某電站冷卻器換熱管穿孔原因分析

劉曉偉 劉 忠

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

換熱管的材質(zhì)一般為鈦合金、不銹鋼、銅合金，其服役壽命與運行介質(zhì)直接相關(guān)，若選材不合理或介質(zhì)惡化，設(shè)備可能運行幾個月就會失效[1,2]。某電站冷卻器在運行一年半后，換熱管端部發(fā)生穿孔。為尋找換熱管穿孔原因，本文從失效部件的形貌、腐蝕產(chǎn)物等方面進行分析。

1 試驗材料與方法

某電站空氣冷卻器管冷卻管為TP2-M紫銅，框架及管板為316L不銹鋼材料，其管側(cè)的介質(zhì)為添加了磷酸鈉的除鹽水，殼側(cè)為空氣。進出口水溫分別是35℃、40.5℃，空氣入口測68℃，出口側(cè)38℃。采用體視顯微鏡、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析方法對換熱管穿孔區(qū)域進行表征。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 宏觀觀察

目視檢查換熱管穿孔區(qū)域，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)冷卻端部2根彎管存在泄漏情況，外表面附著綠色腐蝕產(chǎn)物，且表面附著一層清漆， 如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場泄漏形貌

將失效銅管置于體視顯微鏡下觀察，圖2為失效銅管內(nèi)外表面宏觀形貌，其內(nèi)表面穿孔部位為形狀不規(guī)則的小孔，表面裸露在大氣中，周邊其它區(qū)域附著一層清漆。銅管內(nèi)表面穿孔部位呈沿軸向的條狀形貌，表面附著一層氧化物。

圖2 換熱管穿孔形貌圖

2.2 材質(zhì)分析

將試樣打磨并拋光，露出金屬基體，進行能譜分析，結(jié)果如圖3示。從圖中可以看出，銅管為紫銅材質(zhì)。

圖3 能譜分析結(jié)果

對銅管縱向試樣進行非金屬夾雜物分析，結(jié)果如圖4所示。銅管基體非常潔凈，未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物。

圖4 縱向試樣夾雜物

2.3 金相分析

沿穿孔中部（徑向）將銅管切開進行穿孔金相分析。結(jié)果如圖5所示，穿孔內(nèi)部存在多處孔洞，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，孔洞從內(nèi)表面擴展，其中一處擴展到外表面造成穿孔而泄漏。

圖5 穿孔形貌（拋光態(tài)）

對失效銅管的未穿孔部位的內(nèi)外表面進行觀察，如圖6所示，外表面較為光滑，而內(nèi)表面布滿凹凸不平的大量蝕坑，說明銅管內(nèi)部介質(zhì)對銅管造成了腐蝕。

圖6 橫截面整體形貌

在失效銅管未穿孔部位取樣進行橫向和縱向金相組織分析，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，縱向基體無條帶狀組織，說明銅管在加工以后經(jīng)過了熱處理，發(fā)生了再結(jié)晶，基體組織為再結(jié)晶α相。進一步觀察其他部位可以發(fā)現(xiàn)，橫向和縱向截面均存在數(shù)個大小不一的孔洞組織（如圖8所示），說明材料本體發(fā)生了點蝕。

圖7 基體顯微形貌

圖8 銅鼓截面上孔洞形貌

內(nèi)表面點蝕發(fā)展呈不規(guī)則方向發(fā)展，如圖9所示。點蝕發(fā)展過程中在空間沿不同方向發(fā)展，故而在觀察銅管橫切面時發(fā)現(xiàn)部分點蝕坑在基體內(nèi)部較遠處，而沒有聯(lián)通至表面。

圖9 內(nèi)表面上的點蝕形貌

2.4 微觀形貌

圖10分別為失效銅管外表面和內(nèi)表面穿孔微觀形貌。從圖中可以看出，外表面穿孔孔徑約0.1mm，形狀不規(guī)則，內(nèi)部附著一定量的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)表面穿孔呈裂紋狀，方向沿軸向發(fā)展。

圖10 內(nèi)外表面穿孔微觀形貌（100×）

失效銅管外表面和內(nèi)表面穿孔部位能譜分析結(jié)果如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，失效銅管外表面以銅氧化物為主，內(nèi)表面除含有銅氧化物以外，還含有少量的鐵氧化物。

圖11 外表面穿孔內(nèi)部能譜分析結(jié)果

圖12 內(nèi)表面穿孔邊緣能譜分析結(jié)果

從微觀分析結(jié)果可以看出，銅管穿孔處出現(xiàn)了明顯點蝕特征，在其附近區(qū)域也散布有數(shù)個點蝕坑，能譜分析結(jié)果同樣顯示銅管內(nèi)壁普遍覆蓋著一層黑色CuO物質(zhì)。可見，在Na3PO4作為緩蝕劑的除鹽水條件下，服役銅管已經(jīng)出現(xiàn)了明顯腐蝕，腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為銅管內(nèi)壁整體的均勻腐蝕和局部點蝕，個別點蝕引發(fā)了腐蝕穿孔[3]。Na3PO4在除鹽水中會與鐵反應(yīng)生成Fe3（PO4）2沉積膜而對鋼制管道形成保護作用，但是對銅和銅合金卻沒有保護作用，相反加入Na3PO4會提高溶液的電導(dǎo)率，加快銅的氧腐蝕，反應(yīng)式如下：

3 結(jié)語

通過觀察換熱管內(nèi)外表面形貌可知，換熱管是由內(nèi)向外腐蝕后發(fā)生穿孔。

試樣的金相分析中發(fā)現(xiàn)橫向和縱向截面均存在數(shù)個大小不一的孔洞組織，且微觀形貌表征中銅管穿孔處出現(xiàn)了明顯點蝕特征，管內(nèi)壁普遍覆蓋著一層黑色CuO物質(zhì)，說明Na3PO4作為緩蝕劑的除鹽水工況中，服役銅管出現(xiàn)了明顯腐蝕，腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為銅管內(nèi)壁整體均勻腐蝕和局部點蝕，個別點蝕引發(fā)了腐蝕穿孔。