電熱水器用電加熱管腐蝕原因分析

王維思 劉 波 陳 立 馮 皓 彭敦誠 石海濤

（1.威凱檢測技術有限公司 廣州 510663；2.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510663）

引言

隨著人民生活水平的提高，熱水器已經成為家中必不可少的電器，其中電熱水器需求比例較大。金屬管狀電熱元件俗稱電加熱管是電熱水器中最關鍵的部件之一，作為熱水器的加熱部件長期處于水介質中，工作環境溫度高、自身成型結構復雜，具備了腐蝕的促進條件[1]，其工作的可靠性決定了熱水器的可靠性。在熱水器加熱使用過程中，電加熱管散發的絕大部分熱能均由被加熱的介質帶走，電加熱管的功率密度和通過的介質流速相互交配，介質流速越高，交換系數越大，電加熱管表面溫度就越低，這樣就延長了加熱管的使用壽命。本文選取了最為常用的兩種材質的加熱管：800Mo和840Mo，額定功率為3 000 W，螺旋彎管，分析了加速結垢試驗后電加熱管的腐蝕失效機理。

加速結垢試驗是評估電加熱管耐久性的常規性試驗，水垢附近和水垢中的Cl-和SO42-產生聚集、濃度增大，促進點蝕和應力腐蝕的發生[2]。應力腐蝕是金屬在腐蝕介質和一定方向的應力作用下產生的腐蝕，應力腐蝕裂紋會沿晶界的活性通道發展形成沿晶的應力腐蝕裂紋，也會由于應力的作用產生貫穿晶粒的穿晶應力腐蝕裂紋[1]。電加熱管在成型過程中由于焊接和冷彎成型會帶入應力，如果加熱的水質中含有Cl-離子，電加熱管金屬管體在應力和熱水的共同作用下就有可能發生應力腐蝕，如果應力腐蝕裂紋貫穿管體表面，管體外的水接觸到加熱絲，電加熱管就會發生短路失效。

1 試驗材料及方法

1.1 樣品描述

本試驗所選用的電加熱管管體材質為非標800Mo和840Mo，是一種高鎳奧氏體不銹鋼，化學成分見表1。管體通過直縫焊接成細長的焊管，管體的金相組織見圖1、圖2。

表1 800Mo不銹鋼管體和840Mo不銹鋼管體基材成分組成

圖1 800Mo材質金相組織

圖2 840Mo材質金相組織

材質800Mo和840Mo都含有較高含量的鉻（Cr）和鎳（Ni）。鉻具有鈍化最用，可在不銹鋼表面形成一層氧化膜，常稱鈍化膜；鈍化膜致密且可自我修復。鉻不但可提高不銹鋼的抗氧化性，還可提高不銹鋼的電阻和強度。鎳對于強堿介質具有優良的耐腐蝕性，可提高不銹鋼的可塑性、可焊接性、韌性等屬性。但含鎳不銹鋼容易出現帶狀組織和白色缺陷，在成型加工中需注意。

1.2 實驗方法

加速結垢試驗是指將電加熱管置于專用的試驗裝置[3]內進行試驗，試驗溶液用分析純試劑和蒸餾水配制，試驗7天。試驗過程中如果發生電加熱管不能加熱的現象即判定為失效。加速結垢試驗的試驗參數見表2。

表2 結垢實驗參數

用德國徠卡公司生產的S8AP0型號立體顯微鏡對電加熱管表面腐蝕形貌進行初步觀察，用DM6000金相顯微鏡和德國蔡司生產的EVO MA18掃描電子顯微鏡對失效的電加熱管樣品進行顯微分析。加速結垢試驗后去除電加熱管表面水垢，選取電加熱管表面點蝕嚴重的部位，截取截面對截面金相組織和應力腐蝕裂紋生長、擴展情況進行觀察，判斷裂紋產生的原因。

2 試驗結果與分析

結垢試驗結束后的電加熱管表面可見明顯的腐蝕斑，腐蝕嚴重的部位主要集中在直管和彎管距離比較近的彎管內側，如圖3。在立體顯微鏡下已經可以觀察到腐蝕斑已經向加熱管管體表面向管體內發展。對管體截面的顯微分析發現電加熱管焊接熱影響區部分相較于基體晶粒有明顯長大，且有明顯的Sigma（σ）相等脆性相生成見圖4、圖5。

圖3 電加熱管表面銹蝕情況

圖4 800Mo材質電加熱管銹蝕部位金相組織圖

電加熱管管體截面發現了大量的應力腐蝕裂紋，裂紋從管體表面萌生，向內發展，形成粗大的裂紋，有的甚至貫穿管體造成電加熱管的漏水短路，從而失效。在粗大的裂紋上還發現了大量的二次裂紋的萌生和發展。

3 結果與討論

結果表明，800Mo和840Mo不銹鋼管體由于焊接和冷彎成型，在管體內形成了大量的粗大的奧氏體晶粒和脆性相[4,5]。由于冷彎成型后的殘余應力較大，再附加焊接中存在的熱應力，在腐蝕環境條件下， 造成電加熱管管體發生嚴重的穿晶腐蝕，大量的裂紋貫穿管體造成電加熱管的腐蝕穿孔導致短路失效。

應力腐蝕過程包括金屬、介質環境和應力三個因素，缺一不可。應力腐蝕具有環境選擇性，像不銹鋼等一般認為優良的耐腐蝕材料，卻在通常人們認為腐蝕不嚴重的環境中破裂，例如含Cl-的溶液中[6]。該種電加熱管的加工成型方式不僅造成了管體的殘余應力過大，應力腐蝕敏感性增強；而且在直管和彎管靠近的部位溫度更高，局部腐蝕嚴重，在使用過程中部僅僅具備了環境條件同時也具備了應力條件，進一步促進了局部腐蝕的發生和發展，加速了電加熱管的腐蝕穿孔。

4 電加熱管質量提升建議

1）焊接管焊接部位及熱影響區均為晶間腐蝕敏感帶極易發生晶間腐蝕，電加熱管不建議使用焊管。

2）電加熱管在彎曲成型后，需通過熱處理工藝消除加工帶來的內應力，避免與組織中的脆性相是引發管體應力，加快腐蝕進行。

3）不建議使用額定功率過高的電加熱管；當水垢逐漸形成并堆積后，流水不暢并伴隨電加熱管功率密度過高，會影響電熱管的使用壽命。