冷却器换热管断裂分析

王鑫,李向东

摘 要:  某公司冷却器在投入使用前，联动水压试验阶段，发现三根换热管发生断裂，严重影响了装置的施工进度，为了找出换热管的断裂原因，对断裂换热管进行取样，并通过宏观检查，化学成分分析，力学性能分析，金相分析等检验检测手段，分析断裂换热管的材质断口特征等，确定了换热管断裂失效的原因。

关键词:冷却器; 换热管;断裂; 检验检测

1.概况

某公司冷却器在投入使用前，联动水压试验阶段，三根换热管发生断裂，为弄清断裂性质与成因，以及对所用管材的质量进行评定，分别在三个断口取样（其中1#、2#长140mm， 3#长300mm），并开展以下试验分析工作。

2.冷却器技术参数

壳程：设计压力0.76Mpa，工作压力0.44Mpa，设计温度67℃，工作温度45℃，介质循环冷却水；

管程：设计压力0.5 Mpa，工作压力0.04 Mpa，设计温度250℃，工作温度65℃，介质丙烯腈；

水压试验压力：壳程1.0Mpa，管程0.7Mpa；管板材质：16MnIII + S30403(堆焊)；

换热管材质：S30403，ф25×2mm；管子与管板连接方式：强度焊与胀接。

3.宏观检测

换热管泄漏、断裂位置均在换热器壳程介质入口附近接管处（折流板跨距大者）；1#和3#断在入口端附近管板底部（壳程侧）；2#断在换热管与第一折流板相交处。

经检测：三根换热管的断裂均属脆性断裂，断口及其周围管径、壁厚、形状无明显变化。断口大部分区域平坦：断口附近裂纹分枝少；断口表面覆盖有腐蚀产物；尽管断口局部区域最后撕裂部位在外壁，但总体看，起裂点应位于外壁。对1#～3#管断口以外的其它部位宏观及无损检测未发现裂纹类缺陷。

4.换热管化学成份分析

对换热管钻样进行化学成分分析，结果表明，符合相关标准。

5.金相分析

对换热管断口区及稍远处材料显微组织进行观察，观察显示断口区管内壁、心部、外壁组织，除奥氏体外，还含有一定量马氏体；内壁区含有环向微裂纹深度约12μm，在轴向430μm范围内有7条微裂纹；奥氏体晶粒度为4级；夹杂物为B0.5、B1e、D0.5。

结果显示，管内壁区、心部、外壁区组织均为奥氏体；内壁表面有多处线性缺陷，深度0.005～0.020mm；奥氏体晶粒度为4级。

图1 断口金相分析

6.换热管材料组织中马氏体含量测定

在包括断口的金相试样上检测出马氏体，为此，对管样进行其含量测定，数据表明，断口附近马氏体含量明显高于其它部位，其中试样1#断口处马氏体含量达到25.2%，试样2#断口处马氏体含量达到14.4%，试样3#断口处马氏体含量达到19.6%。离开断口，管材组织中基本不含马氏体。

7.断口扫描电子显微镜观察

对3个断口进行扫描观察观察看出：断裂大部起始于外壁，断裂起始与扩展区非常平坦，          断裂面被一层黄褐色附着物所覆盖，难以看到断口细节，断裂似以穿晶为主，在第一折流板处断裂的试样断口上有大范围振动导致的疲劳条纹。

图2 断口扫描电子显微镜观察

8.断口能谱分析

对断口附着物进行能谱分析，结果显示，检测的所有区域均含有Cl-，最高含量达1.45wt%。对18-8型奥氏体不锈钢，因介质中含Cl-离子引发的开裂与断裂事例中，断口附着物中Cl-离子含量达到上述水平已经很能说明问题了。

图3 能谱测试区域

表1 能谱分析结果

元素	质量分数wt%	元素	质量分数wt%	元素	质量分数wt%
Fe	50.78	K	1.22	Na	2.53
O	20.65	Si	1.12	Cl	1.45
C	16.86	Al	0.66	Ni	0.60
Mn	3.48	S	0.24	Mg	0.41

9.换热管力学性能试验

9.1室温拉伸性能试验

换热管经过室温拉伸试验，三个试样的抗拉强度分别为：677Mpa、678Mpa、620MPa。结果表明符合相关标准。

9.2压扁试验

按GB/T13296-2013要求，钢管压扁后平板间距为12.80mm。压扁试验后实测平板间距为7.51mm，未见裂纹和裂口。结果表明符合相关标准。

9.3扩口试验

按GB/T13296-2013要求，扩口试验顶芯锥度为60°，扩口后管口外径扩口率为18%。扩口试验后，管口外径达29.76（平均值），扩口率为19%，未查出裂纹和裂口。结果表明符合相关标准。

9.4晶间腐蚀试验

按GB/T4334-2020 E法。腐蚀液配比：100ml硫酸+100g硫酸铜+去离子水到1000ml，腐蚀时间：20h。试验后，对试样进行弯曲检查，未发现裂纹。结果表明符合相关标准。

结论

三例断裂的换热管，主要是由Cl-离子引发的应力腐蚀开裂所引起。壳程介质中含有Cl-离子，并存在Cl-离子积聚、浓缩的条件，是造成18-8型换热管断裂的关键因素。胀接不均匀，造成管板孔底部出现间隙，有利Cl-离子积聚；胀接过渡区残余应力偏高；复杂应力作用，材料组织中出现马氏体，这些因素均加速应力腐蚀裂纹扩展。换热管与折流板相交处也是应力腐蚀裂纹高发区。化学成分及性能试验证明，换热管材质符合相关标准要求。

参考文献：

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