苏 超

(山西省机电设计研究院有限公司，山西 太原 030009)

1 问题的提出

某热力供热有限公司板式换热机组停运后拆开机组清洗板片时发现板式换热器共计180片板片中约40片有不规则的孔洞，板片一次循环水进水侧人字形右侧胶垫部位有疑似裂纹状裂缝，为查找损坏原因，对板式换热器板片损坏原因进行分析鉴定。

2 事故现场与情况说明

某热力供热有限公司称：2013年9月从某热能科技有限公司订购了板式换热机组4套(其中，3套7 MW，1套5 MW，每套机组中有1台板式换热器)及单独的板式换热器2台(均为7 MW)，单独购置的2台板式换热器与原有的换热站配套使用，除其中1套7 MW换热机组未投入使用外，其余全部于2013年11月陆续投入使用，至2014年4月6日停运，停运后拆开机组清洗板片时发现7 MW板式换热器共计180片板片中约40片有不规则的孔洞，板片一次循环水进水侧人字形右侧胶垫部位有疑似裂纹状裂缝(每片问题板片都是此部位有问题，呈规则性)。

供暖季运行情况如下：

(1) 换热器一次循环水进水压力为1.48 MPa，进水温度为95±5 ℃；一次循环水出水压力为1.47 MPa，出水温度为65±5 ℃；介质为高温热水。

(2) 换热器二次循环水进水压力为0.60 MPa，进水温度为45±5 ℃；二次循环水出水压力为0.59 MPa，出水温度为60±5 ℃；介质为被加热水。

(3) 换热器水系统循环流程是一次侧交换热水上进下出，二次侧被加热水下进上出(人站立正对面是一、二次侧进、出水口)，一、二次系统各自密闭循环。

(4) 二次侧被加热水是一次侧水排放入站内水箱，由补水泵抽取补入二次系统，所以一、二次系统水质一样，同属热源厂补给水，由热源首站向水中按100∶1加入高温阻垢分散剂。

(5) 板式换热机组由厂方安装、调试后投运，实际运行时间是4个半月。

3 检验过程

图1为送检板式换热器板片(共7片)，其中，城东换热站(7 MW)问题板片4片，编号分别为1#、2#、3#、4#；城南新区换热站(7 MW)问题板片2片，编号分别为5#、6#；未投入使用的板式换热器板片1片，编号为7#。

图1 送检板式换热器板片(共7片)

3.1 宏观分析

送检的6片问题板片存在类似问题，在一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位有宽窄不一、形状各异、深浅不等、断续分布的长条形缺陷，严重处已形成孔隙型裂缝；同时板片上还随机分布有不规则形状的孔洞，每个板片上孔洞缺陷数量、分布区域不尽相同。根据送检板式换热器板片缺陷分布特征，针对3#和6#板片进行解剖，做进一步全面试验分析。

(1) 3#板片：一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位的条形缺陷较浅、无孔隙，但板片上随机分布的不规则形状的孔洞数量较多，分布区域较广，如图2、图3所示。

(2) 6#板片：一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位长条形缺陷较严重部位有三处，已形成长片状孔隙，而且不规则形状的孔洞数量较多，如图4、图5所示。

图4 6#板片长条形+孔洞缺陷宏观形貌 图5 6#板片平面和棱边缘分布孔洞宏观形貌

图2 3#板片凸棱边缘与胶垫边缘对应部位长条形缺陷形貌 图3 3#板片上3个孔洞分布宏观形貌

3.2 换热器板片材质分析

换热器板片材质为316L，板片基体化学成分检测结果如见表1。

表1 换热器板片基体化学成分(质量分数) %

检测结果表明，板片材料成分符合GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》规定的要求。

3.3 显微组织分析

3.3.1 纯净度检测

分别对3#板片和6#板片做钢中纯净度检测，结果如下(如图6、图7所示)：

图6 3#板片夹杂 图7 6#板片夹杂

3#板片(级)：A 0.5、B 0.5、C 1.5、 D 0.5、Ds 0.5。

6#板片(级)：A 0.5、B 0.5、C 1.5e、D 0.5、Ds 0.5。

检测结果表明，两板片钢中纯净度较好，符合标准要求。

3.3.2 基体组织

(1) 3#板片基体组织为变形的奥氏体，呈纤维状组织，晶粒度8.0级，同时在奥氏体基体上还分布有沿轧制变形方向分布的α-相铁素体，最严重处α-相铁素体面积含量可达1.5级，即α-相铁素体面积含量>5%～8%，如图8、图9所示。

图8 3#板片基体组织 图9 3#板片α-相铁素体

(2) 6#板片基体组织为变形的奥氏体，呈纤维状组织，晶粒度8.0级，同时在奥氏体基体上还分布有沿轧制变形方向分布的α-相铁素体，最严重处α-相铁素体面积含量可达2.0级，即α-相铁素体面积含量>8%～12%，如图10、图11所示。

图10 6#板片基体组织 图11 6#板片α-相铁素体

3.4 扫描电镜微区分析和能谱微区成分分析

3.4.1 6#板片

6#板片缺陷区扫描电镜微区分析表明，长片状孔隙呈现陡峭侧壁、较平缓的孔底，中间大面积已形成孔隙，孔边很薄参差不齐，孔壁沿晶腐蚀花样呈平行的条纹状和整体的波纹扩展趋势，是快速腐蚀疲劳的典型形貌；腐蚀孔周围平面区域已显露腐蚀迹象，同时还有近似圆形孔洞，可见清晰纹理的腐蚀花样，是快速点腐蚀的典型形貌，如图12～图17所示。

图12 6#板片孔隙形貌 图13 6#板片孔隙腐蚀坑形貌

图14 6#板片沿晶腐蚀+疲劳条纹 图15 6#板片孔边腐蚀花样

图16 6#板片条纹状腐蚀坑花样 图17 6#板片坑旁腐蚀花样

电镜能谱定性、定量分析可知，基体中除含有Fe、Cr、Ni、Mo等钢中正常含有元素外还发现有Na、S等元素，特别是腐蚀坑内含有较高的Na、S元素，最高处Na含量(质量分数)高达9.98%、S含量(质量分数)已达1.01%，如图18所示。分析结果表明：换热器板片局部区域产生严重的孔隙型腐蚀和快速点腐蚀破坏，腐蚀与所在部位应力状态和局部环境相关。

图18 6#板片电镜能谱定性、定量分析结果

3.4.2 3#板片

3#板片缺陷区扫描电镜微区分析表明，腐蚀点呈现几乎垂直的陡峭侧壁、坑底平缓的坑孔，孔边很薄且参差不齐，孔壁沿晶腐蚀花样同样呈波纹扩展趋势，是快速点腐蚀的典型形貌。而棱边同样有长片状腐蚀坑，可见清晰纹理的腐蚀花样，只是腐蚀程度较轻未形成孔隙，如图19～图25所示。

图19 3#板片条形腐蚀坑 图20 3#板片深浅不等的腐蚀坑

图21 3#板片腐蚀坑扩展形貌 图22 3#板片快速扩展腐蚀波纹

图23 3#板片孔洞腐蚀花样 图24 3#板片孔旁腐蚀花样

图25 3#板片 孔底腐蚀花样

电镜能谱定性、定量分析可知，基体中除含有Fe、Cr、Ni、Mo等钢中正常含有元素外同样发现有Na、S等元素，特别是腐蚀坑内含有较高的Na、S等元素，最高处Na含量(质量分数)可达3.01%、S含量(质量分数)可达1.01%，如图26所示。分析结果表明：换热器板片局部区域产生长条形坑状腐蚀和快速点腐蚀破坏，腐蚀与所在部位应力状态和局部环境相关。

图26 3#板片电镜能谱定性、定量分析结果

4 讨论分析

(1) 板式换热器板片材质分析检测结果表明，所用板片材料成分符合316L不锈钢成分要求。

(2) 显微组织分析检测结果表明，板片钢中纯净度较好，在合格范围内。板片显微组织为变形的奥氏体，呈纤维状组织分布，晶粒度8.0级，同时在奥氏体基体上还分布有沿轧制变形方向分布的α-相铁素体，最严重处α-相面积含量可达2.0级，即α-相面积含量>8%～12%，这通常是在固溶处理时加热或保温不足产生的。在奥氏体基体上析出α-相铁素体，构成两相组织，即产生一定的磁性；同时还有不利的方面是铁素体和奥氏体的电位不同，腐蚀倾向增加，尤其是易形成微电池，显著增加点腐蚀倾向。

(3) 根据宏观、微观分析可知，送检的问题板片存在类似问题，在一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位有宽窄不一、形状各异、深浅不等、断续分布的长条形缺陷，严重处已形成孔隙型裂缝；同时板片上还随机分布有不规则形状的孔洞。缺陷区扫描电镜微区分析表明，换热器板片局部区域产生严重的孔隙型腐蚀和快速点腐蚀破坏，腐蚀与所在部位应力状态和局部环境相关，是由应力腐蚀开裂产生的，而裂纹扩展是腐蚀疲劳所造成的开裂腐蚀。

(4) 在板式换热器运行过程中，换热器水循环可造成板片各部位产生作用应力，尤其是在一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位作用应力较大。同时胶垫边缘对应部位、凸棱边缘可以形成缝隙腐蚀环境，这是因为两块金属表面或是在一块金属表面与另一块非金属表面之间的连接处或接触部位的缝隙，都会提供有助于产生称之为缝隙腐蚀的浓差电池腐蚀条件。而在供给水中溶解的固体大多数都存在有含铁、钙、钠等阳离子的化合物，常见的阴离子是碳酸根、硫酸根等。当温度较高时，这些离子化合物从溶液中析出形成沉积物，系统中的供给水是经过相关处理的，加入的相关物质可能集中到这些空隙中，造成供水中腐蚀环境。试验分析结论已证实系统水中存在较高Na离子及S离子，可能形成腐蚀环境；加之基体材料中在奥氏体基体上析出α-相铁素体，腐蚀倾向增加，吸附金属离子能力加强。三种因素联合作用很容易在一次循环水进水侧人字形沟槽的右侧沟槽弧形凸棱边缘与胶垫边缘对应部位产生缝隙腐蚀开裂，并在应力作用下产生腐蚀疲劳而快速扩展，严重者最终形成孔隙性穿孔。大部分不规则圆形空洞属快速点腐蚀破坏，产生的主要原因是板片材料中α-相铁素体存在，铁素体和奥氏体的电位不同，容易形成微电池，显著增加点腐蚀倾向，在介质环境中具有的Na、S离子和应力共同作用时，产生区域性浓度差异而形成电化学电池，结果在较小的阳极区上腐蚀速率总是高的，腐蚀优先往深处扩展，从而形成快速点蚀凹坑。有时，即使受腐蚀影响的全部区域的腐蚀情况相当轻微，腐蚀区域也可能完全被穿透，最终形成宏观空洞。