结垢。剥离污垢堵塞了流道，导致板式换热器效率急剧下降。

其次，当长时间高温高压压力控制在同一水平时，中央对接板的微动应得到抑制，且不会产生明显的波动。在夏季非取暖期间，板式换热器应停止维修。由于点蚀开始于钝化膜的局部击穿，可以进行再钝化处理以修复局部损伤的钝化膜。我公司正在研究具体的工艺参数。

3 小结

综上，对某热电厂板式换热器316L板的内泄漏进行了综合失效分析。根据试验结果得出结论：

（1）内泄漏是由于板材低温热水侧锯齿形峰值接触处的穿孔引起的。

（2）孔蚀、缝隙腐蚀和微动在形成过程中协同作用。

（3）板式换热器设计阶段的误差是影响射孔有利部位的关键因素，低温热水中高含氯量是造成板式换热器射孔严重的主要原因。