蒸汽回转干燥机换热管开裂分析及对策

孙 涛

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司化学工业设备质量监督检验中心)

2008年底某焦化厂一台蒸汽回转干燥机在运行一年半后部分换热管出现了裂纹，被迫停产。2010年焦化厂把开裂的SUS329J4L(2507)换热管更换为SUS329J3L(2205)换热管，但在使用5个月后换热管又发生了开裂的现象，导致蒸汽外漏，影响了煤调湿的顺利运行，造成了极大的经济损失。笔者结合蒸汽回转干燥机换热管的开裂情况，从宏观和微观两个方面，通过金相分析、扫描电镜以及X射线能谱分析等方法对开裂部位进行了观察和分析，并提出了防护建议。

1 干燥机运行工况介绍

蒸汽回转干燥机换热管1#管标称材料为2507，2#管标称材料为2205，规格均为φ141mm×5.0mm。蒸汽回转干燥机主要技术参数(管程/壳程)为：

设计压力 1.6MPa/常压

工作压力 0.8～1.6MPa/-100～-500Pa

设计温度 300/300℃

操作温度 280～300/280～300℃

工作介质 蒸汽/焦煤

2 试验分析

2.1宏观检查及取样情况

在干燥机开裂换热管上取长度约200mm的两段试件，1#管样(材料为2507)和2#管样(材料为2205)如图1所示。可以看出1#管直管段处发现不规则穿孔一处(面积约60cm2)，孔洞周边呈明显外部介质冲刷磨损痕迹，孔洞一侧有贯穿的轴向宏观裂纹，裂纹由外壁至内壁扩展,附近未见塑性变形，周围有明显的腐蚀坑。2#管有多条与轴向基本平行的宏观裂纹。换热管内外表面无附着物。分别在1#管上取A、B、C 3块样品；在2#管上取D、E两块样品进行分析检查。

a. 1#管样(2507)

b. 2#管样(2205)

2.2化学成分分析

构成材料的主要化学元素含量对材料的性能会产生显著的影响[1]。采用Spectrolab直读光谱仪对两种不同材料的开裂换热管进行化学成分分析(表1、2)，结果显示，两种开裂换热管的化学成分均符合ASTM A 790的要求。

表1 开裂2507管化学成分与标准值对比 wt%

表2 开裂2205管化学成分与标准值对比 wt%

2.3力学性能测试

在开裂换热管完好部位处取样进行力学性能测试，结果见表3、4。可以看出，2507换热管强度和断后伸长率均低于标准值；2205换热管强度、断后伸长率和硬度均符合标准要求。

表3 开裂2507换热管力学性能

表4 开裂2205换热管力学性能

2.4金相分析

对样品A的径向和轴向截面进行磨制、抛光和氯化铁盐酸水溶液浸蚀后，金相显微组织如图2所示。可以看出，径向截面金相组织为奥氏体+铁素体，主裂纹由外壁向内壁沿晶扩展，裂纹附近的铁素体含量平均值为50.2%；轴向截面金相组织沿轧制方向过度拉长变形,可见较密集的晶间微裂纹。在主裂纹上存在次裂纹，且呈树枝状分布；裂纹贯穿铁素体-奥氏体相界；显微组织未发现有害的第二相。对样品D轴向截面观察(图3)可以看出，金相组织为奥氏体+铁素体，裂纹呈树枝状由外壁向内壁扩展，贯穿奥氏体与铁素体相界，母材内部未发现晶间微裂纹，组织中未发现有害的第二相。

径向截面 ×400 轴向截面 ×400

图2 样品A显微组织

图3 样品D显微组织

2.5扫描电子显微镜及能谱分析

用扫描电子显微镜对样品B(2507)进行清洗前、后的断口形貌观察(图4)，可见清洗前断口表面有疏松附着物，清洗后断口呈现韧性断裂特征，能谱分析数据显示样品B附着物为碳化物，S含量很高。样品C内外表面观察到明显晶间腐蚀形貌(图5)，晶粒脱落后形成凹坑，能谱分析表明凹坑内Cl-含量很高。样品E断口呈现脆性断裂特征(图6)，外表面可观察到明显晶间腐蚀形态，晶粒脱落后形成凹坑，能谱分析表明凹坑内S、Cl-含量较高。

a. 清洗前 b. 清洗后

a. 内表面 b. 外表面

2.6材料性能对比

2507和2205都属于双相不锈钢，该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高、具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性有明显提高。Cl-具有应力裂尖及腐蚀坑等处扩散聚集的特性，会导致裂尖钝化膜的破坏和基体金属的快速溶解[2]。

a. 断口 b.外表面

图6 样品E表面形貌

3 结束语

2507换热管母材中存在密集平行于轴向的微裂纹，是形成开裂的主要原因。另外，煤粉对管外壁冲刷磨损、内外表面滞留并不断浓缩的S、Cl-、加工过程中的残余应力、换热管内介质工作时对管壁产生的环向薄膜应力及干燥机开、停车过程中换热管内外的热应力等综合因素导致晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。2205换热管在浓缩的S、 Cl-环境下产生晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。笔者建议选择2507时改善换热管的成型工艺，在成分设计中增加Cr、Mo、N元素的含量，并控制环境因素，尽可能减少煤粉中S、Cl-的含量，提高换热管内蒸汽的品质以降低Cl-的含量。

[1] 卢德银.螺杆钻具传动轴壳体开裂原因分析[J]．金属热处理，2003，28(5):57～59．

[2] 赵志农.腐蚀失效分析案例[M].北京：化学工业出版社，2009.