循環水暖管道氧化腐蝕失效分析及應對策略

文 波 馬 瑩

（呂梁職業技術學院，山西 孝義 032300）

0 引言

水暖氣是在北方等寒冷地區使用范圍最廣的采暖設備，具有保暖作用。隨著人們對生活要求的提高，冬季對于采暖的要求也變得嚴格起來，傳統依靠空調過冬的南方人也逐步轉向了明裝暖氣片[1]。暖氣片具有升溫速度快、施工周期短、維護方便、操作簡單等采暖優勢。國內暖氣片生成行業的年產值近100億元，隨著供暖區域南移、市場日益龐大，也極大的推動了未來暖氣片行業的發展。鋼制暖氣片是其中使用范圍較廣的一種。而集中供暖是各地采暖方式的重要選擇，集中供暖是集中熱源所產生的的蒸汽、熱水，通過管網供給一個城市采暖等獲取熱量的方式，集中供暖隨著城市化進程的加快及人們對資源與環保認識也在逐步擴大規模，暖氣片是集中供暖中用戶最重要的一環[2-4]。因環境的影響，在整個非冬季供暖時期，暖氣片是處于閑置狀態；直到供暖開始，會向暖氣片內打壓不低于0.6MPa的溫水。暖氣片是安放在房間內部，在經歷長期閑置后，其安全性是直接關系到住戶的生命健康和財產安全。但是在國內的研究中對暖氣片長期閑置或者長久使用后安全穩定性的分析很少[5-7]。

當采暖期結束后，水暖供熱管網整體處于停用狀態，長時間的停用在很大程度上增加了管網內外腐蝕的可能性。國內外的眾多研究人員對管道內外腐蝕現象進行了研究，王佳、胡文江等人對土壤溫度、含水量等因素對地下埋設管道的腐蝕現象的影響,更多的研究人員關注管道內腐蝕的影響，主要集中研究鍋爐到加熱器的管段和水箱等補水系統的氧化腐蝕現象[8,9]。但是對于供暖初期由于加壓供水和長達半年的腐蝕影響的共同作用，而產生的沖蝕現象同氧化腐蝕對管道的綜合影響研究很少。熱水管網的腐蝕是管網維護的重要問題，增大了供熱的安全隱患，可能造成巨大的經濟損失，因此研究管道受到沖蝕因素的影響問題和損傷量非常重要。研究沖蝕腐蝕聯動機制對解決工程應用中遇到的問題或者降低水暖管道中的損傷量是至關重要。

在供熱管網領域，對于供熱能量的損耗的減少以及管道內外的腐蝕現象研究比較多，但是在腐蝕發生后經歷沖蝕的損傷因素還有待進一步進行研究。在本文中主要通過現場調查暖氣管道損傷位置，并對損傷暖氣管道進行失效分析，分析損傷發生的原因，如變形加工工藝的位置、本身缺陷的存在等原因，通過理化分析對管道受損原因進行研究討論，同時采用數值模擬方法重現了初次加壓注水時的應力場，總結了損傷原因，并提出了如何進行防護的策略，為今后暖氣片管道的防腐蝕設計和運營維護提供參考。

1 實驗材料與方法

選取了如圖1所示的柱式暖氣管道受損部位。采用切割機分割暖氣片，并將穿孔部位取出，制成樣品。然后采用超聲波清洗機及腐蝕劑清洗樣品表面。利用SEM/EDS分析部件成分，對孔及周邊部位進行觀察，觀察材料的微觀形貌。在對表面進行分析后，采用8%的鹽酸處理材料表面，將基體表露。并進行外觀檢查、成分分析以及顯微組織分析等理化檢查。

圖1 暖氣管形貌及其內部圖

2 實驗結果

2.1 外觀檢查

確認穿孔部位，其外觀檢查結果如圖2所示。從圖中可以看出該位置處于暖氣管的主管道內側，孔附近外壁的涂層已剝落，但是其他位置的涂層都完好；孔附近內壁受液體壓力與沖刷及腐蝕較為嚴重，這可能是受到了嚴重的氧化腐蝕，而且可以從周圍的宏觀形貌看出，暖氣管底部和上部平臺受到液體的腐蝕更嚴重。在該位置有較厚的氧化層，因而對氧化層進行了表面形貌觀察[10]。

圖2 暖氣管穿孔部位內外表面圖

對氧化層進行了表面形貌觀察，從形貌圖中可以看出氧化層較厚，而且表面充滿了各種裂紋及孔洞，材料結構很疏松，如圖3所示。這樣的結構在受到液體腐蝕或者較大壓力下很容易脫落或加劇基體的腐蝕。為觀察基體的情況，需要去除表面氧化層[11, 12]。

圖3 未處理前穿孔位置的表面形貌圖

采用8%的鹽酸處理材料表面，顯露出基體材質。如圖4所示。觀察可以發現在材料表面有大量的腐蝕痕跡及小坑。因而需要對基體表面進行形貌觀察。

圖4 去除腐蝕層后的穿孔圖

在清理后可以觀察穿孔附近的亮白的基體，圖5為孔附件表面形貌，圖6為穿孔位置附近的金相組織。可以看出在材料的基體上有大量的深坑，而且在腐蝕嚴重區域厚度已經比其他位置要薄很多，材料的表層有脆性斷裂的痕跡；而材料的組織產生彎曲等變形。從圖5中可以基本確定材料在被腐蝕后會產生大量的裂紋，在受壓力等后從裂紋處斷裂。而由孔附近的材料厚度與其他位置的厚度可以看出，該位置被全部氧化后或接近全氧化后，則會因壓力等因素壓碎該位置[9-13]。

圖5 孔附近的斷裂紋

圖6 孔附件金相圖（5＊100倍）左圖為穿孔附近，右圖為其他位置

2.2 顯微組織分析

將穿孔附近的材料和其他位置的材料進行切片制樣，利用光學顯微鏡觀察材料基體的金相組織。圖6為孔附近以及其他位置的金相組織圖。通過材料的金相組織可以看出，該位置受到了沖壓等工藝，形成帶狀組織，讓更多的小缺陷顯像出來。缺陷的增多使該部位被氧化的可能性增大，更容易形成氧化物，破壞整體的力學性能。

同時利用掃描電鏡觀察了內壁的氧化層形貌，基體表層形貌，從圖7中可以看出，在材料的表層有較多的細小孔洞，在這些位置很容易讓氧分子及水分子進入材料結構內部，形成新的氧化層。通過成分檢測可以得到其成分構成如表1所示，為鐵的氧化物，致密度為5.24g/cm3。氧和水可以通過小缺陷進入材料內部，形成氧化層，擴大缺陷的范圍。形成了致密度較低的氧化層,局部的抗壓能力被破壞[6]。

表1 氧化層化學成分

圖7 材料基體表層的形貌圖

2.3 應力場分析

截取其中的一段暖氣片模型進行非線性有限元計算。分析了當加入0.6MPa壓力的水后，其管道內部的應力分布，其有限元模型如圖8所示。

圖8 應力計算有限元模型

通過計算可得到管道整體的應力分布如圖9所示。從圖9中可以看出，在管道的彎管處其應力值最大，在該位置管道壁受到的壓力最大。最大應力位置與圖1中的失效位置相一致。管道其余區域的應力較低。

圖9 應力分布圖

3 失效分析

基于理化分析和數值模擬的結果，對暖氣片失效機理進行分析，得出如下結論：

該暖氣片管道中通過的液體為水，在供暖結束后，管道內的水離開，剩余的水和空氣同管道的基體Fe發生氧化反應，生成致密度低的氧化鐵。尤其在經過變形工藝的位置，其內部缺陷因為變形工藝而增大，容易形成更多的氧化物，氧化物不斷的對該位置進行腐蝕，在該處形成疏松的氧化層。

暖氣管道的應力場模擬結果表明，暖氣管道變形R處的應力值最大，而該位置正是因加工工藝而發生變形的位置。當加壓供暖時，在R處受到較大的壓力，但是因為疏松氧化層的存在，導致了此處的氧化層破裂脫落，最終形成了破孔。

4 總結與建議

該部位形成了穿孔現象，從上述檢測可以得出該穿孔部位是管道整體在受到大量成片的氧化腐蝕后，結構疏松的氧化層連成片，大大降低了管道的強韌性。而且該位置存在大量缺陷，組織疏松，受氧化的程度最高，完整的基體只剩下很薄，在受到壓力或者變形的情況下很容易就會產生斷裂。而且由于氧化層的范圍比較大，大部分區域的氧化層比較厚，在有位置斷裂后，其他位置由于基體變薄，氧化層較脆容易發生脆性斷裂，從而產生范圍較大的穿透現象。

暖氣管道內部在經過了長時間的空置后，在管道有過沖壓變形工藝的位置，缺陷顯現，氧氣和水更容易進入內部，形成致密度低的氧化層，并逐步擴大加深，造成了該部位的抗壓能力降低。當加壓注水后，該位置無法承受水壓而形成斷裂并穿孔。

暖氣管道發生內部損傷的位置處于發生變形的位置，并且在長達半年的閑置后產生氧化的可能性會增大，一旦發生氧化就會形成不可逆轉的損傷，極大的降低了暖氣管道的使用壽命。可在制作暖氣片完成后通過電鍍的方法在內壁形成致密的氧化膜，或者在使用閑置期間，通過注滿水的方式來進行保養。