乙二醇載冷劑對制冷設備換熱器銅管腐蝕分析

高永豐 高翔 湯浩江 裘科益

摘要：在空調制冷工程、工業生產和科學試驗中，常常采用制冷裝置間接冷卻被冷卻物，或者將制冷裝置產生的冷量遠距離輸送，這時需采用載冷劑作為中間物質，其在裝置的蒸發器內被冷卻降溫，然后再用它冷卻被冷卻物。制冷設備常用的載冷劑是水，但只能用于高于0℃的條件。當要求低于0℃時，一般采用鹽水或采用乙二醇溶液。目前乙二醇溶液載冷劑使用較為廣泛。但據昝世超等人的研究，乙二醇對碳鋼、鑄鐵、焊料等金屬具有較強腐蝕性。為了分析確認乙二醇溶液對殼管式換熱器的腐蝕行為，對某型號冷水機組制冷設備換熱器銅管穿孔問題進行腐蝕試驗確認。本文主要分析乙二醇載冷劑對制冷設備換熱器銅管腐蝕分析。

關鍵詞：乙二醇;銅管腐蝕;失效分析;防護

引言

使用合理的緩蝕劑是常見的腐蝕控制措施。目前常見的緩蝕劑一般都為陽極抑制型，其原理是作用在陽極金屬表面，生成氧化物或氫氧化物形成保護膜覆蓋在陽極上，從而降低腐蝕電流密度，抑制制冷系統中碳鋼材料的腐蝕。在往乙二醇溶液加入少量的緩蝕劑后，溶液pH值可在7.5～10.0左右。呈弱堿性的乙二醇溶液能中和乙二醇被氧化生成的酸性物質，避免生成的酸性物質與鐵銹發生反應釋放出三價鐵離子腐蝕銅管。目前市場上有普通乙二醇和抑制性乙二醇，抑制性乙二醇指已添加有防腐蝕輔料成分的乙二醇純溶液（質量濃度一般為95%）。為了避免不規范添加或漏添加造成腐蝕問題，建議優先選擇已含緩蝕劑的抑制性乙二醇溶液，然后采取蒸餾水進行質量濃度調配后充注使用。

1、概述

該型號冷水機組蒸發器為殼管式換熱器，因有低溫制冷需求，故，使用乙二醇溶液作為載冷劑。機組投入運行前，采取溶液充注泵將乙二醇（質量濃度為99.9%）和自來水按相關質量比配對成的質量濃度為30%的乙二醇溶液充注到機組管路系統內。機組運行時，換熱器內的銅管外壁通過乙二醇水溶液載冷，內壁通過系統中的R407C制冷劑。該殼管式換熱器壓力容器材料及工藝均按照NB/T47012-2010標準制造。該冷水機組充注上述質量濃度為30%的乙二醇溶液后投入運行，乙二醇載冷劑溫度在-25℃～35℃區間長時間運行。在該機組運行10個月后，出現制冷系統低壓報警，經對機組殼管式換熱器進行解剖檢查，確認是殼管式換熱器內銅管出現穿孔泄漏。

2、空調制冷銅管使用的問題分析

2.1銅管泄露

使用空調冷銅管時，銅管泄漏是最常見的問題之一，是空調冷銅管致命缺陷。一旦泄漏，所有制冷劑都會從銅管溢出，由于傳輸介質不足，空調的運行停止。用戶的制造因素和使用因素可能會在使用空調和冷銅管道時導致泄漏問題。對制造因素進行分析后，可以確定冷銅管材的渦流檢測極為關鍵，國家標準規定渦流檢測應達到100%。為確保渦流檢測靈敏度符合要求，還應注意調節故障檢測器所用樣品管的人工通孔直徑，以降低缺少檢測的可能性。渦流檢測雖然能夠檢測到氣候和冷態銅管的缺陷，但如果銅管表面沒有標記或標記不準確和不清楚，銅管泄漏問題仍可能出現。對用戶使用因素的分析可以發現，渦流檢測、加工問題和焊接不良所檢測到的缺陷管道的濫用可能導致銅管泄漏。渦流檢測檢測發現的缺陷管道的濫用現象屢見不鮮。為避免出現此類問題，制造商應通過渦流檢測來選擇冷卻銅管生產過程中出現故障的銅管，標出每個線圈上的創面數量，并在創面上打上黑色標記，以避免濫用。加工問題主要發生在彎曲、拉伸、燃燒和其他連接上。比如，彎曲時局部應力容易導致過度膨脹，銅管材的深色開裂和撕裂問題容易發生。在這種情況下，制冷劑容易泄漏;焊接不好也可能導致空調和冷卻用銅管泄漏。鋁箔穿孔后應使用小彎頭通過焊接連接管道。但是，如果焊接表面有異物，焊接質量問題，焊接溫度過高或過低，則無法保證焊接質量，最終導致空調和冷銅管道泄漏。

2.2銅管開裂

擴展孔和銅管上升孔都可能導致空調制冷銅管破裂。在生產過程中，延長孔和銅管上升孔是最連續的生產過程，通常是在一次操作中組成的。深入分析表明，銅管本身的質量問題以及用戶使用不當可能導致銅管斷裂。對銅管質量問題的分析本身表明，外表面缺陷、內表面劃痕和內表面氧化是銅管的典型質量問題。在冷處理擴孔和提升管時，表面拉伸應力的影響可能會導致銅管變形和連續延長，使銅管外表面存在一定深度的傷口，表面拉伸應力可能導致銅管外表面斷裂 因此，銅管外表面可能出現裂紋，銅管內表面的劃痕也可能引起類似的裂紋問題。如果存在銅管內表面氧化，上升鏈將受內表面摩擦變化的影響，最后，相同長度的銅管的樁長將不同，膨脹鏈也會因膨脹開口過大而引起裂紋問題;用戶使用情況分析顯示，常見操作包括“修復蛇”、“使用規則切割”和“無接縫切割”。但是，在對銅管進行熱處理后，較軟的銅管表面可能會導致切割缺失、收縮過大、銅管收縮過大或毛刺過多，也可能導致端口硬化和飛邊問題，這也可能導致擴口時銅管開裂。

3、銅管腐蝕原因調查

3.1化學成分分析

換熱器銅管使用牌號為TP2的無氧銅管，規格為φ9.52×0.7mm內螺紋管。與GB/T5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》規定的TP2材料元素含量進行比較。泄漏附近位置的銅管化學成分中的Cu、Pb和在標準規定的范圍內，符合GB/T5231-2012規定的TP2材料含量要求。

3.2掃描電鏡檢查

采用掃描電鏡對銅管外壁腐蝕坑進行腐蝕形貌分析。可以看出銅管外壁腐蝕坑呈橢圓狀，表面覆蓋大量的棕黑色的沉積物。觀察到腐蝕坑銅管外壁拓展到內壁，可確認腐蝕行為是由銅管外壁延伸到內部的過程。根據機組應用場景，銅管內壁走制冷劑，外壁走載冷劑乙二醇溶液，因此該次腐蝕可能與乙二醇溶液有關。

3.3乙二醇載冷劑離子濃度分析

在試驗設備中取樣乙二醇溶液，觀察溶液中有大量的棕黑色沉淀物。為進一步對腐蝕產物進行確認，對系統乙二醇載冷劑溶液按HJ84-2016和GB/T30902-2014標準進行離子濃度分析。系統中乙二醇溶液主要的離子為鐵、鋅、氟、硫酸根、硝酸根等。測試乙二醇溶液pH值為5.33，呈弱酸性。根據腐蝕產物分析的結果，可確認銅管腐蝕穿孔的主要是鐵離子腐蝕導致。

3.4高頻焊接

高頻焊接的主要原則是：首先，所有電流必須聚集在焊接區內，然后加熱，以刺激高頻電流中的皮膚濃度效應和近距離效應，使加熱工作能夠盡快進行一般來說，高頻焊接主要包括兩種不同的焊接方法：接觸式高頻焊接和感應式高頻焊接。第一種高頻焊接方法，其焊接原理是將高頻焊接電流輸入管道觸頭和胚胎焊接邊緣區進行焊接工作。但是，這種焊接方法可能會大量消耗電極接觸并導致管線庫變形，從而影響焊接質量;第二種焊接方法是利用高頻電流中的皮膚效應和近距效應快速加熱感應圈內的溫度，使穿過感應圈的管胚能夠在高溫作用下完成焊接過程它不僅具有穩定的焊接工藝，焊接質量較高，不需要使用接觸材料，而且更易于調整，因此其使用范圍優于高頻焊接。

3.5導向與焊接擠壓

制導和焊接擠出主要指焊接中的雜質擠出和材料（如使用擠壓輪給定的擠壓壓力鑄造的金屬），以及高溫固相金屬的緊密連接以實現焊接。請注意，夾緊壓力的大小直接影響焊縫的強度和焊縫缺陷的狀態。例如，壓力過大可能導致變形;太小，無法擠出外部本體，導致熔接不足。若要調整壓縮壓力的大小，您可以透過記住壓力設定和熔接過程來改善壓縮輪之間的間距。

結束語

綜上所述，空調制冷銅管使用的問題較為多樣化。在此基礎上，本文涉及的銅管泄露、銅管開裂、銅管“銅鋁滲蝕”開裂等內容，則直觀展示了空調制冷銅管使用問題的源頭和應對措施。為更好解決空調制冷銅管使用面臨的各類問題，油水腐蝕介質對空調制冷銅管造成的影響也需要得到重視，空調兩器的加工工藝升級也不容忽視。

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