某電站冷卻器換熱管穿孔原因分析

劉曉偉 劉 忠

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

換熱管的材質一般為鈦合金、不銹鋼、銅合金，其服役壽命與運行介質直接相關，若選材不合理或介質惡化，設備可能運行幾個月就會失效[1,2]。某電站冷卻器在運行一年半后，換熱管端部發生穿孔。為尋找換熱管穿孔原因，本文從失效部件的形貌、腐蝕產物等方面進行分析。

1 試驗材料與方法

某電站空氣冷卻器管冷卻管為TP2-M紫銅，框架及管板為316L不銹鋼材料，其管側的介質為添加了磷酸鈉的除鹽水，殼側為空氣。進出口水溫分別是35℃、40.5℃，空氣入口測68℃，出口側38℃。采用體視顯微鏡、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析方法對換熱管穿孔區域進行表征。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀觀察

目視檢查換熱管穿孔區域，發現出現冷卻端部2根彎管存在泄漏情況，外表面附著綠色腐蝕產物，且表面附著一層清漆， 如圖1所示。

圖1 現場泄漏形貌

將失效銅管置于體視顯微鏡下觀察，圖2為失效銅管內外表面宏觀形貌，其內表面穿孔部位為形狀不規則的小孔，表面裸露在大氣中，周邊其它區域附著一層清漆。銅管內表面穿孔部位呈沿軸向的條狀形貌，表面附著一層氧化物。

圖2 換熱管穿孔形貌圖

2.2 材質分析

將試樣打磨并拋光，露出金屬基體，進行能譜分析，結果如圖3示。從圖中可以看出，銅管為紫銅材質。

圖3 能譜分析結果

對銅管縱向試樣進行非金屬夾雜物分析，結果如圖4所示。銅管基體非常潔凈，未發現明顯夾雜物。

圖4 縱向試樣夾雜物

2.3 金相分析

沿穿孔中部（徑向）將銅管切開進行穿孔金相分析。結果如圖5所示，穿孔內部存在多處孔洞，呈現不規則形狀，孔洞從內表面擴展，其中一處擴展到外表面造成穿孔而泄漏。

圖5 穿孔形貌（拋光態）

對失效銅管的未穿孔部位的內外表面進行觀察，如圖6所示，外表面較為光滑，而內表面布滿凹凸不平的大量蝕坑，說明銅管內部介質對銅管造成了腐蝕。

圖6 橫截面整體形貌

在失效銅管未穿孔部位取樣進行橫向和縱向金相組織分析，結果如圖7所示。從圖中可以看出，縱向基體無條帶狀組織，說明銅管在加工以后經過了熱處理，發生了再結晶，基體組織為再結晶α相。進一步觀察其他部位可以發現，橫向和縱向截面均存在數個大小不一的孔洞組織（如圖8所示），說明材料本體發生了點蝕。

圖7 基體顯微形貌

圖8 銅鼓截面上孔洞形貌

內表面點蝕發展呈不規則方向發展，如圖9所示。點蝕發展過程中在空間沿不同方向發展，故而在觀察銅管橫切面時發現部分點蝕坑在基體內部較遠處，而沒有聯通至表面。

圖9 內表面上的點蝕形貌

2.4 微觀形貌

圖10分別為失效銅管外表面和內表面穿孔微觀形貌。從圖中可以看出，外表面穿孔孔徑約0.1mm，形狀不規則，內部附著一定量的腐蝕產物，內表面穿孔呈裂紋狀，方向沿軸向發展。

圖10 內外表面穿孔微觀形貌（100×）

失效銅管外表面和內表面穿孔部位能譜分析結果如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，失效銅管外表面以銅氧化物為主，內表面除含有銅氧化物以外，還含有少量的鐵氧化物。

圖11 外表面穿孔內部能譜分析結果

圖12 內表面穿孔邊緣能譜分析結果

從微觀分析結果可以看出，銅管穿孔處出現了明顯點蝕特征，在其附近區域也散布有數個點蝕坑，能譜分析結果同樣顯示銅管內壁普遍覆蓋著一層黑色CuO物質。可見，在Na3PO4作為緩蝕劑的除鹽水條件下，服役銅管已經出現了明顯腐蝕，腐蝕形態表現為銅管內壁整體的均勻腐蝕和局部點蝕，個別點蝕引發了腐蝕穿孔[3]。Na3PO4在除鹽水中會與鐵反應生成Fe3（PO4）2沉積膜而對鋼制管道形成保護作用，但是對銅和銅合金卻沒有保護作用，相反加入Na3PO4會提高溶液的電導率，加快銅的氧腐蝕，反應式如下：

3 結語

通過觀察換熱管內外表面形貌可知，換熱管是由內向外腐蝕后發生穿孔。

試樣的金相分析中發現橫向和縱向截面均存在數個大小不一的孔洞組織，且微觀形貌表征中銅管穿孔處出現了明顯點蝕特征，管內壁普遍覆蓋著一層黑色CuO物質，說明Na3PO4作為緩蝕劑的除鹽水工況中，服役銅管出現了明顯腐蝕，腐蝕形態表現為銅管內壁整體均勻腐蝕和局部點蝕，個別點蝕引發了腐蝕穿孔。