板式换热器板片的失效分析

板式换热器板片的失效分析

王蕊，孟楠，赵志谦，王志超，王闯

（洛阳双瑞精铸钛业公司 河南省洛阳市 471000）

摘  要：板式换热器是一种由一系列带有一定波纹形状的金属薄片夹紧装配而成的高效率的传热设备。在板片与板片之间可以形成一个个薄矩形通道，通过胶垫密封实现两种介质不同的方向导流，从而形成冷热交替的流程组合，达到传热的目的。板式换热器具有传热效率高、热损失小、便于拆装清洗维修、占地面积小、使用寿命长等优点，是液-液和汽-液介质常用的高效换热设备。在压力损失相同的情况下，板式换热器传热系数是管壳式换热器传热系数的3-5倍，占用的空间却只有管壳式换热器的1/3，并且可以达到最大程度上的热量利用。板式换热器作为一中占地面积小又高效的传热设备，在船舶、化工、暖通、石油等行业广泛应用，如果在运作的过程中，出现板式换热器板片的失效，则会给用户造成一定的经济损失，所以必须做好板片失效的原因分析，这样才可以有效的应对，从而使板式换热器的应用更加稳定长效。

关键词：板式换热器；板片；失效

引言：应用于某企业的板式换热器，板片材质304不锈钢，热侧介质为99%甲醇（含少量HCl和少量H2S的混合物），出口工作温度50℃，工作压力为0.25~0.3MPa，冷侧介质为循环水，工作压力为工作压力为0.25~0.3 MPa，进口温度为32℃。经过2年多的应用，反馈出现内漏，两侧介质混通，经过初步对换热器拆解后分析，判断为介质进出口角孔周围出现了大量细小的裂缝，这些裂缝也存在于凹陷处，裂缝的两边都有大量的凹陷。热侧进口和出口的角孔处及胶垫的一道、二道密封处均出现了裂缝，裂缝较大的已经出现板片及胶垫的剥落，产生了空隙，从而导致冷侧和热侧介质不能按照规定流道流通，出现介质混流。裂纹处，介质进口处板片的色泽比其它部分要暗，并呈现棕色。

1 板式热交换器板的故障原因

1.1从宏观角度来看成因

从宏观上看，出现裂纹的不锈钢板片，其在冷却水中的一方，被一大块淡黄色污垢所包裹，局部为暗棕色，无裂缝或穿孔；但热侧甲醇蒸气的一端表面光滑，无污物、裂纹和穿孔，在密封胶垫上出现了明显的裂纹，裂纹以板片上的密封胶垫槽为中心，出现了明显的分支，并出现了二次裂纹，裂纹周围无明显的塑性形变，对裂纹处的样品进行了仔细的研磨，结果显示：冷却水侧的板片出现了点蚀，这是由于水侧板裂纹的应力侵蚀的本质特点，这可能与冲压成形时残余应力大、冷却水化学成分、垫片和板材之间的交互作用等原因有关。

1.2从微观角度看其成因

采用薄板截面的线切削法对样品进行显微组织学分析，采用扫描电镜对断裂进行了显微组织学研究。在断裂的断面上，发现了许多侵蚀物质；断裂部位有泥浆样的显微组织；结果表明：在断裂后，断裂处出现了具有多个方向的结晶形态，具有较大的结晶特征，并出现了二次裂纹和二次裂缝；断裂面呈撕裂岭状，呈拟解理型。

1.3对化学物质成因的剖析

对板式换热器的板片进行了化学成分测定，发现除了硅的质量分数比较高，镍的质量分数稍低之外，其他的元素都达到了GB/T3280-2009《不锈钢冷轧钢板和钢带》中304不锈钢材质的要求。在不锈钢中，Ni是一种能够提高其抗腐蚀能力和加工性能的元素，所以Ni的含量高低将直接决定奥氏体不锈钢的耐蚀性。

1.4 X射线技术的应用

采用显微组织化学方法对样品进行了显微组织学和样品的显微组织及化学成分的测定。由于板上的污垢是在循环水一侧形成的，经查板式换热器的循环水来自某电厂，含有一定浓度的氯离子，在经过一段时间的循环系统后，由于冷却液对碳钢管的腐蚀，导致了介质中氯离子的集中。另外，由于密封圈和密封件的成分中包含了一种含硫化物的填料，在长时间的高温和腐蚀性环境下，会慢慢地发生氧化沉淀。在氯离子、硫离子的环境下，对奥氏体不锈钢进行了应力侵蚀，而在循环冷却液中，氯离子、硫离子含量较高，会造成不锈钢板片的应力侵蚀。

1.5 金相分析

选取典型的板式换热器板片样品进行金相分析。结果表明：未经侵蚀的样品，其金相结构基本一致，有少量的晶粒为孪晶，表面有少量的碳化物；在接近于冷却介质一侧的样品断裂处，样品断裂处出现了一些不平整的、有少量的金属粒子，但其金相结构没有改变；在主要的侵蚀孔下发现了一种类似于枝条的断裂，其它部位的金相结构，常规的金相学分析结果显示，该材料是一种具有均匀形状和少量具有双晶结构的典型奥氏体结构。显微结构良好，无脱碳层和晶粒增大。断裂处有明显的侵蚀孔洞和穿晶裂缝，这些裂缝均来自于冷却液一侧。

1.6对残余的应力进行检验

选择了换热表面和密封件的测试区，并在各试验区域选择相应的位置进行剩余应力测量。结果表明：在密封槽中，最大的残余应力为张应力，平均为185MPa，压应力最小，最小值为100.5 MPa；在板片的换热区域，所有剩余应力都为张应力，平均拉伸强度73.3 MPa，未发现任何压应力。与试验表面相比，两个试验表面的剩余应力均显著高于换热区。

2 板式热交换器板的故障原因

以上物理化学测试显示，该板式换热器的冷却介质流道一侧的板片表面出现了明显的点蚀现象，导致密封槽处存在细微的腐蚀和裂缝，裂缝为枝条，没有显著的塑性形变；显微观察表明，断裂断面为泥状、冰糖块状、准解理形态，并有沿晶性和穿晶性二次裂缝；金相分析表明，该合金是一种典型的奥氏体晶化晶粒，局部为孪晶，其断裂起源于冷却液一侧，其基本特点是应力侵蚀。

结果表明，在循环冷却液中，氯离子、硫离子含量高，奥氏体不锈钢在氯离子、硫离子含量高的介质中容易出现点蚀现象，而在受力时容易产生应力侵蚀。由于密封胶垫与板片密封槽之间有间隙，氯离子、硫离子容易积聚于狭缝中，使其更加严重，使应力侵蚀槽和传热表面都有残留的拉伸应力。此外，板片材质中Si含量较高而Ni含量较低，Si的加入会造成材料的冷脆性，而Ni的低则会使其耐蚀性下降。

3 结束语

以上分析表明，板式换热器长期应用于含大量氯离子和硫离子的介质情况下，会逐渐导致其中不锈钢板片的腐蚀破坏。在板式换热器板材选择时，一般遵循以下原则：304不锈钢适用于一般介质，例如常见的自来水、纯净水，含油污水、蒸汽等；316L不锈钢可用于井水、喝水、闭式循环水等冷却水、碳酸、低浓度的醋酸和苛性碱液，醇类等溶剂（浓度小于10%，温度低于50℃），但不适用于硫酸。钛板一般用于海水或含氯介质，钛板可以生成钝化保护膜，比不锈钢耐腐蚀性能好，还可应用于沸点以下的有机酸和稀碱液中，但应注意钛板要避免和氟橡胶同时使用，因为氟离子对钛的缝隙腐蚀有加速作用。哈氏合金一般可应用于各种浓度的硫酸，其耐腐蚀性能特别好，广泛应用于有机酸、氢氟酸、盐酸、磷酸、氯化物、氟化物等介质情况下。要想达到板式换热器稳定运行的目的，必须首先做好板式换热器板片材质选择、胶垫材质选型及版型设计等工作，才能更好的达到用户需求。

参考文献：

[1]杨刚,冯翰翔,汪向磊,丁向荣.板式换热器的研究进展[J].化学工程与装备,2019(05):240-241+74.DOI:10.19566/j.cnki.cn35-1285/tq.2019.05.101.

[2]张微微.板式换热器失效因素分析[J].山东化工,2012,41(08):58+62.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2012.08.023.