不锈钢换热器管腐蚀失效原因分析

浙江至德钢业有限公司技术人员发现，不锈钢换热器管在使用过程中，靠近水的部位会发生严重的腐蚀而失效;经过分析，工作温度较高时发生腐蚀失效的换热器主要会出现裂纹.而工作温度较低的换热器的主要腐蚀失效形式为孔蚀。不锈钢换热器是一种使用场合较多的压力容器。特别是在宾馆、饭店等公共场合，不锈钢换热器管作为热量交换的重要设备，使用更为广泛。

 由于不锈钢对氯元素特别敏感，一旦有所接触，则会发生腐蚀。而换热器大多使用水或水蒸汽作为热交换介质，很多单位为了节省成本，都使用自来水作为介质，在一定的压力和氯元家的作用下，很多不锈钢换热器管都发生了腐蚀。要解决或减少这类事故的发生，首先需要清楚发生这类腐蚀的原因、腐蚀的类型及具体的防止措施。

一、案例介绍

 在几年的检验工作中，接触到6台发生腐蚀的不锈钢汽水换热器。这些腐蚀多发生在靠近水的一测。在同样承受内压和接触含氯离子的自来水的情况下，随着水的工作温度不同，腐蚀形态也不一样。其中3台为应力腐蚀开裂，3台发生严重的孔蚀。对发生应力腐蚀的3台换热器进行观察分析，发现外壁上没有点腐蚀存在。而对3台使用了不到4个月就发生严重点腐蚀穿孔破坏的换热器进行宏观检查，也未发现表面裂纹，再进行100%表面着色探伤，内壁也未发现裂纹。

二、原因分析

 按照《压力容器安全技术监察规程》水压试验的要求，在对不锈钢材料进行压力试验时，水中的氯离子含量不应超过25mg/l。在使用过程中，也应限制氯离子的含量。由于不锈钢对氯离子很敏感，一旦接触，就可能发生腐蚀。在上海，通常原水中的氯离子含量为40～50 mg/l，较少时为30～40 mg/l，较多时为70～80mg/l，发生海水倒灌时更可达到100mg/l。而我们日常生活中的自来水，为了灭菌，还需要用氯气进行处理，又额外增加了氯离子的含量。氯离子的增多.使得不锈钢换热器管发生腐蚀的概率大大增加，也是换热器壳程发生贯穿性气孔，引起泄漏失效的介质原因。

 换热器的流道间隙较小(2.5～6mm)，直径大于1.5～3mm的颗拉杂物容易阻塞板片通道，使设备的压力降急剧恶化，导致设备因堵塞而失效。根据需要可在介质进口处设置粗过滤或反冲洗装置，能有效地防止设备的堵塞。结垢可导致传热设备的传热系数降低，严重时还会堵塞板片通道。流体力学观点认为，结垢易在流体层流层生成.板式换热器内的流体在雷诺数很低的流动状态下(Re <100=便可紊流，因此该设备不易结垢。但对换热器内的垢样分析表明，结垢现象有时也很严重。板式换热器的板片设计有大量的支承触点，旨在对介质起扰流(使介质紊流以提高传热系数)和承压支承作用，是固体杂物或纤维容易集聚之处，其副作用是使流体形成了局部的滞流而生成污垢积瘤，介质中的钙镁离子在适宜的温度析出后很容易在积瘤上附着长大，形成蜂窝状的垢样。堵塞与结垢在成因上虽然不同，但在板式换热器上的影响现象是相同的。其对策是: 

  ①. 板式换热器不宜用在较脏或易结垢的环境(除非增设有效的其它措施)。

  ②. 用未经软化的冷却水做冷却介质时，操作温度应控制在50℃左右甚至更低，以避开介质中钙镁离子析出的敏感温度。用于生活热水(洗澡水)就需设计专门的温度调控系统来控制出水温度(洗澡水不允许软化或用其它化学方法处理)，方能使设备正常使用。

 腐蚀是复杂的化学现象，奥氏体不锈钢板式换热器表现出的腐蚀现象大多是氯离子引起的应力腐蚀，常发生在板片密封槽底部以及有污垢形成后的垢底部位，其主要成因为:

  ①. 不锈钢传热板片由机械冲压而成，不可避免地残存一定量的表面残余应力，对于不含钥元素的不锈钢薄板，表面残余应力的消除是很困难的，或者甚至是不可行的。

  ②. 板片组装后形成了多缝隙结构，如板片之间的触点、密封槽底等部位。而缝隙容易造成氯离子的富集，局部质量分数往往可达数万10^-6，其值远远超过了不锈钢自身抗应力腐蚀的能力。

  ③. 当板片表面的污垢严重时，介质中的腐蚀元素(氯、硫等)可能大最附着于污垢，并在垢底缝隙处富集。

  ④. 密封槽底中的有害元素往往是枯接剂中的氯因温度升高失稳析出来的。如氯丁胶系列的枯接剂、压缩石棉垫(含有氯化钙)，往往在水与蒸汽工况条件下，析出的富集Cl-与H’形成HCI，使槽底缝隙处发生严重的应力腐蚀开裂。

 对使用条件进行分析发现:3台发生点腐蚀穿孔的换热器为某饭店所用。为了延缓结垢，加热水出口的温度控制在55～65℃之间。这3台换热器近水测没有发生应力腐蚀，全面检验时内外壁也没有发现裂纹.但在焊缝区域发生了严重的点腐蚀穿孔。通过审查原始资料，这3台换热器采用SUS304材质，采用氮弧焊焊接，由于输人的线能量较大，在焊后缓慢冷却的过程中，Cr₃₃C₆从固溶体中析出，使晶界发生贫铬，耐腐蚀性能降低。经过敏化处理的抗腐蚀性能甚至低于普通碳素钢。而对3台发生应力腐蚀的换热器进行分析发现，这三台设备的水测壳体在90～95℃温度下产生了应力腐蚀。应力腐蚀裂纹集中出现在水测壳体顶封头与筒体的环焊缝上，并大多发源于弧坑处，经热影响区到封头母材区域，垂直于环缝。

三、预防措施

  要提高防腐蚀性能，主要可以从两个方面入手，一是提高制造质量，二是控制抓离子与壳体的接触。

  通过对比发现，使用316不锈钢制造的不锈钢换热器，虽然使用环境的氯离子含量较高，但迄今为止还未在检验中发现有腐蚀情况发生。因此，首先应选用耐孔蚀能力较好的不锈钢作为壳体材料，如316或316L。由于18-8不锈钢中加入2%的Mo,耐腐蚀能力也大大增加。焊接时尽量采用氛弧焊而不是电弧焊进行焊接。在保证焊缝熔合质量的基础上，应严格控制焊接工艺参数，采取小线能量、多道焊的方法，避免焊缝产生局部过热。

  要控制氯离子与壳体的接触，主要采用隔断的方法。目前我国主要采用非金属防腐蚀涂料进行隔离。在压力容器中常用的有生漆、环氧树脂漆等，由于这些非金属材料附着力强，漆膜坚韧、耐磨、耐温，而且成本低廉，因此不仅使用方便，而且可以大大提高不锈钢换热器管的使用性能。

四、结论

 1. 不锈钢换热器管在不同的使用条件下会发生应力腐蚀和点腐蚀。

 2. 通过控制制造材料和工艺参数，提高制造质量，并对容器进行隔离处理，就可以避免或减少腐蚀的发生。