波紋金屬軟管在海上風電水冷系統上的漏水失效分析

蘇旭林 ，李志道， 柳 成

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

1 引言

根據《風電發展“十三五”規劃》，到2020年，我國海上風電開工建設規模將達到1000萬千瓦，力爭累計并網容量達到500萬千瓦。海上風電不斷向大容量、高可靠性的方向發展，對海上風力發電用密閉式循環水冷系統的可靠性要求也越來越高[1-2]。

海上風電用密閉式循環水冷系統主要包括泵站、空氣散熱器、外部連接管路[3-4]。波紋金屬軟管主要應用于連接水冷系統泵站與空氣散熱器的外部管路上，用于管道系統中為補償位移和安裝偏差、吸收振動及降低噪聲所采用的[5]。

2 應用背景

江蘇蔣家沙某海上風電項目，風電機組共75臺，18年并網運行，到目前為止投運約1年。每個機組包含兩套水冷系統，機艙和塔底各一套。機艙水冷系統主要用于齒輪箱和發電機的冷卻，配備6套自然風冷散熱器，塔底水冷系統主要用于變流器/變壓器的冷卻，配備4套強制風冷空氣散熱器[6]。波紋金屬軟管主要應用在塔底水冷系統連接泵站與空氣散熱器的外部管路上，且安裝在外部平臺，暴露于海洋性環境中。每套空氣散熱器配備2條1.25寸和4條3寸波紋金屬軟管。近來，該現場反饋塔底平臺水冷系統外部管路中有4條波紋金屬軟管漏水，其中1.25寸3條、3寸1條。本文重點對其中漏水嚴重的1條1.25寸波紋金屬軟管進行失效原因分析。

該漏水失效1.25寸金屬軟管按GB/T 14525-2010《波紋金屬軟管通用技術條件》生產制備[5]。波紋管材料為316L(022Cr17Ni12Mo2)，壁厚0.3 mm，光亮固溶熱處理狀態，材料標準為GB/T 3280-2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》[7]; 金屬網套采用鋼絲編織而成，編織參數為36mm×10 mm ×0.4 mm，材料為316L，冷拉狀態，材料標準為GB/T 4240-2009《不銹鋼絲》[8]。該失效樣品為2017年6月生產，2018年初投入項目使用，在蔣家沙近海環境中運行約1年，出現漏水失效。

本文采用形貌分析、EDS分析、金相分析、硬度分析、化學成分分析等方法對該波紋金屬軟管的漏水失效原因進行分析[9]，并提出相應的預防措施或建議。

3 失效原因分析

現場返回漏水失效的1.25寸波紋金屬軟管1條，實物如圖1。

圖1 現場返回漏水1.25寸波紋金屬軟管

3.1 試驗前檢驗

3.1.1 外觀檢驗

對漏水波紋金屬軟管外觀進行目視檢驗，金屬網套編制層完好，未發現明顯磕碰或凹痕等缺陷。

3.1.2 氣壓復檢試驗

對漏水波紋金屬軟管進行氣壓復檢檢測。連接管路，充入0.8MPa氣壓，放入水中進行觀察，發現有3處明顯漏點，與之前收到漏水反饋信息一致，見圖2。

圖2 失效管道氣壓復檢試驗

3.1.3 拆解編織層，標記泄露點

對該波紋金屬軟管外部金屬編織層進行剪切和拆除，發現內部有多處類似磕痕跡象，用手觸摸有輕微凸起感，找到三個泄漏點并做好標記。

3.2 形貌分析

3.2.1 宏觀分析

針對失效樣品，通過目視檢查進行形貌分析，3處標記泄漏點為A、B、C，均位于波紋管的外徑面頂部附近，且集中在波紋管的一小塊區域內，該區域表面可見明顯銹跡。而其余位置表面呈光亮金屬色，未見明顯銹跡。具體如圖3所示。

圖3 失效樣品外觀目視檢查

將失效樣品切割取樣后進一步光學放大觀察，見圖4～圖7。通過對泄漏A、B點外壁、內壁進行觀察可知，泄漏點口徑較小，呈垂直擴展，泄漏點處外壁表面存在明顯磨損及銹跡，而對應位置內壁表面僅可見一較小孔洞，表面仍保有原始狀態完好，未見異常。同時對C兩點進行光學放大觀察，現象與A點相似。且在泄漏點外壁表面附近，存在有小塊區域銹跡，還可見一定數量的一定深度的腐蝕坑或凹坑。由此觀察A、B、C三個泄漏點現象基本一致，外壁均存在明顯磨損、劃傷、凹坑和腐蝕，內壁完好。同時，可以確認腐蝕源來自外壁表面。

圖4 失效樣品泄露A點外壁形貌

圖5 失效樣品泄露A點內壁形貌

圖6 失效樣品泄露B點外壁形貌

圖7 失效樣品泄露B點內壁形貌

3.2.2 微觀分析

采用KEYENCE VHX-5000 超景深體式顯微鏡，對泄漏點A、B、C三點進行微觀觀察，如圖8 中A點顯微鏡不同倍數情況下所示。泄漏點及非泄漏位置的腐蝕坑內部及附近可見大量腐蝕產物及由腐蝕產品開裂后形成泥紋花樣。樣品表面的銹跡為覆蓋在表面上的，而非本體生銹。

圖8 失效泄漏點A的微觀形貌

3.3 EDS分析

采用Zeiss Sigma500 場發射掃描電子顯微鏡對腐蝕產物進行EDS分析(見圖9～圖10，腐蝕產物中可以探測到一定量的腐蝕性氯元素，且主要富集在泄露點附近，及一些微量外來金屬元素，如鈉，鎂，鋁，鉀，鈣等(見表1)。

圖9 腐蝕產物掃描電鏡 SEM圖片(15kV,200X)

圖10 腐蝕產物五個點的能圖譜

表1 腐蝕產物五個點的能譜數據 %

3.4 金相分析

采用Zeiss AXIO Imager 金相顯微鏡，按照GB/T 13298-2015金屬顯微組織檢驗方法進行金相分析[9]，見圖11～圖14。

圖11 泄漏A點的截面形貌(100-500X) 圖12 非泄漏位置腐蝕點的截面形貌(100-500X)

拋光態下觀察，失效樣品泄漏點及非泄漏位置的腐蝕坑的開口尺寸均較小，基本呈垂直狀往內擴展，且內部腐蝕寬度較大，為皮下型或梨型腐蝕坑，為典型的點蝕坑特征；結合EDS分析結果，腐蝕產物中可檢測到氯元素，因此可以確認為氯離子導致的點蝕。另外在腐蝕坑底部還可見一些沿晶腐蝕的現象，即又存在應力腐蝕的特征。

腐蝕后觀察，泄漏孔處金相組織與正常位置無明顯差異，均為帶孿晶的奧氏體組織，無異常。

圖13 泄漏點的截面金相組織(50～500X)

圖14 正常位置的截面金相組織(50～500X)

3.5 硬度分析

采用MICROMET 5103顯微維氏硬度計，按照GB/T 4340.1-2009金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法進行硬度分析[10]，見表2。失效樣品外徑面硬度明顯高于內徑面。結合波紋金屬軟管加工工藝，這是由于在加工成型過程中發生了變形，導致了形變強化，使得外徑面硬度高于內徑面。

表2 維氏硬度測試結果(HV0.3)

3.6 化學成分分析

采用ICP-OES，對失效波紋金屬軟管波紋管部分化學成分進行分析檢測結果如表3，失效樣品化學成分符合牌號要求。

表3 化學成分分析結果 %

4 分析小結

(1)從泄漏點及多個腐蝕坑的分布可知，均位于失效產品一小塊集中的區域內(該區域內分布大量銹跡，而其他位置為光亮金屬面)，且均位于外徑面頂部附近，因此很大可能與該區域的外界環境異常有關。同時，泄漏銹蝕位置附近都存在不同程度的腐蝕點坑，綜合內外表面情況分析，腐蝕坑呈現為外喇叭口狀，由外向內的腐蝕，隨著腐蝕的深入最終導致在波紋管較薄弱處穿孔泄漏。

(2)從失效產品的結構來看，泄漏點及腐蝕坑除表面均存在磨損或劃傷痕跡，可能是波紋管生產工藝流轉過程產生凹坑、劃傷或為波紋管與金屬編織層磨損所致，導致波紋管表面鈍化膜破壞，大大降低抗腐蝕性能，使得腐蝕易于發生。

(3)從腐蝕產物的成分來看，除了氯元素外，還檢測到微量的鈉，鎂，鋁，鉀，鈣等金屬元素，結合產品的使用環境，腐蝕介質的來源主要來源于海水或者海洋環境。

(4)失效產品的化學成分及金相組織均正常。

5 結論及建議

綜上所述，該現場水冷系統所用波紋金屬軟管波紋管及編織網套材質均為316L，產品應用在近海及遠海地區，一方面使用環境相對潮濕，且長期暴露在含有超標氯離子的潮濕海洋性空氣中，易引起氯離子富集發生點蝕；另一方面波紋管表面局部磨損、劃傷等缺陷，導致波紋管表面鈍化膜破壞，加速了點蝕泄漏[11-13]。

為了避免以后類似漏水問題的再次發生，建議如下：

(1)加強波紋金屬軟管波紋管和編織層的外觀檢驗，明確波紋管和編織層外觀檢驗的要求。波紋管表面不允許有可見的剝層，氣泡，夾渣、氧化皮， 銹斑，裂紋，尖角凹坑，尖銳折疊等缺陷，也不允許有深度大于壁厚的壓痕，深度大于壁厚下偏差的劃傷；編織層表面不允許有不平整、斷絲、折疊、凸出等現象[14]。

(2)加強波紋金屬軟管生產工藝過程及后續流轉的控制：波紋管在成型、下料、焊接、檢測、包裝、二次安裝等各工序及流轉過程做好相應防護和外觀檢測，避免出現波紋管磕碰、重壓、尖銳砸傷等。

(3)使用在沿海、遠海地區的波紋金屬軟管，在軟管表面通過增加聚乙烯PE熱縮保護膜或增涂相應的防護漆，使不銹鋼波紋管與外界海洋性環境隔離，可以延緩腐蝕情況的發生，大大的延長使用壽命。