船舶冷卻系統(tǒng)銅鎳合金管腐蝕穿孔原因

石常亮, 張 欣, 李 揚(yáng), 李 雨,, 楊紅燕, 孫大翔

(1.廣東省科學(xué)院 工業(yè)分析檢測中心，廣州 510650；2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715)

船舶海水冷卻系統(tǒng)起著消防、換熱、冷卻等作用，其長期傳輸海水，必然會(huì)發(fā)生海水腐蝕問題[1-2]。隨著金屬材料的不斷發(fā)展，海水冷卻系統(tǒng)管道也從黃銅管和不銹鋼管發(fā)展到目前廣泛使用的銅鎳合金管,因其具有良好的耐腐蝕性能。

目前國內(nèi)多家造船廠反饋，船舶海水冷卻系統(tǒng)使用的BFe10-1.6-1銅鎳合金管的耐蝕性不穩(wěn)定，交付使用的多艘船舶銅鎳合金管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，這類問題主要出現(xiàn)在船舶各處的海水管路中，包括消防管路、機(jī)電設(shè)備海水冷卻管路、船底疏排水管路等。這些管路一旦發(fā)生腐蝕，就會(huì)威脅整船的安全[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)銅鎳合金的腐蝕問題研究較多[4-8]，但都主要集中在浸泡腐蝕條件下分析其腐蝕機(jī)理。銅鎳合金耐腐蝕性能的影響因素很多，其微觀結(jié)構(gòu)與耐蝕性之間的關(guān)系、影響銅鎳合金管耐腐蝕性能的因素及其影響規(guī)律還有待研究[9-11]。通過失效分析找到銅鎳合金管材腐蝕失效的原因及機(jī)理，不僅對(duì)解決行業(yè)內(nèi)普遍存在的銅鎳合金管海水管路的腐蝕問題具有重要意義。筆者采用體視顯微鏡、金相顯微鏡、電子探針等分析測試方法對(duì)腐蝕穿孔失效的BFe10-1.6-1銅鎳合金管道進(jìn)行失效分析，得到船用銅鎳合金管材腐蝕失效的原因，并對(duì)其腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究。

穿孔銅鎳合金管宏觀形貌如圖1所示，其牌號(hào)為BFe10-1.6-1，直徑為45 mm，壁厚為1.5 mm，其成型工藝為鑄料擠壓成型，失效管路為船機(jī)艙板式冷卻器進(jìn)出口管。

圖1 穿孔管的宏觀形貌

為了便于檢查管道內(nèi)壁的腐蝕情況，將該穿孔管樣品剖開，發(fā)現(xiàn)在管道內(nèi)壁有明顯的腐蝕坑(見圖2,圖中A,B,C為剖開面)。

圖2 穿孔管內(nèi)壁宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

從管道的管體上截取塊狀樣品，使用等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)穿孔管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢娫撛嚇拥幕瘜W(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26291—2010 《艦船用銅鎳合金無縫管》的技術(shù)要求。

表1 穿孔管的化學(xué)成分 %

1.2 拉伸性能試驗(yàn)

在穿孔管上沿縱向截取全壁厚拉伸試樣，并進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣寬度為12 mm，標(biāo)距為50 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢娫摯┛坠艿睦煨阅芊螱B/T 26291—2010 《艦船用銅鎳合金無縫管》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表2 穿孔管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 低倍宏觀形貌

采用體視顯微鏡對(duì)圖2d)中方框標(biāo)記的腐蝕坑及其周邊區(qū)域進(jìn)行宏觀形貌觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,在穿孔管內(nèi)壁的腐蝕坑及其周邊光滑區(qū)域均存在不同程度的劃痕，劃痕寬度約為200 mm，劃痕方向?yàn)楣艿赖妮S向，該劃痕可能是管道中的泥沙對(duì)管道沖刷造成的。由圖3可知，管道內(nèi)壁存在紅綠相間的腐蝕產(chǎn)物，該腐蝕產(chǎn)物的成分將通過電子探針進(jìn)行測定。

圖3 穿孔管內(nèi)壁腐蝕坑及其周邊區(qū)域低倍宏觀形貌

1.4 金相檢驗(yàn)

在穿孔管上沿橫向和縱向切取金相樣品[見圖2a)的A,B,C面],經(jīng)研磨和拋光后，用腐蝕劑腐蝕，然后對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4～6所示。由圖4可知，腐蝕管內(nèi)壁為α單相再結(jié)晶組織，且其晶粒度具有顯著的不均勻性，組織中的晶界處沒有明顯的夾雜物。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)其金相組織內(nèi)存在大量加工變形條紋組織，且越靠近內(nèi)壁，變形條紋越加明顯。尤其是圖5a)中顯微組織形貌非常符合沖刷腐蝕機(jī)理中的“擠出-鍛打”理論[12]。該理論認(rèn)為，試樣表層受“擠出-鍛打”形成形變金屬“小盤”，其更容易受到機(jī)械損傷，在隨后的顆粒沖擊中更容易脫落，形成腐蝕表面的小凹坑，導(dǎo)致材料磨損，進(jìn)而形成劃痕，這與體視顯微鏡的分析結(jié)果一致。

圖4 圖2中A面顯微組織形貌

圖5 圖2中B面顯微組織形貌

1.5 微觀分析

采用電子探針(EPMA)對(duì)圖2b)中光滑內(nèi)壁區(qū)的腐蝕產(chǎn)物、圖2c)中的腐蝕穿孔區(qū)和圖2d)中的腐蝕坑區(qū)進(jìn)行電子顯微形貌觀察和成分分析，結(jié)果如圖7所示，可見穿孔管內(nèi)表面被大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，且分布較為疏松。

圖6 圖2中C面顯微組織形貌

圖7 穿孔管內(nèi)壁腐蝕區(qū)域及內(nèi)壁微觀形貌

采用專用清洗劑對(duì)管內(nèi)壁表面進(jìn)行清洗后，對(duì)上述相同區(qū)域的顯微組織形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，試樣的腐蝕穿孔區(qū)域及腐蝕坑區(qū)域均有較為嚴(yán)重的活性溶解，并表現(xiàn)出晶間腐蝕的特征，即“冰糖塊”狀的形貌，還存在因流動(dòng)沖刷腐蝕導(dǎo)致的方向性，呈現(xiàn)“波紋”狀，在該試樣的組織結(jié)構(gòu)中，晶界是其薄弱環(huán)節(jié)，可以看到有部分“冰糖塊”顆粒脫落，這種現(xiàn)象是由海水的沖刷作用造成的。管內(nèi)壁光滑區(qū)域的腐蝕痕跡不明顯，在高倍顯微鏡下觀察，其存在一定的沿晶界腐蝕特征，但尚處于腐蝕的早期。

圖8 清洗后穿孔管內(nèi)壁的顯微組織形貌

為了研究腐蝕產(chǎn)物及銅鎳合金管的成分，對(duì)圖7，8中的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：區(qū)域1～3中含有大量的硅、氧、碳元素，少量的氯、鉀、鈣等元素；區(qū)域4中含有較多的鐵、氯、氧、銅等元素；區(qū)域5中則含有較多的氧、銅元素；區(qū)域6～8的成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26291—2010 《艦船用銅鎳合金無縫管》的技術(shù)要求。

表3 圖7，8中各區(qū)域能譜分析結(jié)果 %

2 綜合分析

理化性能測試結(jié)果表明，該銅鎳合金管的化學(xué)成分和拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26291—2010的技術(shù)要求，管體及腐蝕坑處的顯微組織沒有發(fā)現(xiàn)異常，所以材料性能并不是此次失效事故的主要原因。

對(duì)于銅鎳合金管，在沒有泥沙沉積的情況下，在溶解氧充足的海水中銅鎳合金表面很快生成Cu2O膜，其具有腐蝕防護(hù)作用[4]。雖然在海水沖刷下管道會(huì)發(fā)生少量腐蝕，但在海水中氧充足的情況下，會(huì)不斷生成新的保護(hù)膜，防止腐蝕的進(jìn)一步加深。從管內(nèi)壁光滑區(qū)域的EDS分析可以看出，其有較多的氧、銅元素，其生成的腐蝕產(chǎn)物是Cu2O，故其管內(nèi)壁光滑區(qū)域的腐蝕痕跡并不明顯，僅在高倍下能觀察到存在一定的沿晶界腐蝕特征，尚處于腐蝕的早期階段，進(jìn)一步驗(yàn)證了Cu2O膜對(duì)銅鎳合金的保護(hù)作用。

該銅鎳合金管的腐蝕穿孔失效主要是由海水沖刷腐蝕、晶間腐蝕和點(diǎn)蝕共同造成的。其腐蝕破壞過程為：在海水沖刷、腐蝕浸泡及泥沙顆粒的作用下，銅鎳合金管的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜遭到破壞，其中海水沖刷起到主要作用；在海水的作用下，首先從晶界處開始發(fā)生晶界腐蝕，并沿著晶界向內(nèi)擴(kuò)展；當(dāng)晶界腐蝕擴(kuò)展到一定程度時(shí)，晶粒開始松動(dòng)，并在海水沖刷下，晶粒開始脫落，海水中存在的泥沙顆粒將進(jìn)一步加速這一過程；當(dāng)晶粒脫落后，在新出現(xiàn)的表面發(fā)生晶間腐蝕和沖刷腐蝕，腐蝕從內(nèi)壁向外壁進(jìn)一步擴(kuò)展，出現(xiàn)腐蝕坑；當(dāng)腐蝕坑內(nèi)存在泥沙沉積時(shí)，形成了腐蝕原電池，局部管壁發(fā)生點(diǎn)蝕，直至管壁被穿透，并最終發(fā)生腐蝕穿孔。

3 結(jié)語

穿孔管的內(nèi)壁存在不同程度的劃痕，且腐蝕坑內(nèi)壁顯微組織形貌呈現(xiàn)“波紋”狀，符合海水沖刷腐蝕的特征；腐蝕坑的顯微組織形貌呈“冰糖塊”狀，符合晶間腐蝕的特征；泥沙沉積在管壁的腐蝕坑內(nèi)，形成腐蝕原電池，導(dǎo)致局部管壁發(fā)生點(diǎn)蝕；該穿孔管的腐蝕穿孔失效主要是由海水沖刷腐蝕、晶間腐蝕及點(diǎn)蝕共同造成的，海水中存在泥沙是該銅鎳合金管發(fā)生腐蝕穿孔的主要原因。