蒸發器銅管泄漏原因分析

(上海市特種設備監督檢驗技術研究院， 上海　200062)

某制冷設備有限公司一臺蒸發器銅管發生泄漏，導致中央空調系統停運。蒸發器用銅管規格(外徑×厚度)為?9.52 mm×0.45 mm，型號為LWC-060-18-20。蒸發器用銅管產品技術要求為，硬度大于40HV，晶粒度0.015～0.040 mm。銅管外圓光滑，內壁布有齒形槽，槽深0.25 mm，材料牌號為C1220T(JIS H3300)。蒸發器運行時，銅管內通氟利昂制冷劑，管外介質為自來水，工作溫度為-10～80 ℃。設備運行過程中發現銅管泄漏，泄漏的銅管在拆卸過程中繼發斷裂。文中采用多種檢測手段對蒸發器銅管泄漏并發斷裂的原因進行了分析，并提出了相應的建議。

1　蒸發器銅管檢驗檢測

1.1　宏觀檢測

無縫銅管斷后形貌見圖1。兩匹配斷面呈螺旋狀發展，斷面局部有矩形起伏，周邊區域未見明顯的塑性變形現象，也未見有與開裂相關的宏觀機械損傷等缺陷。斷面有可見擦傷，管內外表面均呈深褐色氧化形貌，內表面可見螺旋狀齒形細槽。

圖1　無縫銅管斷裂形貌

1.2　理化檢驗

(1)化學成分分析在銅管本體取樣進行化學成分分析[1-3]，結果見表1。由表1可知，材料化學成分符合JIS H3300—2006《銅及銅合金無縫管》[4]中C1220T的相關技術條件。

表1　銅管化學成分(質量分數)　 %

(2)硬度測定對銅管進行維氏硬度測量，測得銅管上3個點的硬度分別為83HV0.1、 87HV0.1、 90 HV0.1，均符合技術要求。

1.3　金相組織分析

1.3.1近斷面縱向截面區域

銅管近斷面的縱向截面區域低倍下形貌見圖2。圖2中下側的外圓表面可見幾處凹坑， A凹坑邊緣有垂直表面的裂紋，B凹坑表面毛糙。圖2中上側的內壁表面可見與外表凹坑相應的內壁表層開裂現象，如C箭頭所指。圖2中右側的斷面平直，近外表弧形斜向分布。

圖2　銅管近斷面縱向截面低倍形貌

斷面近外表區域可觀察到外表多處開裂并有明顯的流變，圖2中斷面中間擴展表層組織放大形貌見圖3。由圖3可觀察到斷面表層區有受擠壓變形流變現象，由外表向內壁發展，次表層組織為單相α，并可見有孿晶[5-8]。

圖3　銅管斷面中間擴展表層組織形貌(500×)

圖2中外表A區域裂紋分布放大形貌見圖4，可觀察到有始于外表且垂直于表面、沿晶狀曲折擴展的裂紋，裂縫內未見明顯的夾雜物[9-10]。圖2中內壁表層C區可觀察到曲折斷續裂紋及孔隙，擬與內壁槽的折疊裂紋相關。

圖4　銅管近斷面外表A區域裂紋形貌(500×)

1.3.2橫向(近內表面)截面區域

銅管橫向(近內表面)截面區域組織放大形貌見圖5。

圖5　銅管橫截面上內壁表層組織形貌(125×)

圖5上側矩形凹坑為內壁槽底，可觀察到槽的右側均布有斜向分布的折疊，槽底部均有斜向分布的折疊類缺陷。

1.4　掃描電鏡分析

掃描電鏡分析觀察到銅管斷面大部分區域受擦傷，隱約可見由外向內的流變現象。在內表面矩形槽根部可見斜向分布的表面裂縫，在槽側面上分布有螺旋狀且平行分布的加工痕跡。外表近斷面區域低倍下形貌見圖6，可觀察到斷面邊緣受擠壓呈渾圓狀并可見沿晶狀開裂現象，邊緣下方仍有沿晶狀損傷斑。凹坑內有沿晶剝裂現象，外表沿晶開裂并有流變。

圖6　銅管近斷面邊緣外圓表面形貌(35×)

銅管近外圓表面斷面邊緣形貌見圖7，斷面起伏大，局部呈沿晶狀開裂，斷面有少量細小韌窩，呈脆性形態。斷面中層區呈受擠壓層狀分布，并可見平行分布的推進條紋及沿晶狀二次開裂。

圖7　銅管近外圓斷面邊緣形貌(1 300×)

銅管近內壁的斷面邊緣區域形貌見圖8。

圖8　銅管近內壁斷面邊緣區域形貌(160×)

圖8上側為內壁的齒形槽，下側為斷面，可觀察到槽底的轉角處有裂縫沿45°方向發展，斷面呈由中層向內壁的流變形貌[11-14]。

1.5　X射線能譜分析

對圖2中銅管斷面凹坑區進行X射線能譜分析，能譜曲線見圖9。

圖9　銅管斷面外表凹坑區X射線能譜曲線

由圖9可見，除了Cu元素主峰線外，還可以看到O(約2.52%)、S(約0.18%)、Cl(約0.27%)及Fe(約3.23%)等元素峰線，表明表面缺陷與S等腐蝕相關。

2　蒸發器銅管檢驗檢測分析與討論

化學成分分析結果表明，蒸發器銅管材料化學成分符合JIS H3300—2006《銅及銅合金無縫管》中C 1220T相關技術條件。

硬度測定結果表明，蒸發器銅管硬度符合產品技術要求。

金相組織及掃描電鏡分析表明，蒸發器銅管內壁槽面存在加工溝槽及折疊類缺陷。

掃描電鏡分析、金相組織分析及X射線能譜分析表明，無縫銅管外表面有腐蝕開裂現象，并可進一步推斷出腐蝕與外表存在的凹坑相關。

3　結語

無縫銅管的斷裂過程為首先由腐蝕誘導開裂，裂紋繼而在使用過程中疲勞擴展，最后在檢查拆卸時的外力作用下斷裂。

腐蝕開裂的起因與銅管表面凹坑缺陷及銅管周邊介質中含有S等離子有關[15-16]。表面凹坑容易使腐蝕物局部滯留，會形成異常電位，造成沿晶狀開裂并在振動等應力下擴展，進而引發泄漏。內壁齒形槽的折疊類裂紋對開裂有明顯的負面作用。

建議對銅管外的水質提出要求，控制水中的硫、氯離子含量。完善加工工藝，消除加工溝槽中的折疊類缺陷。加強對銅管的檢驗驗收和保管，在生產過程中避免外表面損傷。

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