換熱器用無縫鈦管失效分析

摘" 要：該文通過采用宏觀檢測、顯微組織分析、掃描電鏡分析、能譜分析等方法對流動介質為氯化物溶液的換熱器用無縫鈦管進行失效分析，發現流動介質為氯化物溶液的換熱器中無縫鈦管主要是通過以下2種方式發生腐蝕失效的，一種是Fe+離子存在于鈦管材表面會在鈦管材表面形成點腐蝕，通過點腐蝕的方式使鈦管發生腐蝕失效；另一種是當換熱器的管板和管材形成一定縫隙時會發生間隙腐蝕，間隙腐蝕發生時鈦管會伴隨有吸氫反應和自催化作用，最終導致管材產生腐蝕孔洞而失效。同時筆者建議在制作內部流動氯化物溶液的換熱器時不易將不銹鋼管板和鈦管組合使用，并且管板與管材之間的間隙大于0.5 mm以免在使用過程中發生點腐蝕和間隙腐蝕導致換熱器泄漏。

關鍵詞：換熱器；無縫鈦管；失效分析；腐蝕；宏觀檢測

中圖分類號：R735.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0084-05

Abstract： In this paper， through the use of macro detection， microstructure analysis， scanning electron microscope analysis， energy spectrum analysis and other methods to the flow medium for chloride solution of the heat exchanger seamless titanium tube failure analysis， found that the flow medium for chloride solution in the heat exchanger seamless titanium tube corrosion failure mainly through the following two ways： one is Fe+ ions on the surface of titanium pipe will occur Titanium pipe surface form point corrosion， through the point corrosion of titanium tube corrosion failure; The other is that when the tube plate of the heat exchanger and the pipe form a certain gap， the gap corrosion will occur. When the gap corrosion occurs， the titanium pipe will be accompanied by hydrogen absorption reaction and self-catalysis， and eventually lead to corrosion holes and failure of the pipe. At the same time， we suggest that it is not easy to use stainless steel tube plate and titanium tube in combination when making heat exchangers with internal flow chloride solution， and the gap between the tube plate and the pipe is greater than 0.5mm to avoid point corrosion and gap corrosion resulting in heat exchanger leakage during use.

Keywords： heat exchanger; seamless titanium tube; failure analysis; corrosion; macroscopic detection

鈦管作為鈦基型材的一種，具有生物相容性好、比強度高、耐腐蝕好等優點，被廣泛用于醫療、海水淡化、石油化工、航天航空和海洋船舶等領域。尤其近年在化工領域的應用非常普遍，主要用做冷凝器的換熱管，不光解決了耐腐蝕、比強度高的問題，同時換熱效率也是非常高；但換熱器在使用過程中，仍發現有部分鈦管材發生腐蝕穿孔，造成泄漏，給企業帶來不小的經濟損失，一直困擾著整個行業。本文就換熱器用無縫鈦管發生腐蝕失效的機理及原因進行探索。

1" 檢測與分析

本項目試驗用鈦管來源于某項目換熱器內部，其工作環境衛生為內表面接觸CaCl2化學液體，外表面接觸高溫水蒸氣，在換熱器中工作6個月后，發生腐蝕泄漏，取出管材后發現多支管材在距端頭300～400 mm位置有腐蝕孔洞，腐蝕的管材形貌如圖1所示。管材外表面為黑色或土黃色非金屬色，發生了嚴重的腐蝕。

換熱器在安裝前對鈦管做了詳細的檢查，未發現有任何缺陷存在，換熱器及使用材料檢測信息見表1。

1.1" 宏觀檢驗

我們截取圖1所示樣管中間位置1#區域50 mm長作為試樣1，對腐蝕區域的形貌肉眼進行觀察，腐蝕嚴重表面如圖2所示和其背面如圖3所示。

圖2所示管材發生嚴重腐蝕并且穿透整個管壁形成孔洞，外表面凸凹不平，腐蝕膜厚度不均勻，離孔洞越近腐蝕越嚴重。圖3所示管材孔洞背面區域也發生腐蝕，表面凹凸不平，且有白色、褐色、土黃色沉積物，但與圖2所示區域比較，腐蝕較輕。同時對管材內壁進行觀察，發現內壁光滑平整。因此，判斷此管材失效是由外表面腐蝕引起。

1.2" 顯微組織分析

我們截取圖1所示樣管端部位置2#區域50 mm長作為試樣2，試樣2位于管材端部，腐蝕較輕，試樣1部位腐蝕比較嚴重，且出現了明顯的孔洞。在試樣1和試樣2橫截面制備金相試樣，進行顯微組織分析，顯微組織形貌如圖4、圖5所示。

通過圖4和圖5發現，試樣1和試樣2的外壁處都有一層腐蝕形成的黑色腐蝕層，試樣1的腐蝕層厚度較厚且管材壁因腐蝕變得不均勻，在腐蝕嚴重位置腐蝕膜厚度為92.80 μm，腐蝕層上有沿徑向的裂紋。試樣2腐蝕層較薄，腐蝕層厚度為24.0 μm，腐蝕層上無明顯裂紋且管材壁厚度均勻。由于試樣2的腐蝕層厚度較薄為試樣1的1/4，且表面平整，表明試樣2所在的2#區域為腐蝕反應后發生的區域和腐蝕比較緩慢的區域，而試樣1所在的1#區域為腐蝕開始發生和腐蝕反應劇烈的區域，也是腐蝕產生的根源，研究清楚1#區域發生腐蝕反應的原因也就找到了管材發生泄漏、失效的原因。

1.3" 斷口掃描

試樣1的區域產生徑向裂紋，這種現象的產生機理有2種：一種是管材發生腐蝕后形成的腐蝕層，腐蝕層為脆性相，在管材泄漏后受到溶液的沖擊、管子的振動等外力因素而產生裂紋，裂紋擴展開裂從而產生漏洞導致管材失效。另一種是管材本身存在微裂紋，在受到沖擊、振動等外力作用下微裂紋擴展最終導致管材開裂，腐蝕延裂紋發生從而產生漏洞導致管材失效。這2種情況最大的不同是第一種情況斷面為脆性斷裂形貌，第二種情況的斷面形貌為韌性斷裂形貌，為了研究清楚其機理，對1#試樣嚴重腐蝕區域進行斷口掃描如圖6所示，同時外力使1#試樣延裂紋方向斷裂后，對斷裂的基體區域進行斷口掃描如圖7所示。

圖6所示斷口形貌比較平整，沒有韌窩、撕裂等韌性斷裂形貌特征，而是界面比較平整的穿晶斷裂的脆性斷裂形貌特征。圖7所示斷口形貌能夠明顯地看見韌窩、撕裂等韌性斷裂形貌特征，為韌性斷裂。

根據圖6、圖7的形貌對比可以判斷此管材產生泄漏失效不是由于管材受到沖擊、振動等物理因素導致管材內部微裂紋擴展開裂，腐蝕沿著裂紋發生而產生孔洞，從而失效。而是管材先發生腐蝕后形成的腐蝕層，腐蝕層在受到沖擊、振動等外力因素而產生裂紋、開裂而導致的漏洞失效。

1.4 掃描電鏡分析

我們對試樣1的腐蝕穿孔區域和端面基體部分做了掃描電鏡分析。試樣1嚴重腐蝕區域和試樣1未發生嚴重腐蝕端面做了掃描電鏡分析如圖8和圖9所示。

從圖8中我們可以看到，1#試樣管材的腐蝕層和基體相交處，有從腐蝕層向基體中析出的針狀相，從圖8的1#基體區域在壁厚的0.5 d處，也可見有少量的針狀相，從外壁向內壁，針狀相逐漸減少。不難判斷此針狀相為鈦吸氫后產生的TiH脆性相組織。

1.5 能譜分析

為了進一步研究鈦管材發生腐蝕的原因，我們對試樣1的腐蝕區和基體區域進行能譜分析，腐蝕具體分析位置如圖10所示的區域1和區域2，結果見表2和表3，未發生腐蝕的基體區域結果見表4。

觀察表2、表3發現腐蝕區域擁有的元素相同，都擁有O、Si、S、Cl、Ca、Ti、Cr和Fe，而且含量基本相同；表4中只有Ti、Ni 2種元素；通過對比發現，腐蝕區域比基體區域多出了O、Si、S、Cl、Ca、Cr和Fe等元素，其中S、Cl、Ca、Si元素為工作介質CaCl溶液帶來的，在管材發生腐蝕時進入腐蝕層和管材發生泄漏后附著在管材表面。O元素為空氣中存在的，在發生腐蝕時進入腐蝕層。Fe、Cr元素為管板中存在的元素。可能是管材產生腐蝕的原因，我們需進一步討論。

2" 討論與結果

鈦是一個非常耐腐蝕的金屬，鈦也是熱力學極不穩定的金屬。鈦之所以既不穩定又耐腐蝕是因為通常情況下金屬鈦表面覆蓋著一層氧化膜，這層膜是在空氣中自然生成的，它穩定、附著性強、保護性強，室溫大氣中這層氧化膜厚度為1.2～1.6 nm，并隨時間的延長而增厚，它不是單一的結構，其氧化物的成分和結構隨生成條件而變化，一般情形下，在氧化膜與環境的界面可能是TiO2，然而在氧化膜與金屬界面可能以TiO為主，同時中間可能存在不同價態的過渡層，甚至是非化學當量的氧化物[1]。

鈦在濕氯氣、氯化物溶液、含氯的化合物（如氯酸鹽、亞氯酸鹽、次氯酸鹽和過氯酸鹽等）溶液中，都具有很好的耐腐蝕性，這也是為什么采用鈦材制作換熱器的原因。但鈦材在高溫高濃度氯化物溶液中會發生縫隙腐蝕，尤其在與聚四氟乙烯等有機化合物材料相接觸時，縫隙腐蝕更加嚴重。縫隙腐蝕是在緊密的隙間位置發生的局部腐蝕現象，隙間可以是結構產生的（如法蘭連接面或墊片面、管與管板脹接處及螺栓或鉚釘的連接面等）[2]，也可以結垢或沉積物下的覆蓋面引起的。在高溫氯化物介質中，濕氯氣中，氧化劑緩蝕的鹽酸溶液，甲酸和草酸溶液中等介質，都發生設備的縫隙腐蝕破環。本試驗管材的300～400 mm處正好是換熱器管材與換熱器管板接觸的地方。同時通過顯微組織分析發現，腐蝕開始的地方位于樣管1區也就是管板與管材的結合部位，因此，本次管材是發生了間隙腐蝕。

縫隙腐蝕的發生都有一個孕育期，孕育期長短與許多因素有關，如環境溫度、氯化物種類和濃度、氧化劑濃度、與鈦接觸的材料、溶液的pH及縫隙的大小和幾何形狀等。鈦在氯化鈉溶液中，氯離子濃度愈高、溫度愈高、pH愈低，那么縫隙腐蝕的孕育期越短，也就是縫隙腐蝕的敏感性越強。縫隙中的溶液成分和pH，是與本體溶液完全不同的。一般說來，縫隙中的氧濃度較低、氯離子和氫離子濃度較高（pH低于本體溶液），縫隙內的pH可下降到小于1，縫隙中的電極電位變得更負，從而使得縫隙中的鈦處于活性狀態。鈦的縫隙腐蝕通常是在縫隙面的局部位置，而一般不會在整個縫隙面上全面發生腐蝕[2]。縫隙腐蝕的孕育期結束之后，也就是一旦“成核”則由于自催化機理使得腐蝕迅速發展，最終導致局部穿孔而破環。鈦縫隙腐蝕的發生過程中常常伴隨吸氫，甚至使用金相顯微鏡可以觀察到鈦材中針狀氫化物的存在。隨著吸氫量的增加，表面的氫化物不斷增加，使得腐蝕全面加快。與此同時，氫不斷滲透到金屬內部，內部的氫化物沉淀可能成為應力腐蝕開裂的裂紋源，導致外應力作用下的開裂。孕育期的開始階段，縫隙內外進行著同樣的反應。其陰極反應消耗了縫隙溶液中的氧，當縫隙中氧貧乏之后，陰極反應只在縫隙外進行，縫隙內主要進行陽極反應——鈦的陽極溶解。隨著縫隙內鈦離子的不斷增加，為了維持縫隙中正負離子的電荷平衡，氯離子不斷遷移進入縫隙中。同時鈦離子在縫隙中積聚發生水解反應，生成白色的腐蝕產物氫氧化鈦，氫氧化鈦脫水之后的白色腐蝕產物經鑒定為TiO2。水解反應使得縫隙內的pH下降，進一步破壞了鈦的鈍態。所以縫隙腐蝕的孕育期一旦結束，其發展是非常迅速的，這就是所謂的“自催化作用”。由本試驗的掃描電鏡分析看出在樣管的腐蝕層上生成了很多的針狀TiH相，這也進一步說明本次管材發生間隙腐蝕的同時進行了吸氫反應，進而產生了“自催化作用”最終導致管材腐蝕穿孔泄漏。

另外，鈦在高溫濃氯化物溶液中也發生點腐蝕的現象，一般而論，鈦的點腐蝕比縫隙腐蝕更加困難，縫隙腐蝕通常是以縫隙面上的點腐蝕形式出現的。在氯化物或溴化物溶液中，溫度升高提高鈦的點腐蝕敏感性。點腐蝕的發生和發展一般有3個階段，即成核、生長和再鈍化。點腐蝕的成核條件是鈦所處的電位高于膜的破裂電位，點腐蝕電流隨時間的增長表明成核之后腐蝕點（孔）的生長情況。但是由于腐蝕孔的總面積并不是固定不變的，所以電流大小不可能作為腐蝕孔生長的定量尺度。鈍化抑制“點腐蝕”的發展，在某些情形下點腐蝕可能停留在第2階段，第3階段不一定出現。鈦中鐵含量高的時候，其耐點腐蝕的能力下降，金屬鈦中的鈦鐵（Ti-Fe）相，通常是點腐蝕的成核位置。

由于本換熱器的管板采用的是不銹鋼材質，使鈦管與管板結合的位置存在Fe+，從而在鈦管表面形核產生點腐蝕，最終導致管材腐蝕開裂。

總之，本次管材腐蝕產生漏洞，是由于管材與管板結合的位置發生了點腐蝕和縫隙腐蝕所導致的。

3 結論

1）換熱器鈦管失效是由于管板采用不銹鋼材質，為鈦管表面代入Fe+，使之發生點腐蝕。

2）換熱器管板和鈦管材之間的縫隙不合適，使鈦管材發生了間隙腐蝕，進而發生吸氫反應和“自催化作用”，最終導致管材腐蝕穿孔，產生漏洞。

3）換熱器內部通過溶液為氯化物溶液時，不要選擇不銹鋼管板避免造成點腐蝕。換熱器管板與管子之間應預留一定的縫隙（一般大于0.5 mm），避免產生縫隙腐蝕。

參考文獻：

[1] 周星.Ti-Ni形狀記憶合金人工食管的研究[D].上海：上海大學，2010.

[2] 李民堂，馬立文，李龍輝，等.氯堿生產中鈦設備的縫隙腐蝕及控制[J].氯堿工業，2019，55（4）：43-45.