失效原因分析
    从现有试样的分析结果和该设备的运行情况看,裂纹起始于螺旋板的冷侧,裂纹穿透后热侧介质串入冷侧,热侧介质中的硫化氢对腐蚀起了促进作用,裂纹性质符合1Cr18Ni9Ti 在含Cl - 介质中高温下(大于50 ℃) 应力腐蚀开裂的特点。因此,该螺旋板式换热器的泄漏失效是典型的Cl - 引起的应力腐蚀开裂所致。
    冷侧介质中存在的大量Cl - 和Fe3 + 可以导致1Cr18Ni9Ti 发生应力腐蚀开裂,在大于80 ℃时,介质中大量的Fe3 + 缩短了不锈钢在Cl - 介质中发生应力腐蚀的诱导期,对开裂起强烈的促进作用[2 ] 。这是导致换热器过早失效的主要原因。
    螺旋板筒体母材金相组织中呈带状聚集分布的TiN 对材料的抗蚀性有很大的影响,容易造成材料的开裂。而堵板组织中的马氏体可以使材料的内应力增加,奥氏体组织的稳定性降低,对应力腐蚀极为敏感。
    环境、材料和力学因素(静态拉伸应力) 是材料产生应力腐蚀断裂的3 个基本条件,对于Cr2Ni 奥氏体不锈钢来说,能引起应力腐蚀开裂的常见特定介质有氯化物、氢氧化物和连多硫酸等,较典型的就是Cl - 引起的应力腐蚀开裂,已有的研究结果证明,对于Cr2Ni 不锈钢,水中所含Cl - 的质量浓度在0. 2～10 mg/ L即可导致材料断裂。此外,氧化性的金属离子是强烈的致点蚀剂,金属表面的点蚀坑可造成局部应力集中,点蚀坑内可形成闭塞区,使该处的pH值下降和Cl - 富集,提供了有利于应力腐蚀裂纹的成核和扩展的介质———应力条件。H2S 和O2 的存在,在一定的条件下可促进敏化态的不锈钢产生应力腐蚀开裂。螺旋板式换热器的两端具有缝隙结构,缝隙结构也是导致不锈钢发生应力腐蚀的重要裂纹源[3 ] ,其影响与点蚀相似。此外,pH 值和温度对应力腐蚀断裂的敏感性也有影响,试验和实践证明,对于固溶态和敏化态的1828 型不锈钢,pH 值为4 时都有一个敏感峰值[2 ] 。在22 %的NaCl 中,1828型不锈钢的裂纹扩展速度从室温的10 - 10 m/ s加速到140 ℃的10 - 7m/ s[2 ] ,随温度的升高,1828 型不锈钢的孔蚀数目也增加[4 ] 。对应于该螺旋板式换热器的实际使用情况,其开裂部位大多位于温度高于80 ℃的区域,且温度越高开裂越严重。
    焊缝区通常具有接近屈服点的残余应力[3 ] ,因此,该换热器的螺旋板两端有很大的周向焊接残余应力。近缝区母材的金相组织劣化使这些部位的抗应力腐蚀能力下降,表现为应力腐蚀裂纹主要是近缝区的横向裂纹,裂纹向母材和焊缝方向发展,并穿透整个板材。由于螺旋板两端焊缝的径向收缩作用,使螺旋板的两端母材承受了较大的弯曲应力,表现为该处母材多处发生穿透性纵向裂纹。
    综上所述,该螺旋板式换热器的焊缝裂纹为应力腐蚀开裂,介质中的Fe3 + 和H2S 等对加速应力腐蚀裂纹的形核和裂纹扩展起了促进作用。
3 　预防措施及应用效果
    ①Cl - 主要来源于原料液中的水,对工艺用水进行预处理,使其Cl - 质量浓度小于25 mg/ L ,同时控制水中钙、镁离子的质量浓度,做好实时监测。②Fe3 + 可能为前段工艺设备腐蚀带入,应采取相应措施加以控制,尽可能降低其质量浓度。③改善焊接工艺,消除因焊接引起的残余应力。
    该公司在制造和使用过程中采取以上预防措施后,更换后的同类换热器从2002 年使用至今未发生泄漏。