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不锈钢冷凝器换热管腐蚀失效的原因探究

时间:2022-05-08     作者:杭州海弯制冷设备有限公司

  不锈钢冷凝器是现代船舶系统中必不可少的装置,在船舶动力系统、滑油冷却系统和空调冷却系统均有应用。不锈钢冷凝器中的换热管由于长期与流动的海水接触,常常遭受严重腐蚀而缩短整个系统的使用寿命,处理不及时,甚至会酿成事故。换热管材料最初由碳钢、铸铁建造,因其不耐腐蚀,逐步改用TUP紫铜、Bl0等铜及铜合金材料。近年来,随着B30的生产工艺日趋成熟,船舶不锈钢冷凝器换热管开始换用具有良好的耐冲刷性能的B30铜镍合金管,这在很大程度上延长了换热管的使用寿命,但腐蚀问题仍然存在,海水管路泄漏情况时有发生。目前,国内外学者对B30在海水中的腐蚀进行了一系列的研究,由于传热管在海水中的腐蚀影响因素错综复杂,相关腐蚀失效原因也须结合实际状况进行分析,因此本文针对不锈钢冷凝器B30换热管的腐蚀问题进行分析,对其腐蚀失效原因进行研究。

  1试验材料及方法

  试验材料为发生泄漏的B30换热管,采用碳硫分析仪(CS800)和ICP(全谱直读等离子体发射光谱仪)对B30换热管进行化学成分检测,检测依据为GB/T5121.27-2008和GB/T5121.4-2008;根据GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》以及YS/T449-2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》,对B30换热管进行金相组织分析;利用三维视频扫描仪观察清除腐蚀产物后蚀坑形貌,并利用XL-30环境扫描电镜对B30换热管试样进行微观形貌观察,并结合EDS分析试样表面腐蚀产物。

  2结果及讨论

  2.1合金成分

  B30换热管的实测合金成分,该管段的实测合金成分均满足德国KME公司企标和德国标准要求,表明该管线的成分满足设计要求。

  2.2金相组织分析

  B30换热管内侧和外侧的横向和纵向金相组织,B30管段的金相组织为孪晶组织,晶粒度为10.0级。与标准B30管材的金相组织如图2所示,管内侧和外侧均为完全退火后等轴状孪晶组织,晶粒度为9.5级)相比,该B30换热管普遍存在外侧与内侧组织状态不一致的现象,管材外侧为等轴晶组织,而管材内侧局部呈现拉长晶组织,为非完全退火的组织。

冷凝器

  2.3宏观腐蚀形貌

  宏观腐蚀形貌如图3所示,可以看出,B30换热管外表面整体呈黑色,存在大大小小的可见麻点,麻点颜色为黄褐色,内部表面部分蚀坑内有黑色腐蚀产物,该覆盖物结合力较差,轻轻碰触即脱落,脱落后的腐蚀产物呈黄褐色,腐蚀形貌呈现出溃疡状腐蚀的特征。选取腐蚀最严重的部位如图4中标识区域)切割加工制备成20mmx55mm的长方形检测试样,进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物分析。

  2.4腐蚀形貌

  为B30换热管外表面和内表面各典型部位的三维视频扫描形貌,以试样边缘围成的区域作为统计区域,外表面腐蚀坑尺寸最小约250μm×300μm,最大约1300μm×800μm。腐蚀坑深度最浅约为15μm,最深约为65μm。内表面最大蚀坑长约8mm,宽约4mm,深约620μm,最小麻点200μm×150μm,深度约20μm。对比内外表面的腐蚀情况可知,B30换热管内表面腐蚀坑数量、坑深及腐蚀坑尺寸均大于外表面的,表明内表面腐蚀更为严重。

  2.5腐蚀产物

  将最严重腐蚀部位的试样表面泥垢油污和腐蚀产物清除,如图6所示,腐蚀坑底部出现两处红色物质箭头标识处)。经分析,该红色物质为高富Cu相。

  腐蚀坑表面外围(A处)和底部(B处)的SEM及EDS结果,可见,在蚀坑外,Ni元素含量32.08%(ω),Cu元素含量为64.89%(ω),材料成分符合B30合金特征;在蚀坑内,Ni元素的最低含量仅1.84%,远低于B30合金的Ni含量。

  腐蚀坑内部截面的SEM及EDS结果如图8和表3所示,可以看出,A处位于材料内部,B处位于腐蚀坑底部,C处为腐蚀坑底部颗粒状物质表面,A、B两处Ni元素含量相差不大,分别为26.42%和29.84%,C处Ni元素含量极少而Cu元素富集。同时,根据Pourbaix图,在酸性、中性和弱碱性环境中,铜的电位均正于镍90mV左右,只有到了强碱性溶液中(PH>13),镍的电位才比铜正。该B30换热管内部环境为具有弱碱性的海水,因此在高富Cu相的周围,富Ni相会优先发生腐蚀,当包围高富Cu相的富Ni相腐蚀到一定程度后,高富Cu相脱落,造成较深的腐蚀坑,成为管路中的薄弱区域,当腐蚀进一步发生后,可能导致腐蚀穿孔,进而发生泄漏。

  3结论

  B30换热管合金成分符合要求,但是管材内外壁微观组织存在差异。换热管内壁外壁均发生腐蚀,管路失效主要由与海水接触的内壁发生的点蚀所引起。换热管内壁首先发生富Ni相的腐蚀,导致高富Cu相脱落并逐步形成较深的腐蚀坑。


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