循環冷卻水致冷凝器封頭腐蝕穿孔失效分析

檀偉偉

(北京市朝陽區特種設備檢測所，北京100122）

制冷機組是目前市場上普遍使用的調節環境溫度的產品,在使用過程中經常出現各種失效問題[1-12]。某單位在用制冷機組2017 年10 月投入運行，2020 年壓力容器定期檢驗期間發現該機組冷凝器封頭漏水，導致該機組無法使用，處于停用狀態。經檢查發現封頭存在嚴重的局部腐蝕現象，腐蝕形態為穿孔。對安全穩定生產構成威脅，造成較大經濟損失。嚴重影響了公司生產的正常運行。該冷凝器設計及工況條件如下：其管程介質為自采井水，殼程介質為冷媒R134a。管程走的是自采井水，未經過任何處理。封頭材質為Q345R。腐蝕和結垢的發生導致換熱設備傳熱效率降低。本工作對該制冷機組及循環冷卻水進行了理化檢驗，確定了該制冷機組冷凝器發生腐蝕穿孔失效的根本原因，并提出了相應的改進措施，為日后設備的檢修、安全使用提供了有用的數據支撐。

本文對循環冷卻水及腐蝕穿孔封頭進行了理化檢驗，確定了該冷凝器腐蝕穿孔的根本原因，并提出了相應的改進措施。

1 測試與分析

1.1 封頭表面宏觀腐蝕形態分析

觀察冷凝器封頭宏觀腐蝕形態，如圖1 所示，發現有潰瘍狀腐蝕和坑蝕，并有腐蝕穿孔現象。該區域表面粗糙，外層漆膜已經剝落。穿孔周圍超聲測厚有均勻減薄現象。初步斷定，該冷凝器封頭腐蝕穿孔為由內向外的腐蝕穿孔。

圖1 封頭腐蝕的宏觀形貌

1.2 封頭材料化學成分分析

該冷凝器封頭采用的是Q345R 鋼板，按GB/T223.1-5-1988《鋼鐵及合金化學成分分析方法》對封頭材料進行化學成分分析，其化學成分分析結果如表1 所示。 由表1 可知，封頭的化學成分符合GB5310-2008 中Q345R 鋼板的技術要求。

表1 封頭的化學成分及標準值

1.3 腐蝕截面能譜分析

在腐蝕穿孔的封頭附近取樣,腐蝕產物可分為塊狀和結晶狀兩種，靠近腐蝕穿孔區域結晶狀腐蝕產物分布較多。采用能譜儀對腐蝕產物進行EDS 成分分析，結果見下圖2。由圖2 可以看出腐蝕產物主要含氧元素和鐵元素。腐蝕產物主要為鐵的氧化物或氫氧化物，還含有一定量的Ca、Mg 離子的碳酸鹽,還發現了點蝕穿孔最敏感的Cl 元素。

圖2 腐蝕產物能譜分析圖

1.4 水質分析

該冷凝器循環冷卻水采用的是井水。對循環冷卻水的pH、總硬度、Cl-、溶解氧的含量進行了測試，結果如表2 數據所示。

表2 循環冷卻水水質分析

2 冷凝器封頭腐蝕失效原因分析

2.1 溶解氧、氯離子和沉積物垢下腐蝕[15-20]

從封頭腐蝕情況來看，腐蝕是從內到外發生的。垢樣的主要成分為碳酸鹽、硅酸鹽，恰恰符合循環冷卻水的運行工況。封頭內部走循環水，循環水使用的是自采井水。

根據測試及分析結果，可以認為封頭腐蝕穿孔的主要原因是殼程循環冷卻水中溶解氧和氯離子含量過高。封頭位置水循環不好，循環冷卻水中泥砂的沉積、微生物粘泥的附著、水垢的生成都能在封頭下側形成沉積物。沉積物造成表面不同部位上的供氧差異和介質濃度差異會導致局部腐蝕[。沉積物存在使內壁表面不均勻，形成電極電位差。水中的溶解氧，導致金屬腐蝕加劇。氧與封頭內壁的鐵元素發生氧化反應生成疏松多孔的鐵的氧化物。就會導致腐蝕進一步發展，最終導致穿孔。

2.2 水的流速對腐蝕的影響

一般情況下，水的流速越大，水中各種物質擴散的速度也越快，從而使得碳鋼腐蝕速度加快。此設備循環冷卻水運行，下管進水，上管出水。腐蝕穿孔的封頭是水流的紊流區，會因為湍流的沖擊而發生加速腐蝕。

2.3 應力加速腐蝕

從腐蝕部位來，此穿孔部位屬于殘余應力較大的位置。更易受機械（水的湍流及壓力溫度變化引起的空泡）和化學物質（如O2、CO2等）的作用而破壞，因此該部位更容易被腐蝕。在殘余應力的作用下，對腐蝕起到了促進和加速的作用。

3 預防措施

為了解決冷凝器的腐蝕問題，特提出如下建議

3.1 加強循環水的管理，確保循環水系統的水質。

3.2 管程循環水流速控制在適宜范圍。

3.3 增加水質監測，控制溶解氧、鈣鎂離子和氯離子含量。

3.4 化學清洗除掉水垢，清洗完成后，要認真沖洗，防止殘垢堆積。

3.5 加強水質處理

對井水進行預處理，減少泥沙懸浮物。調節pH，加強日常監測，確保循環冷卻水正常運行。嚴格控制循環水的水質指標。

注意：冷凝器腐蝕對廣大用戶造成嚴重損失。為了減少泄漏點對我國制冷行業造成的損失浪費，應該強調壓力容器與水系統接觸的表面做好優良耐用的防腐措施才允許出廠。用戶在安裝運行維修管理過程中，應采取有效的防腐措施加以防范，保持其與水接觸的水質保持中性或弱堿性，防止水質呈酸性。水質酸性對鋼鐵腐蝕性特別大，應當加以避免。或者在水質中加入防腐劑加以防腐。