論HXn5B 機車散熱器泄露問題及改善措施

張強強

（無錫金鑫集團股份有限公司，江蘇 無錫 214131）

概述

HXn5B 型內燃機車[1]是我國完全自主研發設計制造的大馬力內燃機車，是我國鐵路現代化、一體化、重載化及系列化而設計的后生車型。自該機車散熱器運行以來，已接到多起散熱器發生泄漏的質量事件，對此公司高度重視，組織客戶和專家一起分析泄漏原因及預防措施，我們對泄漏情況進行跟蹤驗證和分析。并結合HXn5 機車散熱器維修的案例，來對比分析和論證HXn5B 機車散熱器泄漏發生的原因和預防措施。

1 案例

（1） 2015 年8 月HXn5B 在西安段發生泄漏故障：運行里程13 000 km，運營時間4 個月。漏點1 處在高溫芯體銅管中間位置，高溫進水口水室內腔腐蝕嚴重，鍍鋅層被破壞產生鐵銹，大量泥污和黑色油污。

（2） 2015 年9 月，HXn5B 在西安段發生泄漏故障：運行里程13 800 km，運營時間4 個月。拆解發現：漏點5 處在高溫芯體銅管中間位置3 處、端部2處。高溫進水口水室內腔腐蝕嚴重，鍍鋅層被破壞有鐵銹脫落，大量泥污和黑色油污；銅管管內雜質形狀較大，硬度高。

（3） 2016 年11 月，HXn5B 在柳州段發生泄漏故障：運行時間12 個月。拆檢發現P1 節散熱器高溫進水芯體漏點18 處，管口內泥沙雜物。水室和管板表面附著大量雜物及銹蝕。散熱器中間對接端拆解后，發現端面四個角處附著雜質顆粒。

（4） 2017 年7 月，HXn5B 在嘉峪關段出現了泄漏故障：運行時間24 個月，高溫進水芯子扁擴圓過渡位置泄漏2 處，在低溫進水芯子泄漏1 處，管板和水室表面有顆粒雜物、生銹和煙灰狀附著物。

（5） 2016 年8 月，庫爾勒機務段的5 臺HXn5機車散熱器的維護拆解情況：運行時間3 年，運用約44.5 萬公里，現場拆解后，管板表面除3%的區域有銹蝕現象外，其他區域均保持著金屬光澤。散熱器芯子完好無泄漏，管口無沖蝕，芯體內部無泥沙等異常現象，散熱器芯體外表面和芯子內部均比較干凈。屬于運用較好的案例。

2 泄漏原因

機車散熱器常見的泄漏原因主要有銅管受到外力作用后產生的破裂，水室與管板之間的密封狀態不良，銅管由腐蝕引起的泄漏等。據統計，外力作用后泄漏的比例不足10%，密封件不良產生的泄漏約在25%左右，腐蝕引起的泄漏則在65%左右。

（1） 受外力作用：散熱器受到外力作用后產生的破裂，主要是機車在運行過程中散熱器受到樹枝、鳥類撞擊后銅管破裂后的泄漏。

（2） 密封不良：密封不良主要是指散熱器管板和水室殼體之間的連接處因橡膠密封件安裝錯位、表面缺損、老化，管板或水室密封面有貫穿性劃傷，螺栓緊固不到位等因素，引起的密封作用失效后的泄漏。

（3） 沖蝕磨損：銅管內表面與流動微粒（指冷卻液中的固體粒子或雜質）做相對運動，當微粒（特別是帶有尖角的粒子）以一定的速度和角度沖擊管壁后產生了裂紋，當裂紋一但萌生，裂紋隨沖擊的持續會逐漸擴展，將導致銅管的破裂及材料缺失。造成沖擊磨損的粒子，一般情況下硬度都很高，但是當流度很快時，軟的粒子甚至水滴也能造成沖蝕磨損[2]。

（4） 氣蝕：當空氣、蒸汽等氣體破壞了冷卻液的連續性后形成的真空或空穴，真空被液體中的氣體或蒸汽填充成氣泡，氣泡隨液體的流動在超過臨界壓力的銅管表面某區域發生收縮并消滅，消滅時一般會伴隨的氣爆現象，氣爆產生的沖擊和高溫使銅管表面的物質失去結合力后飛出，造成銅管表面物質缺失，長期作用的結果將破壞該區域導致銅管泄漏。

（5） 化學腐蝕：散熱器銅管采用的是C2300 黃銅管。黃銅管中的合金元素在腐蝕介質中并不是按合金中的比例溶解，而是電位較低、相對較有活性的Zn因電化學作用而被選擇性溶解，合金內部的Zn 通過表層上的復合空位迅速擴散并到達溶解反應的區域，持續的溶解使得表層下的金屬出現松散的層狀脫鋅腐蝕。

（6） 應力腐蝕：當銅管表面的保護膜（氧化膜、吸附膜、腐蝕產物膜）被應力（主要是拉應力）及腐蝕（沖蝕磨損或化學腐蝕）聯合作用后受到破壞，破壞的表面和未被破壞的表面之間形成滑移臺階，露頭的滑移臺階在應力作用下撕破了銅管表面的保護膜，局部暴露出活性裸金屬。破壞表面由于金屬活性較好成為陽極，未破壞表面為陰極，陽極處的金屬離子被溶解發生陽極溶解[3]，電流則流向陰極。陽極面積遠遠小于陰極面積，陽極的電流密度非常大，當電流加速后，由于陽離子的減少而形成空缺，最終產生裂紋，裂紋一但形成，尖端應力集中將導致晶體內的位錯沿著滑移面的前沿發生快速屈服，大量的活性溶解物質在前沿瞬間產生，導致尖端快速溶解，裂紋沿著金屬的晶界或穿晶擴展直到斷裂。

3 實驗結果及結果分析

（1） 對管內殘留及水室內部的沉積物及存在大顆粒物質（圖1）進行能譜分析（圖2）。其成分以Fe 和Mn 為主，從管內發現的固體雜質來看，有結晶固化物、機加工鐵屑、顆粒形沙石、鑄件殘留物、橡膠物質等非散熱器材質的物質存在。這些物質以鐵元素為主，形狀大小不一，小到可以通過銅管內腔或卡在銅管內部，大的則殘留在銅管端部的圓形截面處或直接留存在水室內部。當有固體鐵質材料進入了散熱器內部時，對水室及銅管內壁表面進行了沖蝕磨損。

（2） 對散熱器發生泄漏的孔洞周圍區域進行的電鏡掃描（圖3），從放大后的空洞形狀來看，孔洞帶有尖銳、豎直的邊緣，方向朝外，是受到外來物損傷了管壁。對孔壁（圖3 中A）進行的能譜分析（圖4）。從孔壁上檢查到Fe 的成分分析，是由含鐵的尖角物質撞擊該處或長時間停留在此處受到液體流動后該物質旋轉磨損擊穿了銅管。

（3） 對管內壁粘附的物質（圖3 中B 處）進行電鏡掃描（見圖5）及能譜分析（見圖6），其中Cu、Zn、Sn和Pb 是銅管基材的化學元素，Si 元素應該是硅材質的密封材料進入了水系統中，大量的O 是銅管內壁嚴重發黑的來源，黑色的氧化物是氧化銅，表面狀態凸凹比平，沖蝕磨損現象比較嚴重。當沖蝕磨損后銅管內部Cu、Zn 元素直接暴露在冷卻液介質中，由于Fe、Ca、O 等其他離子的存在，使銅管更容易產生脫鋅腐蝕。

（4） 散熱器銅管泄漏點及周圍發現的裂紋（如圖7）。對裂紋斷面進行的電鏡掃描，斷口存在晶間斷裂特征（如圖8），是符合應力腐蝕特征的。應力腐蝕一般是有三個條件：①材料可以遭受應力腐蝕；②材料表面區域存在殘余或運用拉伸引力；③材料暴露在特定的腐蝕成分中。黃銅是比較容易出現應力腐蝕開裂的，由于殘余應力的存在，在潮濕的環境中，尤其是在含氨蒸汽、三氯化鐵等的環境中放置一段時間，特別容易產生應力腐蝕，使黃銅開裂，這種自發破裂的現象稱為應力腐蝕開裂或者季裂[4]。然而散熱器使用的銅管C2300 比其他材質更能應對應力腐蝕，但仍然能被腐蝕；銅管和管板脹接以及在運用時可以產生殘余拉伸引力；冷卻液中有腐蝕離子的存在。從以上三個條件來看，很明顯散熱器銅管在現有運行介質中是滿足了應力腐蝕的條件。

（5） 對機車運行的冷卻液抽樣分析中，只有30%樣品符合機車冷卻液標準[5]。樣品中苯并三氮唑含量普遍偏低，對散熱器銅管的抗腐蝕保護作用有限。

（6） 散熱器高溫區域的管板表面出現了的明顯的氣液分界線，是空氣未被全部排出產生痕跡，由于空氣的存在也為氣蝕的發生提供了必要的條件。

（7） HXn5B 機車散熱器在維修過程中腐蝕嚴重。與HXn5 拆解的情況大不相同，HXn5 拆解后芯體外表面和芯子內部均比較干凈，大多數管板表面仍然保持金屬原有光澤。經跟蹤后發現HXn5 機車使用是舊版的3 號冷卻液配方。所以冷卻液的配方對散熱器的泄漏及壽命影響起到決定性的作用。

4 預防措施

（1） 在管路系統中或在散熱器水室內部增加過濾網系統，用來過濾掉水系統中的雜質及固化物。定期對過濾網進行清潔，裝車運行調試后在出廠前徹底清潔一次，交付客戶運營時定期對過濾網進行清潔。

（2） 控制冷卻液中的腐蝕離子的濃度、溫度等其他性質，阻遏腐蝕離子的再生。對黃銅腐蝕嚴重的離子如NH3蒸汽或NH3溶液、三氯化鐵、硝酸溶液、汞鹽溶液、及含SO2的氣體等[6]。

（3） 對已在機務段運行的HXN5B 機車散熱器，在徹底清潔冷卻介質流道的基礎上，使用提高了黃銅保護劑（苯駢三氮唑）濃度的冷卻液進行一次全面的修復性預膜處理，以改善散熱器的抗腐蝕能力[7]。

（4） 對水室內部結構進行設計優化，改善局部水流太塊對銅管端部造成的沖蝕。

（5） 機車啟動前對散熱器中及管道中的氣體全部排出，減少氣蝕的概率。

5 結論

HXn5B 機車散熱器在整個壽命周期內，散熱器內部存著沖蝕磨損、氣蝕、電化學腐蝕、應力腐蝕等單一或聯合破壞。氣蝕和電化學腐蝕破壞了銅管內壁的保護層，沖蝕磨損、電化學腐蝕及應力腐蝕則是銅管產生了裂紋，在殘余應力或拉應力作用下削弱了銅管材質的原子間結合力后引起破裂或斷裂，表現出應力腐蝕的特征。應力腐蝕在前期表現的不太明顯，但隨著運營里程和運行時間的增加，沖蝕磨損隨著對冷卻液質量的管控其效果表現的不太明顯，但氣蝕、電化學腐蝕、應力腐蝕將一直伴隨著整個散熱器的運行周期。只有對冷卻液中的腐蝕物質進行嚴格控制和規范操作，定期加入適量的緩蝕劑，才能阻遏腐蝕的速度以延長機車散熱器的使用壽命。