銅鎳合金換熱管的失效機(jī)理分析

鄧為民，費(fèi)培忠

（1.海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海 200090；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090）

1 概 述

某型海水冷卻器的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。換熱管的材質(zhì)為耐海水腐蝕性能較好的BFe30－1－1銅鎳合金無縫管，管子與法蘭的連接采用氬弧焊進(jìn)行焊接。海水冷卻器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。泄漏點(diǎn)發(fā)生在蒸汽進(jìn)口管的法蘭連接處，該處是BFe30－1－1銅管與法蘭焊接結(jié)合點(diǎn)。

圖1 海水冷卻器的結(jié)構(gòu)圖

表1 海水冷卻器主要技術(shù)指標(biāo)

為了便于分析，對(duì)該設(shè)備發(fā)生泄露部位的管材進(jìn)行切割取樣，然后對(duì)泄漏區(qū)的材質(zhì)進(jìn)行宏觀和微觀分析。

2 材質(zhì)的宏觀分析

該冷卻器的泄漏點(diǎn)位于盤管與法蘭的連接焊縫處，在焊縫熔合線與熱影響區(qū)之間，該處焊縫有明顯的減薄現(xiàn)象，局部觀察后發(fā)現(xiàn)，管子表面有局部腐蝕穿孔及腐蝕凹坑，說明該處腐蝕不是典型的均勻腐蝕。將盤管與法蘭連接點(diǎn)的試樣解剖后，從試樣截面觀察，腐蝕發(fā)生于焊縫熔合線至熱影響區(qū)5mm的區(qū)間內(nèi)，此處腐蝕沿管子的縱向分布，呈不均勻狀態(tài)，而較有深度的腐蝕仍位于焊縫熔合線處，見圖2所示。

圖2 法蘭與管子的解剖截面

金屬材料發(fā)生腐蝕的根本原因是其熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性造成的，即金屬材料中的原子比某些化合物（如氧化物，氫氧化物，鹽等）的原子處于自由能較高的狀態(tài)，這種傾向在條件（動(dòng)力學(xué)因素）具備時(shí)，就會(huì)發(fā)生金屬單質(zhì)向化合物的轉(zhuǎn)化，即發(fā)生腐蝕。金屬的腐蝕主要是在化學(xué)或電化學(xué)作用下引起的破壞，有時(shí)還包含了機(jī)械﹑物理或生物作用。單純物理作用下的破壞（如合金在液態(tài)金屬中的物理溶解）僅是少數(shù)的例子。由于金屬腐蝕的成因較多，僅憑宏觀上的形態(tài)分析較難判斷，因此，需借助微觀技術(shù)手段作進(jìn)一步分析。

3 材質(zhì)的微觀分析

采用金相觀察和掃描電子顯微鏡（SEM）及能量色散X射線光譜分析儀（EDX）產(chǎn)物能譜分析技術(shù)，對(duì)發(fā)生泄漏的換熱管試樣進(jìn)行微觀分析。

（1）金相觀察

焊縫、母材、法蘭焊接結(jié)合部位的金相圖，見圖3所示。在母材腐蝕區(qū)所觀察到的金相圖，見圖4所示。

從圖3中觀察到焊縫、法蘭、母材的金相組織均完好；從圖4中可發(fā)現(xiàn)，腐蝕的發(fā)生均始于焊縫熔合線上，并以此向熱影響區(qū)（HEA）擴(kuò)展。從圖4中還可明顯觀察到，不僅在熔合線附近的晶體組織，還是遠(yuǎn)離熔合線的晶體組織，均顯示為正常狀態(tài)下的焊縫晶體組織。

此外，還對(duì)泄漏處的母材至連接焊縫之間的硬度分布狀況進(jìn)行了分析，見圖5所示。從硬度分布圖可知，被腐蝕區(qū)域內(nèi)的材質(zhì)硬度最低，見表2。

圖5 泄漏區(qū)域的材質(zhì)硬度分布圖

表2 標(biāo)識(shí)點(diǎn)處的硬度值

（2）電子顯微鏡的掃描結(jié)果

用電子顯微鏡對(duì)泄漏處換熱管的試樣進(jìn)行掃描觀察，掃描結(jié)果如圖6～圖8所示。

從圖6可知，被腐蝕的泄漏區(qū)與未腐蝕區(qū)有一個(gè)明顯的邊界。腐蝕區(qū)在較低倍數(shù)的顯微觀察下，形態(tài)為坑穴狀，是典型的空穴腐蝕形貌，這是空泡腐蝕后產(chǎn)生的結(jié)果。

在腐蝕邊界處，也能看到晶間腐蝕的形態(tài)，見圖7所示。在坑內(nèi)不僅能見到晶間腐蝕的形貌（晶粒度在8級(jí)左右），還可見到在晶粒上發(fā)生的點(diǎn)腐蝕，見圖8所示，說明此處腐蝕介質(zhì)的作用更加劇烈。

（3）腐蝕產(chǎn)物的分析

肉眼觀察泄漏管，發(fā)現(xiàn)泄漏管穿孔附近被灰白色粉末所覆蓋，而在出水端則為黃銅色，沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物，只有局部地方有綠色物質(zhì)。為了確定泄漏處腐蝕產(chǎn)物的成分，采用EDX光譜分析進(jìn)行產(chǎn)物成分含量檢測，結(jié)果如圖9所示。

采用EDX能譜分析后，可觀察到在空穴底部的腐蝕產(chǎn)物中，其主要元素為O、Cl、P、Mg、S、Ca、Na、及基體元素Cu、Ni、Fe等。腐蝕產(chǎn)物中主要元素為O、Cl、P、Mg、S、Ca、Na，其元素含量大大超過正常海水中的含量，這表明，海水中的鹽已在這里明顯地濃縮了，而在粉末較多的地方根本就沒有Cu、Ni元素。在出口管處的管子上只有CuCl2元素存在。

4 分析結(jié)果

早在1929年，英國就已采用BFe30－1－1銅鎳合金作為海水熱交換器標(biāo)準(zhǔn)中的常用材料，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，換熱管內(nèi)的海水流速＜2.4m／s，溫度＜260℃。作為冷卻介質(zhì)的海水其主要化學(xué)成分，見表2所示，pH 為7.5～8.5。

表2 海水的主要化學(xué)成分 mg／kg

BFe30－1－1銅鎳合金材料在高流速海水中的耐空蝕性能良好［1］，其在海水浸沒中的腐蝕速率為（0.008～0.03）mm／a［2］。該海水冷卻器也采用此類材料，卻在數(shù)月內(nèi)就發(fā)生了腐蝕穿孔現(xiàn)象。根據(jù)分析及觀察到泄漏處管材被腐蝕的形貌特征，可判斷該泄漏處發(fā)生了劇烈的空泡腐蝕。空泡腐蝕又稱氣蝕，當(dāng)液體在金屬管內(nèi)流動(dòng)，金屬與液體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增大到一定值時(shí)，金屬表面的某些局部液體壓力下降到常溫液體蒸汽壓力以下，該部位液體會(huì)發(fā)生“沸騰”現(xiàn)象從而產(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡破裂時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力會(huì)使材料表面呈現(xiàn)出蜂窩狀的損傷。這些氣泡破裂時(shí)形成的沖擊波所產(chǎn)生壓力可高達(dá)4000大氣壓，使金屬外層的保護(hù)膜被破壞，也能引起金屬材料的塑性形變，甚至可將金屬粒子撕裂，加速了金屬材料的腐蝕［3，4］。

海水冷卻器的泄漏處在法蘭中心的蒸汽入口端，此處的換熱管被隔水管（?55mm）所遮擋。在海水冷卻器中，此處的海水流速是最低的，因此，當(dāng)高溫蒸汽的熱量在此聚集，加熱海水并致其沸騰后，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡破裂時(shí)形成的沖擊波沖擊銅管外壁，產(chǎn)生與空泡腐蝕相同的現(xiàn)象［5］。

發(fā)生空泡腐蝕的同時(shí)，因海水被不斷加熱蒸發(fā)，使此處的海水濃度不斷增大，海水中的Cl－、濃度隨之提高，Cl－的含量可至4%以上，致使銅鎳合金管的腐蝕更加嚴(yán)重，出現(xiàn)了晶間腐蝕和點(diǎn)腐蝕，使其腐蝕速度達(dá)到3mm／a，比常溫海水狀況下的腐蝕速度提高100倍［2］，數(shù)月內(nèi)，這種腐蝕速度使海水冷卻器被迅速腐蝕后穿孔泄漏。

穿孔泄漏起始于焊縫的熔合線并向熱影響區(qū)延伸，這是因?yàn)榇颂幨菧囟葎∷僮兓安牧虾穸燃眲∽兓慕徊纥c(diǎn)。進(jìn)口法蘭處的蒸汽最高溫度為263℃，在該交叉點(diǎn)蒸汽被海水冷卻，溫度迅速降低；材料厚度也由法蘭（厚度25mm）→焊縫→換熱管（δ＝1.5mm）而激劇減薄。在硬度測量中，數(shù)據(jù)顯示這區(qū)段內(nèi)材質(zhì)的硬度最低。說明這部分的材質(zhì)條件及工況極為復(fù)雜。

熔合線的寬度與焊縫寬度相比是較小的，還因管壁中的部分材料因被熔化而變得更薄，所以焊縫的熔合線處是腐蝕最易發(fā)生的起點(diǎn)，由空泡腐蝕的區(qū)域可以看出，海水的沸騰區(qū)距焊縫熔合線4～5mm。

5 結(jié) 語

根據(jù)分析，認(rèn)為海水冷卻器在結(jié)構(gòu)布置上存在缺陷，造成管束套筒內(nèi)的海水流動(dòng)不暢。在高溫介質(zhì)的加熱下，某些部位的海水處于沸騰狀態(tài)，發(fā)生了空泡腐蝕現(xiàn)象，這是引起銅鎳合金換熱管泄漏的主要原因。為此，應(yīng)改變海水冷卻器內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除管束套筒內(nèi)冷卻水的流通死角，同時(shí)加大冷卻水的流量，才能防止冷卻水因溫度過高而沸騰，從而消除腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］曾榮昌，韓厚恩.材料的腐蝕與防護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：135－137.

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［3］張秀麗，孫冬柏，俞宏英，等.金屬材料空蝕過程中的腐蝕作用［J］.腐蝕科學(xué)與技術(shù)，2001，13（3）：162－164.

［4］柳偉，鄭玉貴，姚治銘，柯偉.金屬材料的空蝕研究進(jìn)展［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2001，21（4）：205－255.

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