循環(huán)水泵冷卻水管腐蝕失效分析

趙必江，阮紅梅，劉世念，揭敢新，呂旺燕，黃海軍，王 俊

（1. 中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663；2. 華南理工大學(xué)，廣州 510000；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510663）

循環(huán)水泵冷卻水管腐蝕失效分析

趙必江1,2，阮紅梅1，劉世念3，揭敢新1，呂旺燕3，黃海軍1，王 俊1

（1. 中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663；2. 華南理工大學(xué)，廣州 510000；3. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510663）

循環(huán)水泵冷卻水管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕失效。通過ICP對(duì)管材進(jìn)行成分分析，確定材料并無成分缺陷。再通過對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析和XRD掃描，發(fā)現(xiàn)Cl-可能是引起腐蝕失效的重要原因，而Cl-很有可能來自冷卻水。因此建議改善冷卻水質(zhì)并改用耐Cl-腐蝕的材料制作冷卻水管。

循環(huán)水泵冷卻水管；腐蝕；失效

概述

材料發(fā)生失效之后，就不能滿足材料的服役條件。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)業(yè)中廣泛使用的金屬材料，幾乎都會(huì)發(fā)生腐蝕失效。因此，腐蝕失效分析的目的不僅在于對(duì)腐蝕失效性質(zhì)的判斷和腐蝕失效原因的分析，而且要通過腐蝕失效分析找到預(yù)防腐蝕失效的有效途徑，防止重大失效事故的發(fā)生，確保設(shè)備或裝置安全運(yùn)行[1]。

某公司循環(huán)水泵冷卻水管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕失效，水管內(nèi)部出現(xiàn)橙紅色垢層及垢塊，嚴(yán)重影響了水泵正常工作。據(jù)公司介紹，冷卻水管為T10鋼，冷卻水為城市自來水，使用時(shí)間為兩年。該公司委托我方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物成分分析，同時(shí)分析發(fā)生腐蝕失效的原因并給出改進(jìn)意見。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

送檢循環(huán)水泵冷卻水管規(guī)格（外徑×厚度×長度）為38mm×5mm×340mm，宏觀檢驗(yàn)結(jié)果見圖1-圖3。

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)客戶提供的資料，該循環(huán)水泵冷卻水管材質(zhì)為T10鋼。在冷卻水管上取樣，ICP進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1.3 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析

腐蝕產(chǎn)物垢層疏松、潮濕，表層為橙紅色腐蝕產(chǎn)物，底層為黑色腐蝕產(chǎn)物（如圖2所示）。分別提取兩種腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行真空烘干，然后使用德國蔡司EVO 18掃描電鏡/英國牛津INCA 能譜儀進(jìn)行能譜掃描。

1.4 腐蝕產(chǎn)物XRD分析

分別提取圖2和圖3所示腐蝕產(chǎn)物，真空烘干，放入瑪瑙研缽進(jìn)行研磨。研磨成粒徑處于10nm-100um范圍內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物粉末，然后使用日本島津X射線衍射儀XRD -6100進(jìn)行XRD分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀觀察結(jié)果

宏觀檢驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖3所示。從圖1中可以看出循環(huán)水泵冷卻水管表面已發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕，油漆層剝落，凸顯出紅黑色銹蝕物。圖2為管內(nèi)壁宏觀觀察結(jié)果，可以看出層狀腐蝕很嚴(yán)重，表層為橙紅色腐蝕產(chǎn)物，表層垢物清理后為黑色腐蝕產(chǎn)物。圖3為管內(nèi)橙紅色腐蝕產(chǎn)物垢塊。垢層垢塊潮濕松散易清理。

圖1 循環(huán)水泵冷卻水管外壁

圖2 循環(huán)水泵冷卻水管內(nèi)壁

圖3 冷卻水管內(nèi)壁垢塊

表1 管材化學(xué)成分分析

2.2 冷卻水管材質(zhì)成分分析結(jié)果

循環(huán)水泵冷卻水管材質(zhì)幾種重要元素分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)T10鋼標(biāo)準(zhǔn)元素含量可知，該循環(huán)水泵冷卻水管材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 腐蝕產(chǎn)物能譜掃描結(jié)果

電鏡掃描腐蝕產(chǎn)物，放大倍數(shù)為100倍。從圖4和圖5中可以看出，腐蝕產(chǎn)物1組織相對(duì)緊密，孔洞較少，有層狀樣；腐蝕產(chǎn)物2組織疏松，結(jié)構(gòu)松散。能譜掃描結(jié)果見表2和表3，腐蝕產(chǎn)物1和腐蝕產(chǎn)物2均含有少量的Cl-，且腐蝕產(chǎn)物2含量更多，同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物2中含有少量Ca元素。

2.4 腐蝕產(chǎn)物XRD掃描結(jié)果（見圖6和圖7）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）化學(xué)成分分析結(jié)果表明：冷卻水管的化學(xué)成分符合T10鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，雜質(zhì)含量不高，因此發(fā)生腐蝕失效并不是因?yàn)榇嬖诓牧先毕荨?/p>

2）腐蝕主要發(fā)生在循環(huán)水泵冷卻水管內(nèi)壁，且有嚴(yán)重的結(jié)垢情況。檢測(cè)垢層，發(fā)現(xiàn)其含有大量Cl-，證明循環(huán)水泵冷卻水管中的冷卻水質(zhì)可能有問題[2-3]。

3）能譜掃描結(jié)果分析：對(duì)于腐蝕產(chǎn)物1，主要是Fe、O兩種元素，還有少量的Cl元素。腐蝕產(chǎn)物1中的Cl元素可能是隨著腐蝕的加深，由冷卻水經(jīng)腐蝕產(chǎn)物1滲入。對(duì)于腐蝕產(chǎn)物2，除了Fe和C、O主要元素外，還有Cl、Ca元素，其中Cl、Ca可能來自冷卻水，另外還有極少量的Si、Al、P、S等元素，可能是鋼材的基本組成成分，在腐蝕的過程中溶出所致。

4）XRD掃描結(jié)果分析：對(duì)腐蝕產(chǎn)物1進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)主要Dirt block是Fe、O元素，還有微量的C、Cl元素。腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe3O4、Fe2O3；腐蝕產(chǎn)物2的XRD圖譜經(jīng)過比對(duì)發(fā)現(xiàn)，主要物相可能是Fe2O3，其次是Fe3O4，腐蝕產(chǎn)物主要成分為CaFeO2、Fe3O4、Fe2O3、Fe(OH)3，但XRD峰的強(qiáng)度并不高，說明橙紅色腐蝕產(chǎn)物中含有大量的雜質(zhì)，可能是冷卻水管內(nèi)長期聚集的泥土等。對(duì)腐蝕產(chǎn)物2的XRD掃描分析結(jié)果和腐蝕產(chǎn)物1的剛好相反。這個(gè)規(guī)律也符合宏觀觀察的現(xiàn)象。

圖4 腐蝕產(chǎn)物1能譜圖

圖5 腐蝕產(chǎn)物2能譜圖

表2 腐蝕產(chǎn)物1成分及比重

表3 腐蝕產(chǎn)物2成分及比重

圖6 腐蝕產(chǎn)物1XRD掃描圖譜

圖7 腐蝕產(chǎn)物2XRD掃描圖譜

5）腐蝕產(chǎn)物1和腐蝕產(chǎn)物2的峰值只有幾百至一千多，尤其是腐蝕產(chǎn)物1，峰值很低。這表明腐蝕產(chǎn)物中含有較多雜質(zhì)，可能是泥土等[4]。這個(gè)結(jié)果也表明冷卻水質(zhì)可能存在問題。

4 結(jié)論

冷卻水存在Cl-含量過高及雜質(zhì)含量高的問題，這兩個(gè)問題導(dǎo)致腐蝕失效的快速發(fā)生，腐蝕逐層加深并結(jié)垢。管內(nèi)結(jié)垢導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)垢腐蝕，加劇腐蝕失效。

循環(huán)水泵冷卻水管兩種腐蝕產(chǎn)物都含有一定量的Cl，且表面層腐蝕產(chǎn)物Cl含量更高。 Cl-的離子半徑小，容易穿過膜層，置換氧原子形成氯化物，加速陽極過程的進(jìn)行，使腐蝕加速，由此推斷氯離子可能是引起腐蝕的主要原因之一[5]。由于兩種腐蝕產(chǎn)物中Cl的含量均很低，可能是冷卻水引入，因此建議客戶改善冷卻水質(zhì)，或者換襯塑鋼管、鍍鋅鋼管等耐氯離子腐蝕的材料制作冷卻水管。

[1]趙敏,康強(qiáng)利,郭興建,趙恒慶,黃新泉. 腐蝕失效分析方法及展望[J]. 理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2006,12：624-627,630.

[2]曹小剛,高萬山. MTBE裝置冷卻器管束腐蝕穿孔失效分析[J]. 石油化工設(shè)備,2015,01：86-88.

[3]陳鷺濱,徐英,周英勤,盛偉. 中央空調(diào)冷卻水管腐蝕開裂失效分析[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2003,05：507-510.

[4]付健,唐冬,印文濤,王偉,肖星鵬,李建勇. 原油管線焊接接頭的失效分析[J]. 焊接技術(shù),2015,01：64-67.

[5]王宏,劉賢賀,潘涵. 海上石油鉆井套管接頭腐蝕穿孔失效分析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2015,01：92-97.

Failure Analysis on Cooling Water Pipe Corrosion of Circulating Water Pump

ZHAO Bi-jiang1,2, RUAN Hong-mei1, LIU Shi-nian3, JIE Gan-xin1, LV Wang-yan3, HUANG Hai-jun1, WANG Jun1
(1. State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products, China Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd. Guangzhou 510663; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510000; 3. Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Co. Ltd. Guangzhou 510663)

Circulating water pump cooling water pipe has serious corrosion failure. Through the analysis of steel composition by ICP, it determines that the composition of the material has no defect. Then through the spectrum analysis and the XRD scan of corrosion products, it found that Cl- may be the important cause of corrosion failure; and Cl- is likely to come from the cooling water. Therefore, it gives the suggestion that improving the cooling water quality and using the Cl- corrosion-resistant materials on cooling pipes.

cooling water pipe of circulating pump; corrosion; failure

TQ050.7；TG<172.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B class="emphasis_bold">172.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004-7204（2015）03-0017-04172.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1004-7204（2015）03-0017-04

B 文章編號(hào):1004-7204（2015）03-0017-04

趙必江（1990-），男，湖北，華南理工大學(xué)碩士在讀，研究方向?yàn)榻饘俨牧系氖Х治觥，F(xiàn)于中國電器科學(xué)研究院工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)。

廣東省中國電器院風(fēng)電裝備腐蝕控制關(guān)鍵技術(shù)院士工作站（2013B090400023）項(xiàng)目資助；中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目（K-GD2013-0501）項(xiàng)目資助。