引言：在这篇技术文章中，笔者从机械和冶金角度分析了一台双程不锈钢换热器的失效原因。该换热器的换热管采用超级双相不锈钢2507，管板采用奥氏体不锈钢316L。研究发现，在应力条件下，甲酸对不锈钢腐蚀起到了关键作用。

背景介绍

双相不锈钢（DSS）广泛应用于化工和油气行业，这些领域的工况具有腐蚀性，对材料的耐腐蚀性要求较高。尽管双相不锈钢耐腐蚀性较强，但在实际使用及操作条件下仍面临挑战。甲酸是一种腐蚀性介质（腐蚀强度为盐酸的0.76倍），常被用作橡胶工业的软化剂。本文将探讨一台双程换热器的系列失效事件，该换热器的换热管采用超级双相不锈钢（2507级），管板采用奥氏体不锈钢（316L级），并从机械和冶金角度分析各类失效事件。

案例研究

一台由316L不锈钢制成的双程换热器，其管内含有10%的甲酸，管侧出现了压降问题。检查发现，壳侧存在甲酸沉积物，且换热管明显减薄。在头两年内，531根换热管中有100根被堵塞，导致该换热器无法达到所需的热负荷。因此，更换了新的管束。然而，新管束投入使用后，换热管减薄问题仍在持续，两年内有61根换热管出现严重减薄甚至泄漏。由于怀疑换热管减薄是由甲酸的腐蚀性引起，决定将换热器换管为超级双相不锈钢2507合金（UNS S32750），其点蚀抗力当量数（PREN）显著高于316L不锈钢。新换热管组装成管束后，进行了胀接和强度焊接。尽管换热管材质升级，但仍沿用了原有的管板和膨胀节，异种材料（316L不锈钢与2507合金）之间的焊接采用ER 2209填充焊丝，符合现有的焊接工艺规程（WPS）。表1列出了换热管、管板和填充焊丝的物理及机械性能。 

表1 316L不锈钢、2205合金及2507合金的物理与机械性能

升级后，换热器在最初几个月的运行中未发现泄漏。在首次计划停机检修时（自换热管升级后），除了出现异常降压外，壳侧还发现了甲酸痕迹，这表明管束存在泄漏。随后拆解了换热器，进行了全面的目视检查和无损检测（NDE）。通过涡流检测（ECT）检查换热管的减薄情况，尤其是管-管板胀接部分。对管-管板强度焊缝进行着色渗透检测，发现大部分换热管（>20%）存在裂纹，导致甲酸从管侧泄漏到壳侧。以下从机械和冶金角度进行分析。图1显示了发生裂纹的管-管板焊缝结构。

机械设计视角

图1 管-管板焊缝处的管子伸长量及热应力示意图

参考图1，由于换热管的纵向伸长受到管-管板之间焊缝强度的限制，这些焊缝承受着压缩力。超级双相不锈钢管、标准双相不锈钢焊件与奥氏体316L不锈钢管板的机械性能截然不同。表1汇总了基材（换热管、管板）和焊件的机械性能。根据管束长度（7米）和表1中的热膨胀系数（α），可通过以下公式计算管子伸长量（δ）和应力（即P/A）。

根据公式（2）计算，仅压缩力产生的应力为226 MPa。除了热伸长及由此产生的应力外，高温还可能导致双相不锈钢的整体强度下降。众所周知，膨胀节可补偿热膨胀引起的应力，但该换热器的膨胀节由316L不锈钢制成，其热膨胀系数比2507合金高22%（参考表1），可能无法补偿（热伸长导致的）压缩应力。未对现有（即316L不锈钢）膨胀节与2507合金换热管的适配性进行工程评估，因此无法明确管-管板焊缝周围的应力值/应力场。与碳钢、低合金钢和钛不同，双相不锈钢和奥氏体不锈钢没有疲劳极限，即使在屈服点以下也可能发生疲劳失效。这意味着，即使热应力较低（远低于抗拉强度），也可能因温度波动和循环次数而产生裂纹。

冶金视角

管-管板焊接采用经批准且成熟的焊接工艺规程（WPS），使用1/16英寸（或1.6毫米）厚的ER 2209填充焊丝。层间温度控制在320°F（或160°C），以避免产生任何冶金缺陷（敏化、σ相脆化等）及热变形。对升级材质后的管束在最大允许工作压力（MAWP）下进行了无损检测和压力测试。考虑到层间温度和操作温度，因σ相和475°C脆化导致氧化和开裂的风险较低。API规范建议，标准双相不锈钢的最高层间温度<150°C，超级双相不锈钢的最高层间温度≤120°C。对于超级双相不锈钢，层间温度高于推荐限值可能会改变焊件性能。但本案例中，填充焊丝为标准双相不锈钢（即ER 2209），而换热管为超级双相不锈钢，因此存在两个相互制约（且可能冲突）的层间温度限值，这可能导致焊件性质不均匀（尽管本研究未对此进行全面调查）。

由于管板厚度（45毫米）远大于换热管和焊件，可能导致焊件快速冷却。对焊接工艺规程的审查发现，对于厚度为10毫米至无限厚的管子，规定的层间温度为160°C。这可能会导致焊件冷却速度加快，尤其是在管-管板焊缝处。快速冷却会阻碍焊件形成奥氏体，而奥氏体是双相不锈钢微观结构中韧性的关键来源。从冶金成分来看，2205合金（标准级双相不锈钢）的氮含量为0.14–0.20，而2507合金（超级双相不锈钢）的氮含量更高（0.24–0.28），形成奥氏体的能力优于标准双相不锈钢2209合金。API规范和ASME第II卷第3部分（A8.49和A8.52）建议，焊接2507合金等超级双相不锈钢时，应使用超级双相不锈钢级填充焊丝（即ER 2594）。ER 2209（标准双相不锈钢）的铁素体数为54-60，而超级双相不锈钢级ER 2594的铁素体数为45-55。这意味着，在焊件缓慢冷却过程中，由于氮的存在，ER 2209更倾向于保持以铁素体为主的微观结构（而非转变为奥氏体）。总之，与标准双相不锈钢相比，ER 2594超级双相不锈钢填充焊丝氮含量更高、铁素体数更低，形成奥氏体的能力更强，因此焊件韧性高于ER 2209。图2显示了管-管板焊缝的示意图。

图2 管-管板焊缝示意图

因此，焊件失效（开裂）是由以下几个因素（或其综合作用）导致的： 1）由于316L不锈钢膨胀节与2507合金的热膨胀系数差异达22%，导致换热管热伸长产生高拉伸应力； 2）焊件快速冷却导致奥氏体减少，韧性下降； 3） 异种材料焊接产生的内应力可能导致异种金属焊缝（DMW）开裂； 4） 多次启停引起的热循环导致疲劳失效。 

总结

在传热条件下，甲酸的腐蚀速率高于非传热条件，而最初为双程换热器选择材料时未考虑这一因素。即使将换热管升级为2507合金后，仍出现裂纹，原因是管-管板连接处因（异种材料热膨胀系数差异导致的）管子膨胀力产生高拉伸应力。此外，异种材料焊接产生的内应力也可能导致异种金属焊缝（DMW）开裂。最后，多次启停引起的热循环导致了疲劳失效。涉及异种金属和腐蚀性工况的维修应辅以工程评估。

编译自：《Stainless Steel World》2025年5月8日