304不锈钢管热网加热器在使用过程中往往会出现换热管的泄漏,轻则造成供热中断,重则影响热电厂的安全运行。本文通过对不锈钢换热管进行各种试验分析,得出氯离子在拉应力作用下对不锈钢产生的应力腐蚀,是造成不锈钢换热管破裂的直接原因,并提出不锈钢管热网加热器的加工和运行注意事项。

1概述

某电厂于2005年安装了两台管壳式热网加热器,工作参数:管内循环水2.5MPa130℃,管外水蒸汽0.4MPa255℃,同年11月投入运行。在20079月检修时发现管子发生泄漏,至20097月检修,换热管泄漏150余根;换热管材质为304,管子规格为Φ19×1,管内热网循环水,管外为加热蒸汽,在运行的四年过程中,曾多次发生泄漏,为查找换热管泄漏的原因,将泄漏的换热管分别从两台热网加热器抽出,进行各种分析。并对水中氯离子含量进行分析。以便查找泄漏的原因。

2管子化学成份分析及水工作介质的氯离子含量

2.1对已开裂和未开裂的304不锈钢管进行化学分析,分析结果及对应标准进行对比,并列于表1

由化学分析可知,304不锈钢管的化学成分完全满足GB13296-91的要求。

2.2工作介质中氯离子分析:循环水46ppm,凝结水7ppm

3宏观分析

两根泄漏的尖峰热网加热器不锈钢管分别编为1#和2#,管子泄漏宏观形貌如图1至图4

由图1~图4可以看出,管子外壁出现大量的腐蚀坑、树枝状及网状裂纹。裂纹曲折,部分主裂纹边上生出许多网状裂纹,管子外壁有棕黑色腐蚀物产生。裂纹均匀分布在管子表面呈树枝状裂纹。

2#管取样裂纹处沿纵向剖开(见图5),发现管子内壁存在树枝状穿透性裂纹,管子外壁有树枝状走向的较浅裂纹和点蚀痕迹(见图6和图7)。

4金相分析

对剖开的2#管子,观察管子内外壁,其金相组织如图8所示。

抛光试样经腐蚀后,在金相显微镜下观察,发现裂纹发展均为穿晶裂纹,未发现晶间腐蚀迹象由管子外壁向内扩展。从裂纹微观走向和典型分岔形态来看,裂纹的形成和扩展具有典型的不锈钢应力腐蚀裂纹的特征。

5分析

5.1化学分析结果来看,所用304不锈钢管的CCrNiMnPS的含量均符合设计材料304的含量要求,管子材质不存在问题。

5.2宏观形貌特征显示,管子泄漏处多处存在腐蚀坑,管体上出现大量的树枝及网状裂纹,且在蚀坑及裂纹处有残留的腐蚀物。腐蚀坑处的裂纹为典型的应力腐蚀裂纹源。

5.3裂纹取样微观组织特征表明,304不锈钢管在奥氏体组织上多处出现裂纹,裂纹源附近有多个腐蚀坑,并产生微裂纹,微裂纹在扩展过程中出现小的分枝,分枝裂纹端部尖锐且走向是穿晶的。从裂纹的微观走向和典型的分岔可以看出,裂纹的形成和扩展具有不锈钢应力腐蚀裂纹的典型特征。

5.4不锈钢的应力腐蚀的条件:拉应力、温度、氯离子的局部浓缩等,是造成氯离子应力腐蚀的必要条件,这些条件本设备均已具备。

5.5壳侧材料是16MnR,氯离子在7PPm浓度下不会产生腐蚀。而对奥氏体304不锈钢管在制造或运行过程中破坏了不锈钢的保护膜;管内、管外氯离子在损坏处不断聚集,导致浓度越来越高,从而具备应力腐蚀条件。

5.6管内是循环水,但其工作压力远大于壳侧蒸汽的工作压力。304不锈钢管在内外压差的作用下,受到一个环向的拉应力。

6结论

6.1综上所述,第一、换热管受到的环向应力是拉应力,第二、有氯离子的存在(不管是在管内还是管外),第三、氯离子在局部产生聚集,第四、由于热网加热器管侧的工作温度为130℃,温度较高,热网加热器的换热管在这几个方面同时作用下使奥氏体不锈钢管产生了应力腐蚀。

6.2不锈钢表面钝化膜的破坏是造成腐蚀的初始原因。因此在304不锈钢管加工及换热器制造过程中对不锈钢表面的保护应特别注意,使不锈钢表面的钝化膜不被破坏。

6.3热网加热器由于工作介质中含有一定的氯离子,并产生了局部浓缩,从而导致了不锈钢换热管发生了应力腐蚀开裂。对于使用单位应注意工作介质中氯离子的含量。