超超臨界火電機(jī)組熱交換器BFe10-1-1白銅管泄漏分析

(皖能合肥發(fā)電有限公司, 合肥 230041)

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗污性能和換熱性能，且其腐蝕溫度敏感性較低，常用來制造電力工業(yè)領(lǐng)域中火電機(jī)組的熱交換器[1-5]。某超超臨界火電機(jī)組發(fā)電機(jī)氫冷器運(yùn)行4 a(年)后發(fā)生泄漏，解體后發(fā)現(xiàn)多處熱交換器管子內(nèi)壁呈現(xiàn)腐蝕形態(tài)，其中數(shù)根管子出現(xiàn)穿孔性泄漏。該泄漏失效的熱交換器管子材料為BFe10-1-1白銅，規(guī)格為φ19 mm×1 mm，管內(nèi)流通介質(zhì)為閉式循環(huán)水，pH為8.5～9.5，流動(dòng)速度為1.2 m·s-1，工作壓力為0.2 MPa，工作溫度為40～50 ℃。為找出該BFe10-1-1白銅管的失效原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1為失效管子的宏觀形貌，可見管子泄漏部位存在明顯龜裂現(xiàn)象，裂紋呈放射狀，未見明顯塑性變形。

圖1 失效管子的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of failed tube

1.2 化學(xué)成分分析

在失效管子未發(fā)生泄漏部位分別截取3個(gè)試樣，采用PDA7000型全定量元素分析儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見失效管子符合GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》對(duì)BFe10-1-1白銅的成分要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

截取失效管子的泄漏部位(含裂紋區(qū)域)，經(jīng)水磨拋光后，使用鹽酸100 mL+氯化銅5 g+酒精100 mL浸蝕，然后采用Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡觀察其顯微組織和裂紋形態(tài)，如圖2所示。圖2 a)和b)可見失效管子的顯微組織為單相α固溶體，圖2 c)和d)可見管子泄漏部位存在多條裂紋，裂紋呈放射狀并沿晶界分布，且在擴(kuò)展過程中不斷形成網(wǎng)狀伴生裂紋。

表1 失效管子的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of failed tube (mass fraction) %

圖2 失效管子的顯微組織及裂紋形貌Fig.2 Microstructure and cracks morphology of failed tube:a) microstructure 200×; b) microstructure 1 000×; c) cracks 200×; d) cracks 500×

1.4 斷口分析

失效管子泄漏部位試樣經(jīng)3次超聲波清洗后(清洗介質(zhì)為分析純無水酒精),采用Carl Zeiss sigma 300型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其斷口及裂紋形貌，如圖3所示。圖3 a)可見斷口呈冰糖狀，圖3 b)可見裂紋內(nèi)部存在明顯覆層。對(duì)斷口及裂紋內(nèi)覆層進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果見表2。可見斷口及裂紋內(nèi)覆層的物質(zhì)主要為腐蝕產(chǎn)物，其中氯化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，同時(shí)含有部分硫化物。

對(duì)失效管子泄漏部位進(jìn)行面掃描分析，如圖4所示。可見失效管子基體中碳、鎳、鐵等元素呈明顯的區(qū)域性分布，且主要分布于基體晶界處。

1.5 管子內(nèi)壁覆層檢驗(yàn)

對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行SEM分析，如圖5所示，并對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表3。可見失效管子內(nèi)壁存在明顯的覆層，覆層主要為沉積物和腐蝕產(chǎn)物。

圖3 失效管子斷口及裂紋SEM形貌Fig.3 SEM morphology of a) fracture and b) cracks of failed tube

表2 失效管子斷口及裂紋內(nèi)覆層的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of fracture and crack inner claddings of failed tube (mass fraction)

圖4 失效管子泄漏部位面掃描分析形貌Fig.4 Morphology of surface scanning analysis of leaking parts of failed tube:a) surface scanning; b) carbon element; c) iron element; d) nickel element; e) copper element

圖5 失效管子內(nèi)壁覆層SEM形貌Fig.5 SEM morphology of inner wall claddings of failed tube

表3 失效管子內(nèi)壁覆層EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 EDS analysis results of inner wall claddings of failed tube (mass fraction) %

2 分析與討論

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗腐蝕性能，一般情況下不容易發(fā)生腐蝕，只在海水介質(zhì)流動(dòng)速度達(dá)到3 m·s-1時(shí)才會(huì)出現(xiàn)表面嚴(yán)重破壞，腐蝕速率迅速增大的現(xiàn)象[3,5]。

發(fā)生泄漏的熱交換器管子內(nèi)壁存在明顯的沉積物覆蓋，容易造成白銅管內(nèi)壁沉積物下內(nèi)壁表面與流通介質(zhì)的氧濃度和介質(zhì)濃度的差異，進(jìn)而形成沉積物下氧濃差腐蝕。沉積物下缺氧的管壁為腐蝕原電池的陽極，沉積物周圍富氧區(qū)為陰極。由于熱交換器白銅管中的冷卻水偏堿性，在缺氧的情況下，沉積物下的白銅管(陽極)被氧化成Cu2+和Cu+后進(jìn)而水解成Cu2O，并使得腐蝕坑內(nèi)的溶液呈酸性進(jìn)而加劇腐蝕的發(fā)生，導(dǎo)致白銅管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，反應(yīng)方程式[6]如下

Cu-e-=Cu+

(1)

Cu-2e-=Cu2+

(2)

2Cu++H2O=Cu2O+2H+

(3)

2Cu2++H2O+2e-=Cu2O+2H+

(4)

在點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域酸性環(huán)境的作用下，Cl-對(duì)存在于晶界部位的鐵元素產(chǎn)生進(jìn)一步腐蝕使得富集于晶界處的鐵元素不斷流失形成空位，空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生，最終導(dǎo)致管子產(chǎn)生晶界腐蝕開裂[7-8]。

3 結(jié)論及建議

該熱交換器BFe10-1-1白銅管內(nèi)壁存在明顯的沉積物，沉積物下形成氧濃差腐蝕，導(dǎo)致管子內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕；點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域的鐵元素不斷流失形成空位，空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生，最終導(dǎo)致管子發(fā)生晶間腐蝕開裂。

建議在機(jī)組停機(jī)時(shí)開展熱交換器的保養(yǎng)及清洗工作，對(duì)換熱器管子里的殘留介質(zhì)進(jìn)行吹除并充氮?dú)猓粚?duì)同廠家同批次生產(chǎn)的熱交換器管子內(nèi)壁腐蝕情況進(jìn)行檢查，以確保機(jī)組安全運(yùn)行。