中央空調用鋼管失效分析

楊曉潔 李 明 張繼斌 張勇亭 孫海勇 袁興棟

（山東省產品質量監督檢驗研究院) （山東建筑大學材料科學與工程學院）

中央空調用鋼管失效分析

楊曉潔*李 明 張繼斌 張勇亭 孫海勇 袁興棟

（山東省產品質量監督檢驗研究院) （山東建筑大學材料科學與工程學院）

研究了中央空調用鋼管的失效。中央空調用鋼管在安裝使用一段時間后，出現泄漏。通過宏觀檢查、金相組織分析、化學成分檢測、掃描電子顯微鏡及能譜分析等方法，分析了中央空調用鋼管泄漏的機理和原因。結果表明，鋼管泄漏的主要原因是氯離子吸附在鋼管內表面形成點蝕核，并逐漸向深處擴展，最終在自催化作用下造成鋼管被腐蝕穿透。

鋼管 點腐蝕 失效分析 中央空調

0 前言

某中央空調用鋼管在安裝使用一段時間后，出現泄漏。該鋼管材質為Q235B，表面經鍍鋅處理。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

泄漏鋼管的實物形貌見圖1(a)。鋼管外壁直徑42 mm，內壁直徑36 mm，管壁厚3 mm。通過觀察發現，蝕孔的尺寸長約2.5 mm，寬約1 mm，蝕孔附近無脹粗變形現象，見圖1(b)。鋼管內部有厚約15 mm的淤泥沉積，焊縫位于淤泥的下方，見圖2。將鋼管從縱向剖開，去除內部淤泥，發現鋼管內壁泄漏點周圍的氧化腐蝕現象很嚴重，由鋼管內壁向外壁發展，直至蝕穿管壁而泄漏，而鋼管外壁平整，無腐蝕現象。將鋼管內壁清洗干凈，發現焊縫及鋼管基體內壁表面均存在腐蝕凹坑，大小不等、深淺不同，且主要集中在焊縫處，見圖3。另外從鋼管外壁觀察泄漏部位，發現腐蝕穿孔只發生在焊縫處。

1.2 化學成分分析

對中央空調用鋼管進行化學成分檢測，結果見表1。由表1可知，該中央空調用鋼管符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》標準中鋼號為Q235B碳素結構鋼的規定。這說明泄漏原因不是由于材料問題導致的。

1.3 金相檢驗

在鋼管泄漏處橫向及未泄漏處橫、縱兩個方向上分別截取試樣，并依次標記為試樣1、試樣2和試樣3。按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》制備試樣。試樣經鑲嵌、磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察，發現存在非金屬夾雜物，見圖4。依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》標準，評定為硅酸鹽類細系3級。

試樣經4%硝酸酒精溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察。試樣1因取自腐蝕穿孔處，只觀察到部分熱影響區，顯微組織見圖5。試樣2的焊接接頭由焊縫+熱影響區組成，基體組織為F+P，組織正常，見圖6。

圖1 泄漏鋼管的實物形貌

圖2 鋼管內沉積的淤泥

圖3 鋼管縱剖面

表1 鋼管的化學成分 （%）

圖4 試樣3非金屬夾雜物

圖5 試樣1顯微組織

圖6 試樣2顯微組織

1.4 掃描電鏡及能譜檢測

對焊縫腐蝕穿孔處及鋼管基體內壁腐蝕處分別進行掃描電鏡及能譜檢測，發現蝕坑周圍有氯和硫的富集。氯分別約為0.15%和0.20%，硫分別約為0.62%和0.79%，表明蝕坑周圍含與氯相關的腐蝕產物，其能譜圖見圖7、圖8。

圖7 焊縫腐蝕穿孔處周圍腐蝕物能譜圖

圖8 鋼管基體內壁蝕坑周圍腐蝕物能譜圖

2 分析與討論

2.1 腐蝕性質分析

通過對蝕孔宏觀形貌的觀察可知，蝕孔尺寸小且深，它在金屬表面的分布，有些較分散 （如管壁處），有些較密集 （如焊縫處），孔口有腐蝕產物覆蓋。依據文獻 [1]中對金屬發生點腐蝕時具有特征的描述，并結合掃描電鏡及能譜檢測結果，可知該鋼管基體內壁及焊縫處發生的腐蝕穿孔現象其實質為點腐蝕。

2.2 腐蝕原因分析

由文獻 [1]可知，盡管鋼管腐蝕物中氯離子濃度較低，但在陽極極化條件下，介質中只要含有氯離子便可使金屬發生點腐蝕。氯離子吸附在鋼管表面，破壞了金屬表面的鈍化膜，達到發生點腐蝕的臨界離子濃度后，形成點蝕核，蝕核繼續長大形成蝕孔。此時蝕孔內的金屬表面處于活態，電位較負，成為陽極；蝕孔外的金屬表面處于鈍態，電位較正，成為陰極。這樣構成一個小陽極-大陰極的微電池，造成陽極電流密度很大，致使蝕孔很快加深。此外，銹層與淤泥在孔口沉積形成一個閉塞電池，蝕孔內、外物質交換困難，蝕孔內金屬氯化物濃縮，蝕孔高速度深化，致使鋼管蝕穿。

并不是所有的蝕孔都蝕穿鋼管，因為蝕核形成后，該點仍具有再鈍化的能力，再鈍化阻力較小，蝕核就不再長大。由于焊縫處存在焊接應力，應力引起金屬晶格的扭曲，降低了金屬的電位，加速了腐蝕過程，所以蝕穿都發生在焊縫處。

另外，夾雜物的存在對鋼材耐蝕性也會產生不利影響。從文獻 [2]可知，鋼中非金屬夾雜物與基體的電極電位不同，在分界處會引起電化學腐蝕，造成點腐蝕多產生在夾雜物所在處。腐蝕產物中還發現S元素的富集。關于含硫離子對點腐蝕的影響，費志強[3]認為，Cl-和SO42-在有氧存在時將產生加速點腐蝕的傾向，其中SO42-的催化作用更顯著。姜濤等[4]研究了含硫陰離子對低碳鋼孔蝕的影響， 結果表明， CNS-、 SO32-、 SO42-、 S2O32-等離子促進碳鋼孔蝕形核，而S2-、S2O32-、SO32-等離子促進小孔生長。

3 結論及改進措施

結論：

（1）氯離子吸附在鋼管內表面形成點蝕核，并逐漸向深處擴展，最終在自催化作用下造成鋼管被腐蝕穿透，發生泄漏。

（2）含硫離子和夾雜物的存在加速了點腐蝕傾向。

改進措施：

在金屬表面施加涂覆層，采用陰極保護，或在腐蝕介質中加入少量緩蝕劑，是防止點腐蝕發生的有效措施。

致謝：

特別盛謝金屬材料失效分析專家周英勤老師給予的悉心指導。

[1]魏寶明.金屬腐蝕理論及應用 [M].北京:化學工業出版社,1984:148-151,214.

[2]機械工業理化檢驗人員技術培訓和資格鑒定委員會.金相檢驗 [M].上海:上海科學普及出版社,2003:77.

[3]費志強.鍋爐受熱面管子腐蝕成因分析 [J].工業鍋爐,

[4]2003(1):55-56.姜濤,左禹,熊金平.含S陰離子對低碳鋼孔蝕的影響[J].腐蝕科學與防護技術,2001,13 (15):249-253.

Failure Analysis of Steel Pipe Used in Central Air Conditioning

Yang Xiaojie Li Ming Zhang Jibin Zhang Yongting Sun Haiyong Yuan Xingdong

In this paper,the failure of steel pipe used in central air conditioning was investigated.Leakage was observed in the pipeline during operation.Macroscopic analysis,metallurgical structure inspection,chemical composition analysis,scanning electron microscope (SEM)and energy dispersion spectrum (EDS)analysis were carried out to investigate the leakage mechanism and cause.The results revealed that the adsorption of chloride ion on the internal surface of steel pipe caused the nucleation of pitting.The corrosion cell leaded to deepening of the pitting.Finally,the self-catalyzed reaction leaded to the leakage failure of the steel pipe.

Steel pipe;Pitting corrosion;Failure analysis;Central air conditioning

TQ 050.9

*楊曉潔，女，1982年生，工程師，碩士。濟南市，250100。

2011-08-08）