船用輔冷凝器B30合金管腐蝕失效分析

宋泓清,周 娟,王永明

(1. 中國船舶重工集團公司 第七二五所青島分部 海洋腐蝕與防護國家重點實驗室，青島 266101;2. 青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，青島 266101)

失效分析

船用輔冷凝器B30合金管腐蝕失效分析

宋泓清1,周 娟1,王永明2

(1. 中國船舶重工集團公司 第七二五所青島分部 海洋腐蝕與防護國家重點實驗室，青島 266101;2. 青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，青島 266101)

某船用輔冷凝器B30合金管發生了大面積早期失效。通過失效B30合金管的腐蝕形貌、腐蝕產物及極化曲線分析其失效原因。結果表明：B30合金管發生了選擇性腐蝕，其內表面局部區域發生的嚴重腐蝕是由點蝕引起的脫鎳腐蝕，點蝕坑內的酸化環境使脫鎳腐蝕更加嚴重；由于銅的電位正于鎳的，銅在晶粒邊界附近發生回沉積。

B30合金；脫鎳腐蝕；冷凝器

船用輔冷凝器是汽輪機發電機組的一個重要部件，其主要功能是接收汽輪機排除的廢氣，并利用海水將其冷卻，排入凝水系統。在正常工作條件下，冷凝器管外溫度在64 ℃左右，管內冷卻海水溫度為22 ℃，腐蝕條件苛刻，因此對材料的耐蝕性要求很高[1]。20世紀30年代,B30合金普遍用于制作船舶冷凝器管并獲得了盛譽[2-3]。盡管B30合金被公認為是制造冷凝器管最優秀的銅合金，但B30合金管因早期腐蝕導致泄漏事故也經常發生[4]。國際上關于B30合金耐蝕性方面的研究主要包括外界環境因素、材質因素和耐蝕機理等三個方面[5-6]。B30合金耐蝕性優劣主要取決于合金表面是否能形成保護性腐蝕產物膜(簡稱保護膜)，凡是影響保護膜的因素均會直接影響B30合金的耐蝕性[7-9]。國內也發生了多起因船舶用B30合金管早期腐蝕導致的泄漏事故[10-11]。

某船用輔冷凝器的B30合金管件發生了大面積早期失效，對其進行取樣，并通過腐蝕形貌觀察、腐蝕產物分析和電化學試驗等方法，研究了腐蝕因素對腐蝕機理的影響，從而為管路維護和壽命評估提供依據。

由于船用冷凝器的取樣量較小，僅獲得了鄰近泄漏失效部位一段500 mm長的冷凝器B30 合金管。切開管樣后，發現該管段內部腐蝕嚴重部位主要集中在鄰近泄漏部位的下部積水處，存在管內穿孔。本工作主要對該腐蝕嚴重部位進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 化學成分

對該失效B30合金管的化學成分進行分析，結果如表1所示。

1.2 宏觀腐蝕形貌

由圖1可見，清洗前B30合金管內壁部分蝕坑內有黑色腐蝕產物，但大部分區域觀察不到明顯的腐蝕產物堆積。在彎管的中部，大約有20 cm長的區域被斷續的藍色和黑色腐蝕產物覆蓋。在該部位附近管道靠下的一側(積水一側)，可觀察到2處明顯的腐蝕深坑，靠上一側則沒有嚴重的腐蝕現象。有一部分區域被干狀淤泥覆蓋，呈黑色，該覆蓋物結合力較差，輕輕碰觸即脫落，脫落后呈現黃褐色的腐蝕產物，腐蝕形貌呈潰瘍狀。從腐蝕最嚴重的部位切取4片試樣進行檢測分析。

表1 失效B30合金管的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of the failed B30 alloy tube (mass) %

圖1 清洗前B30合金管內壁的宏觀形貌Fig. 1 Morphology of B30 tube inner surface before clearance of corrosion products

清除上述4片試樣上的腐蝕產物。由圖2可見，腐蝕最嚴重部位共有3處出現紅色蝕坑。

試樣1 試樣2 試樣3 試樣4圖2 清除腐蝕產物后腐蝕最嚴重試樣內表面的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of inner surface of the most seriously corroded samples after clearance of corrosion products

采用HIROX KH3000V三維視頻顯微鏡對腐蝕最嚴重部位進行掃描，通過生成的三維立體圖像測腐蝕深度，并對該區域內蝕坑尺寸分布進行統計，結果見表2。

1.3 微區腐蝕形貌

采用ULTRA55場發射掃描電鏡觀察試樣表面紅色蝕坑的形貌，并用能譜儀對蝕坑內外進行微區成分分析，取樣位置為圖3中A處和B處，分析結果見表3。

表2 腐蝕最嚴重試樣上坑蝕尺寸的分布Tab. 2 Distribution of pit size on the most seriously corroded samples

圖3 試樣表面紅色蝕坑的形貌Fig. 3 Morphology of a red pit in the surface of sample表3 紅色蝕坑內外的能譜分析結果(質量分數)Tab. 3 EDS analysis results of the inside and outside of a red pit (mass)

%

由表3可見，蝕坑外(A處)的成分符合B30合金特征；而蝕坑內(B處)鎳含量僅為1.84%(質量分數，下同)，遠低于B30合金中的鎳含量，這表明該部位發生了嚴重的脫鎳腐蝕。在酸性和中性環境中，根據圖4所示的Pourbaix圖可知，銅的電位比鎳的電位高90 mV左右，因此銅鎳合金中的鎳會優先腐蝕。當包圍銅單質的鎳腐蝕到一定程度時，銅會夾雜脫落造成深蝕坑。

圖4 銅鎳合金電位-pH復合圖(Pourbaix圖)Fig. 4 Potential-pH diagram (Pourbaix diagram) of copper nickel alloy

對紅色蝕坑內的紅色物質(圖5中C處)進行能譜分析，結果表明該物質為單質銅晶粒，D處為正常的B30合金成分。這是由于銅的電位正于鎳的，銅會在晶粒邊界附近發生回沉積。

圖6為最深蝕坑處的腐蝕形貌。由圖6可見，在深坑處，有大量圓球狀顆粒附著，對圓球狀顆粒進行能譜分析，結果如表4所示。

圖5 紅色蝕坑內的腐蝕形貌Fig. 5 Corrosion morphology of red pit

(a) 未腐蝕部位 (b) 輕微腐蝕部位 (c) 球狀顆粒圖6 最深腐蝕坑不同位置處的形貌Fig. 6 Morphology of deepest corrosion pit: (a) uncorroded area; (b) slightly corroded area; (c) spherical ball表4 圖6中相應區域的能譜分析結果(質量分數)Tab. 4 EDS analysis results of the relative areas in Fig. 6 (mass)

%

由表4可見，圓球狀顆粒為B30合金。同時，對最大蝕坑處周圍腐蝕較淺和未發生腐蝕的部位進行能譜分析，其成分也符合B30合金的要求。

1.4 動電位極化曲線

對失效B30合金管進行動電位極化曲線測試，測試采用PARSTAT-2273電化學工作站進行。工作電極為失效B30合金管，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑鈮絲電極。試驗介質為取自青島小麥島試驗站的天然潔凈海水。工作電極浸入試驗介質待開路電位(OCP)穩定后進行電位掃描，掃描速率為0.333 mV/s，掃描范圍為-200～+800 mV(相對于OCP)，采用C-view軟件進行數據分析。

由圖7可見，失效B30合金管內、外壁的自腐蝕電位都比較穩定，外壁自腐蝕電位較內壁的高60 mV左右。在沒有防護的情況下，這會持續導致鄰近銅鎳合金基體發生嚴重的電偶腐蝕。圖中內壁指的是經過去除腐蝕產物，打磨處理的試樣，而外壁則是指帶黑色鈍化膜的試樣。陰極反應為氧去極化過程，由于銅的腐蝕速率較低，陰極未出現氧擴散極限電流。陽極反應為銅的活性溶解，陽極沒有鈍化現象存在。兩種試樣均存在明顯的強極化區，因此自腐蝕電流采用Tafel外推方法獲得，外壁的極化曲線波動較大，在Origine軟件中進行平滑處理后再進行擬合，得到自腐蝕電流為1.03 μA/cm2(內壁)和3.32 μA/cm2(外壁)。

圖7 失效B30合金管內、外壁的動電位極化曲線Fig. 7 Potentiodynamic polarization curves of inner surface and outer surface of the failed B30 alloy tube

1.5 腐蝕產物

從失效B30合金管段各部位取下腐蝕產物，用X射線衍射(XRD)對其成分進行分析。由圖8可見，B30合金管的腐蝕產物主要為堿式氯化銅(藍色腐蝕產物)，含極其少量的硫化物(黑色腐蝕產物)。

(a) 黑色腐蝕產物

(b) 藍色腐蝕產物圖8 腐蝕產物的XRD譜Fig. 8 XRD patterns of corrosion products： (a) black corrosion product； (b) blue corrosion product

2 失效原因分析

硫化物是微生物腐蝕產生的，而腐蝕產物中的硫化物含量極少，因此，微生物腐蝕(SRB)不是造成嚴重腐蝕的主要原因。該冷凝器在使用工況下不存在外加應力，腐蝕形貌也沒有應力腐蝕開裂特征，因此可以排除應力腐蝕原因。材料的使用環境也不存在溶解氨，因此氨腐蝕的可能性也不存在。從腐蝕形態來看，在管壁內存在著較厚的沉積物，如果發生沖刷腐蝕，則管壁內不應存在雜物沉積。因此，腐蝕過程中也沒有發生沖刷腐蝕。

最有可能的腐蝕原因為沉積物腐蝕，沉積物腐蝕也被稱為固形物腐蝕，指管內由于黏泥及疏松多孔沉積物附著在管壁上，造成沉積物和溶液本體間的金屬離子或供氧濃度存在差異，形成腐蝕原電池，最終導致局部銅管管壁腐蝕的現象。從現場反映的結果來看，沉積物的腐蝕程度因水質狀況與合金材料的不同而有差異，沉積物在管壁上附著不僅會導致材料的腐蝕與泄漏，而且還會嚴重影響傳熱效果。形貌觀察也表明，淺蝕坑主要存在于沉積物下。在靜水狀態下，下方管段存在沉積物，腐蝕也主要發生在下方。在蝕坑形成后，微環境發生酸化，導致脫鎳腐蝕嚴重，當銅和鎳同時腐蝕時，由于銅的電位較正，會在晶界處發生回沉積。

3 結論

(1) 失效B30合金管內表面局部區域發生了嚴重的腐蝕，超過500 μm的蝕坑有7處，最深處的蝕坑深度達620 μm。在這7處發生嚴重腐蝕的部位，外觀呈紅色的有3處，其鎳含量低于B30合金的。

(2) 在有紅色夾雜物的嚴重腐蝕部位，因組織結構不均勻，存在回沉積形成的單質銅，單質銅的存在導致以富銅夾雜物為中心的電偶腐蝕現象。銅的自腐蝕電位比鎳的正，在微腐蝕電池作用下，鎳優先腐蝕，鎳腐蝕后銅在該處進一步富集；腐蝕進行到一定程度時，富銅顆粒脫落，形成深的蝕坑。

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Failure Analysis of B30 Alloy Tube Used for Vessel Auxiliary Condenser in Seawater

SONG Hong-qing1, ZHOU Juan1, WAMG Yong-ming2

(1. State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute Qingdao Branch,CSSC, Qingdao 266101, China; 2. Qingdao Sunrui Marine Environment Engineering Co., Ltd., Qingdao 266101, China)

Early failure happened in large areas of B30 alloy tube used for vessel auxiliary condenser. The failure reasons were analyzed through corrosion morphology, corrosion products and polarization curves. The results indicate that selective corrosion happened to B30 alloy, and the most serious corrosion in local area of inner surface was de-nickel corrosion because of pitting. The acidic environment in the pitting pits made de-nickel corrosion more serious. Potential of copper is more positive than that of nickel，so copper could deposited on grain boundaries.

B30 alloy; de-nickel corrosion; condenser

10.11973/fsyfh-201702014

2015-10-16

宋泓清(1976-),工程師,碩士,從事腐蝕與防護的相關研究工作,13853271728,songhq@sunrui.net

TG174.44

B

1005-748X(2017)02-0151-04