焊接板式换热器的应力腐蚀及防护措施

作者：　发布时间：2010-05-06 10:29:28　来源： 访问量：11

板式换热器是一种传热效率高、占地面积小、安装使用方便、质量轻、污垢系数低以及结构紧凑的换热设备。但是由于本身结构的局限性,可拆卸式板式换热器的使用压力不超过2.5ＭＰａ,使用温度不超过250℃,并且存在流体与密封垫片的相容性问题[1]。因此,为了提高板式换热器的使用温度和压力,扩大其使用范围,国内外陆续开发、制造了多种焊接板式换热器,这些焊接板式换热器分为全焊式和半焊式两大类。这两大类焊接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。采用焊接结构后,板式换热器能承受的压力和温度大为增加,密封性能良好。但是由于介质的多样性和复杂性以及焊接工艺一些无法避免的缺陷,腐蚀依然存在。防腐问题的研究与应用,对防止板式换热器过早损坏,减少因腐蚀而引起的资源浪费,减少不必要的停产以及由此而引起的经济损失等都有着重要的意义。文中仅就全焊板式换热器的腐蚀及防护情况作简单介绍。

1　腐蚀类型板式换热器的腐蚀主要是指板片的腐蚀。

虽然板片大多数是由不锈钢薄板压制而成且不锈钢又有非常好的耐腐蚀性,但是在某些特殊的条件下,钝化膜的破坏使不锈钢板片发生均匀的或局部的腐蚀。均匀腐蚀和局部腐蚀是板式换热器不锈钢板片腐蚀的两大类型。常见的局部腐蚀有缝隙腐蚀、应力腐蚀和磨损腐蚀等类型。

对于焊接板式换热器来讲,板片为水平叠置,每两张相邻板片为一组,一组对边采用焊接结构,另一组对边为介质通道入口,介质流入板束的方向与板片平行。这种结构减少了板式换热器中的橡胶密封垫,密封性能良好。由于焊接板式换热器的板片全部是焊接连接,因此,焊接板式换热器的材料性能比普通板式换热器要好,焊接不锈钢板片结构可使其具有较高的腐蚀耐受能力,与垫片式板式换热器相比,减少了均匀腐蚀及磨损腐蚀的发生。但是由于焊接板式换热器制造当中存在大量的焊接残余应力,在一定的介质当中也会发生应力腐蚀,这一点与垫片式板式换热器相同。

2　应力腐蚀

应力腐蚀是在拉应力和腐蚀介质联合作用下金属材料所发生的一种局部腐蚀破坏,破坏形态是裂纹、裂缝直至断裂。产生应力腐蚀必须具备特定的腐蚀环境和足够大的拉伸应力。而拉伸应力可能有以下几个来源:设备构件在制备过程中产生的残余应力、工作时产生的外应力及其所承受的载荷以及由体积效应造成的不均匀应力。

氯离子是造成应力腐蚀的的另一个主要因素。氯离子半径小,穿透力极强,很容易穿透保护膜内极小的孔隙,破坏局部钝化膜而进入裂缝尖端生成盐酸,产生自加速催化加速腐蚀过程,同时氢离子在尖端析出,渗入裂缝前缘,可使金属脆化[2]。

温度对应力腐蚀的影响也不容忽视,温度是引起应力腐蚀破裂的重要因素。温度愈高时引起腐蚀的氯离子浓度越低,也就愈易发生应力腐蚀破裂,例如蒸汽。经验数据表明,温度在600～700℃以上发生应力腐蚀破裂最多。

焊接板式换热器应力腐蚀是在板片残余应力、外力和腐蚀环境的联合作用下产生的破裂,这种破裂是在板片几乎不发生任何变形的情况下,迅速而且突然发生。因此,应力腐蚀是危害最大的腐蚀形态之一。工程上常用的奥氏体不锈钢、铜合金、钛合金、高强度钢和高强度铝合金等材料,对应力腐蚀都很敏感。这些材料即使在腐蚀性不太严重的环境中,如含有少量Ｃｌ-的水、潮湿大气及蒸馏水中,也会引起应力腐蚀。在焊接板式换热器中,由于板片与板片之间、板片束与连接板、连接板与管侧端板、端板与壳体、折流板与板束、管侧端板与板侧端板等结构都需要焊接,因此焊接板式换热器在制造过程当中会存在很大的残余应力,这为产生应力腐蚀提供了条件。

在焊接板式换热器中,板片与板片间的焊接结构是单个板片两两正反组焊成一束,因为结构的原因无法实现单面焊双面成型以填补两板片间自然形成的缝隙,在有Ｃｌ-聚集的情况下会形成应力腐蚀,板片的组焊结构见图1[3]。图1ａ的结构存在较长的侧边,焊缝在侧边的外缘,这就在两个板片之间自然形成了很长的缝隙,缝隙内的介质不流动,因而容易发生应力腐蚀。图1ｂ的结构避免了缝隙,Ｃｌ-无法聚集。

两两焊在一起的板束与厚板(端板)焊接时,也存在焊缝未能熔透背面的间隙而形成应力腐蚀的情况,见图2。在图2ａ的结构中,薄板与厚板之间形成了很长的缝隙,易发生腐蚀,图2ｂ的结构没有缝隙。板束与厚板(端板)的连接结构很多,如加连接板,连接板厚根据压力作用下的强度条件及薄板与厚板的具体厚度而定,一般取3ｍｍ,见图3。加连接板后形成薄板与接近薄板的连接板的焊接,然后连接板再与厚板(端板)对接焊接,厚板(端板)坡口与连接板厚度相同。连接板与两两焊在一起的板束焊接时,由于空间小、焊缝多,也存在焊缝未能焊透形成缝隙而产生应力腐蚀的问题。

焊缝处产生应力腐蚀的实例很多,某厂一台设计压力为1.6ＭＰａ、设计温度为300℃、操作温度为250℃的焊接板式换热器,管程介质为过热蒸气,板程介质为水,板片材料为0Ｃｒ18Ｎｉ9。在使用中发现板侧与管侧焊缝处有类似针尖大小的孔洞,直至开裂。分析认为,产生孔洞的原因是在焊缝处产生了应力腐蚀。产生应力腐蚀的原因是在板侧与管侧的焊缝根部存在焊接残余应力且有缝隙,该部位很容易有氯离子聚集,且管程介质为蒸气,温度较高,因此在焊缝根部会发生严重的应力腐蚀甚至破裂。

3　防护措施

(1)降低介质的侵蚀性　介质对不同的腐蚀体系有不同的影响,如奥氏体不锈钢在中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀,但是只要介质中氧的质量浓度低于1.3ｍｇ/ｍ3就不会发生应力腐蚀。因此,可以通过除去介质中的溶解氧和氧化剂以控制应力腐蚀。降低介质中Ｃｌ-的质量浓度、严格控制介质中硫的质量浓度也是控制应力腐蚀的有效措施。

(2)合理的工艺设计　为避免残留液和沉积物的滞留,焊接时尽量采用双面对接焊和连续焊,避免搭接焊和点焊。由于板片很薄,焊接熔化后添补焊丝少,易造成焊缝成型差,因而在焊接工艺中应100%填补焊丝,以保证焊缝成型良好。

(3)减小残余应力　根据实际经验,引起应力腐蚀破裂的应力主要是残余应力,而残余应力主要是由冷加工以及焊接引起的内应力所构成。对冷加工件和焊接件进行热处理,有助于消除残余应力,从而也有助于防止应力腐蚀的产生。因此,焊接操作必须严格遵守有关焊接规程。热处理时对温度的控制要适当,避免因热处理产生残余应力。但采用热处理消除残余应力的方法不仅费用较高,而且还有一些不足,如产生变形、碳化物沿晶界析出、形成氧化皮以及内应力的消除程度等。所以,在焊接板式换热器的制造过程中,应根据实际情况全面考虑,以决定是否采取消应力退火热处理消除残余应力。也可采用其他消除残余应力的方法,如水压试验、振动时效、喷丸处理及锤击等。

(4)电化学保护法　应力腐蚀断裂是应力作用下的阳极溶解过程。因此,可以采用电化学保护的方法控制。金属或合金发生应力腐蚀断裂与电位有关,有些体系存在一个临界破裂电位,高于此值会产生腐蚀断裂。更多的体系有一定的敏感电位范围,这个电位范围通常处于钝化 活化区,通过电化学极化的方法可以使金属的电位离开这个敏感的电位范围。电化学保护方法不但可以防止应力腐蚀断裂,而且在保护参数选用得当的条件下即使产生了裂纹仍可使其停止扩展[4]。采用牺牲阳极保护或表面喷涂耐蚀金属的方法,有时也能收到良好的效果。

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