板式换热器板片失效分析详解

摘 要：采用化学成分分析、电镜扫描等方法，对出现裂纹的换热器板片样品进行了逐项分析。结果表明，板片发生裂纹和 泄漏的主要原因为密封面本身存在比较高的冷加工残余应力，介质中有较高的Cl-，在操作压力下，换热器板片发生了应力 腐蚀。同时针对本次事故发生的原因提出了相应的预防措施。
关键词：板式换热器；板片；残余应力；失效分析；失效预防 板式换热器被广泛应用于石油、化工等行业中，其常见的故障有几下几种：
①外漏，主要为板片密封失效。据文献介绍， 北京、青海和新疆等地的多个热力站因蒸汽温度较高，橡胶密封垫在高温下失效，引起蒸气外漏。

②串液。由于使用温度远 超出材料的应用范围，致使压力较高一侧的板片流道内介质串入压力较低一侧的流道介质中。以饱和蒸汽为热源的板式换热 器，当蒸汽温度过高时，运行过程中很容易发生蒸汽外漏并在板片两侧密封区域急速冷凝，冷凝残液不断积集形成局部Cl- 质量浓度较高，破坏板片表面钝化层，加上该处板片冷冲压导致的内应力较大，引发应力腐蚀，引起串液。
③压降过大。由于介质中污垢过多，导致板片表面结垢，致使原本板片间流道截面流速过高，而压降超过了允许范围[1]。某石化公司E24101 再沸器凝液冷却器为板式换热器，外形尺寸680×2520×1825mm，板片为0.7mm的SS316不锈钢，密封垫片为EPDM，密封胶 为氯丁胶[2]。换热器设计与操作条件。该换热器于1997年投入使用几个月后停工，直到1999年继续使用，期间由于泄漏更换过垫片，到2002 年底发现因密封垫部位存在大量的裂纹而导致严重泄漏。为了避免类似情况重复发生，笔者对此板式换热器板片取样进行了失效分析，简述如下。
1 检测分析

1.1 裂纹宏观形貌分析

通过对所提供样品的宏观形貌分析发现：

①裂纹主要沿板片密封垫走向分布，且裂纹上附有密封胶。裂纹处于板片冷加 工凸起的密封面上，裂纹附近没有明显的塑性变形。

②裂纹附近的流动死角沉积有垢层。

③裂纹发生在冷、热流道口密封面， 主裂纹与密封垫平行，但存在明显的分叉现象。

④作为换热板片主传热面的鱼脊状波纹流槽冲压凸起部分未发现裂纹和穿孔。 根据上述观察，发现裂纹具有应力腐蚀的基本特征，估计与板片密封部位冷冲压成型具有较高的残余应力、密封胶的化 学成分、垫片与板片的相互作用、介质及操作等因素有关，需要进行进一步的检验和证实。

1.2 材料化学分析

从换热器板片提取化学成分分析样品。 从检测结果可以看出，该样品应当属于奥氏体不锈钢，除Cr质量分数较高以外，其他主要元素与GB3280—1992《不锈 钢冷轧钢板》中的0Cr17Ni12Mo2以及AISI316奥氏体不锈钢化学成分相符。

1.3 材料硬度检测

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1.3 材料硬度检测

首页|联系我们|顶部在常温下选择部分样品进行硬度(HV)测试。 按照GB3280—1992中固溶态奥氏体不锈钢的力学性能指标，0Cr17Ni122Mo2材料的硬度应不大于HV200。结果 可见，密封面上硬度比普通换热部位的要高，但两者都小于HV200，原则上符合性能要求。不同测量部位数据相差较大，这 些分析结果表明密封面上的应力水平偏高。

1.4 板片表面杂质分析为查找介质方面的原因，在裂纹比较集中的冷、热流体通道密封垫附近切取样品，有针对性地分析所含Cl-。

1.5 金相分析 对换热器板片样品选择具有代表性的部位进行金相分析，结果如下：

①未经腐蚀的含有裂纹尖端的微观形貌表明，裂纹 的扩展呈现出明显的树枝状形态，微观形态显示裂纹附近没有明显的宏观变形迹象，裂纹具备应力腐蚀的基本特征。

②经过侵蚀处理的换热器板片样品的金相组织为等轴奥氏体组织，晶粒比较均匀，主要以沿晶为主，辅以个别的穿晶裂 纹，裂纹尖端显现晶间腐蚀迹象。

首页|联系我们|顶部1.6 扫描电镜分析 选择有代表性的换热器板片样品，进行电镜扫描(SEM)分析[4]，结果如下：

分析很到位