換熱器銅管應力腐蝕分析

Copper Tube Stress Corrosion Analysis

甘立榮 吳洪旭 王金正 黃樹燕 班 智

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著空調行業不斷發展，對于售后反饋問題的也在不斷的增多，致使空調的發展也在逐漸趨于完善，而對于制冷循環系統中的系統漏堵問題，則是影響空調行業發展的首要問題，而其中應力腐蝕問題成為了管路泄露的重點難題，由于其導致的冷媒泄露問題，無論是對于空調質量還是環境污染都是要積極避免的。而我們通過對漏點的金相研究，開裂形貌的觀察，從而分析其導致開裂的根本原因，再根據實際工作條件，并提出相應減少應力腐蝕情況發生解決措施和防護手段，就顯得尤為重要。

1 實驗過程

首先對產生泄露的換熱器進行了充高壓氣分析，發現其泄漏點集中位于換熱器緊挨著底盤銅管處位置，觀察泄露位置銅管外觀并沒有明顯磕碰劃傷等問題發生，用放大鏡觀察泄露位置，發現漏點有曲折性開裂的現象，宏觀放大后可以發現其形貌呈河流分叉狀。對漏點銅管進行切割大約25 mm長度，采用熱鑲嵌機將樣件與熱鑲嵌料加入進行鑲嵌，取出鑲嵌好的樣件，用預磨機打磨樣件表面，從180目砂紙到1200目依次打磨，將打磨好的樣件用拋光機拋光，利用金剛石研磨膏對金相表面進行拋光，待拋光結束后沖洗吹干，選用FeCl3溶液腐蝕金相表面，待銅材表面有麻點狀立刻沖洗吹干，用WY-20BD光學顯微鏡，在50倍下觀察銅材，分析其裂紋形態、晶粒尺寸。

用與泄露機同款機型在應力實驗室對換熱器銅管挨著底盤位置進行布點，將應變片貼于通關表面，由于應變片貼在銅管表面，會隨著被測定物體伸長和縮短，而金屬在機械性地伸長或縮短時，電阻會隨之變化，對于應變片所采用的銅鉻合金，其電阻變化率為常數，與應變呈正比例關系，所以我們可以通過測試，測量應變片的電阻值，從而得出銅管的應力值，我們對空調制冷制熱以及在不同頻率點時，運行的管路應力值進行測試，并對相關數據進行整理分析。

2 實驗結果分析

2.1 金相分析

通過光學顯微鏡拍下金相照片圖1，顯微鏡下觀察金相，可以看到晶粒組織從外向內部開裂，開裂的形式為穿晶開裂和沿晶開裂共同組成，斷口是由銅管外壁逐漸向內延伸形成，沿主裂紋向內部擴散，通過金相表征形貌可以判斷其為典型的應力開裂。由于銅管表面并沒有明顯的損傷痕跡，則并非是由外部破壞造成的，通過分析，可以初步判斷其開裂的原因主要由應力導致的，為了驗證其是否由應力作用則需要對機器的運行應力進行相應測試，根據數據判斷運行應力是否合格，能否導致應力開裂，并考慮是否為應力腐蝕導致銅管的開裂現象的發生。

圖1 金相照片

2.2 運行應力分析

對同款系列產品做噪音實驗結果如表1，可以看到在制冷、制熱模式和各個頻率點運行管路應力值都非常小，此處為靜管，整機運行過程中此處有震動現象，但震動幅度較小，并無太大影響，為了使實驗更加嚴謹，我們還對外機的常規動態應力，以及新增的靜態應力都進行了測試，結果外籍的動態應力值僅為10μ，且整個開停機過程循環應力僅100μ，并無異常數據，故非運行應力導致開裂。所以可以判斷其并非單純的應力斷裂造成的。

表1 各模式頻率運行管路應力值

2.3 應力腐蝕

由于應力腐蝕的裂紋擴展速度一般在1×（10－9～10－6）m/s，跟疲勞斷裂類似，是一種緩慢進行的過程，其遠大于沒有應力時的腐蝕速度，但又遠小于單純力學因素的斷裂速度。這種由亞臨界擴展狀況一直達到某一臨界值，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂的現象。應力腐蝕是由金屬材料在承受靜態或準靜態拉伸應力與腐蝕介質的共同作用下引起的破裂。應力腐蝕三個必要條件：金屬、應力、含腐蝕物質的水。對于銅材常見的腐蝕介質有：氨蒸汽、含氨氣體、二氧化硫氣體、三氯化鐵、硝酸溶液。在應力和腐蝕介質的聯合作用下，金屬表面的缺陷處會形成裂紋源。而裂紋源通道狹窄，孔隙內外溶液流動困難，從而形成封閉區域。在封閉區間，氧會迅速消耗殆盡，在得不到補充的情況下，內部最后只能進行陽極反應[1]。封閉區內部金屬離子水解產生H+離子，致使pH值下降，但為了維持封閉區域內電中性，縫外的Cl－則需移至縫內，從而形成腐蝕性極強的鹽酸，使縫內腐蝕以自催化方式加速進行[2]。隨著腐蝕的進行，裂縫會不斷地向下延伸，直至將銅管腐蝕穿透，從而導致銅管泄露現象的發生。

2.4 斷裂原因分析

銅管泄露故障累計50單，大多使用周期為46～217天，且泄漏點外觀均可看出有泡水結垢的痕跡，而其他位于上方的銅管其外觀較好并沒有腐蝕與結垢的現象發生。根據電話回訪及到現場調查，發現安裝處有明顯腐蝕源（食品廠/化肥廠/中藥廠等）的環境，雖然有些空調工作條件是在普通環境下并無明顯腐蝕源，但觀察其底盤泄露位置附近，可以看到有明顯臟物堆積的存在，有鳥糞、黃色油脂、飛蟲堆積尸體等易產生腐蝕液體的污染源。且泄露位置距離底部只有0.5 mm，若換熱器翅片的間隙被外界灰塵雜物堵住易產生積水現象，從而達到應力腐蝕的三個必要條件[3]，所以判斷泄漏原因為應力腐蝕。為了降低應力腐蝕現象的發生，可以防止腐蝕介質的與銅管接觸、積水現象在機器底部的發生、銅管的表面防護以及從整體的設計等角度出發，并要對設備整體進行嚴格把控，定時檢查和維修[4]。

3 結論

為了降低換熱器銅管應力腐蝕的現象，我們主要從應力腐蝕的機理出發，首先對于換熱器底部容易聚水區域進行優化，完善設計規范，開發不易積水的底盤結構，防止含有腐蝕物質的液體長時間接觸銅管，對銅管表面。其次是對于換熱方面的改進，首先是對銅管表面的防腐處理，在銅管表面刷防腐涂料，阻礙腐蝕介質和水與銅管接觸，其次是將最下層銅管與底部距離增大，從而降低了銅管與積水免得接觸機會。