熱交換器白銅管晶間腐蝕開(kāi)裂原因分析

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗污性能和換熱性能，且其腐蝕溫度敏感性較低，常用來(lái)制造電力工業(yè)領(lǐng)域中火電機(jī)組的熱交換器。

某超超臨界火電機(jī)組發(fā)電機(jī)氫冷器運(yùn)行4a（年）后發(fā)生泄漏，解體后發(fā)現(xiàn)多處熱交換器管子內(nèi)壁呈現(xiàn)腐蝕形態(tài)，其中數(shù)根管子出現(xiàn)穿孔性泄漏。該泄漏失效的熱交換器管子材料為BFe10-1-1白銅，規(guī)格為？19mm×1mm，管內(nèi)流通介質(zhì)為閉式循環(huán)水，pH為8.5~9.5，流動(dòng)速度為1.2m·s-1，工作壓力為0.2MPa，工作溫度為40~50℃。

為找出該BFe10-1-1白銅管的失效原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)和分析，以期類(lèi)似事故不再發(fā)生。

理化檢驗(yàn)

宏觀觀察

圖1 失效管子的宏觀形貌

圖1為失效管子的宏觀形貌，可見(jiàn)管子泄漏部位存在明顯龜裂現(xiàn)象，裂紋呈放射狀，未見(jiàn)明顯塑性變形。

化學(xué)成分分析

在失效管子未發(fā)生泄漏部位分別截取3個(gè)試樣，采用PDA7000型全定量元素分析儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 失效管子的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

可見(jiàn)失效管子符合GB/T 5231-2012?加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分？對(duì)BFe10-1-1白銅的成分要求。

金相檢驗(yàn)

截取失效管子的泄漏部位（含裂紋區(qū)域），經(jīng)水磨拋光后，使用鹽酸100mL+氯化銅5g+酒精100mL浸蝕，然后采用Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡觀察其顯微組織和裂紋形態(tài)，如圖2所示。

圖2 失效管子的顯微組織及裂紋形貌

圖2a）和b）可見(jiàn)失效管子的顯微組織為單相α固溶體，圖2c）和d）可見(jiàn)管子泄漏部位存在多條裂紋，裂紋呈放射狀并沿晶界分布，且在擴(kuò)展過(guò)程中不斷形成網(wǎng)狀伴生裂紋。

斷口分析

失效管子泄漏部位試樣經(jīng)3次超聲波清洗后（清洗介質(zhì)為分析純無(wú)水酒精），采用Carl Zeisssigma 300型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其斷口及裂紋形貌，如圖3所示。

圖3 失效管子斷口及裂紋SEM形貌

圖3a）可見(jiàn)斷口呈冰糖狀，圖3b）可見(jiàn)裂紋內(nèi)部存在明顯覆層。對(duì)斷口及裂紋內(nèi)覆層進(jìn)行能譜（EDS）分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 失效管子斷口及裂紋內(nèi)覆層的EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

可見(jiàn)斷口及裂紋內(nèi)覆層的物質(zhì)主要為腐蝕產(chǎn)物，其中氯化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，同時(shí)含有部分硫化物。

對(duì)失效管子泄漏部位進(jìn)行面掃描分析，如圖4所示。

圖4 失效管子泄漏部位面掃描分析形貌

可見(jiàn)失效管子基體中碳、鎳、鐵等元素呈明顯的區(qū)域性分布，且主要分布于基體晶界處。

管子內(nèi)壁覆層檢驗(yàn)

對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行SEM分析，如圖5所示，并對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 失效管子內(nèi)壁覆層SEM形貌

表3 失效管子內(nèi)壁覆層EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ％

可見(jiàn)失效管子內(nèi)壁存在明顯的覆層，覆層主要為沉積物和腐蝕產(chǎn)物。

分析與討論

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗腐蝕性能，一般情況下不容易發(fā)生腐蝕，只在海水介質(zhì)流動(dòng)速度達(dá)到3m·s-1時(shí)才會(huì)出現(xiàn)表面嚴(yán)重破壞，腐蝕速率迅速增大的現(xiàn)象。

發(fā)生泄漏的熱交換器管子內(nèi)壁存在明顯的沉積物覆蓋，容易造成白銅管內(nèi)壁沉積物下內(nèi)壁表面與流通介質(zhì)的氧濃度和介質(zhì)濃度的差異，進(jìn)而形成沉積物下氧濃差腐蝕。沉積物下缺氧的管壁為腐蝕原電池的陽(yáng)極，沉積物周?chē)谎鯀^(qū)為陰極。由于熱交換器白銅管中的冷卻水偏堿性，在缺氧的情況下，沉積物下的白銅管（陽(yáng)極）被氧化成Cu2+和Cu+后進(jìn)而水解成Cu2O，并使得腐蝕坑內(nèi)的溶液呈酸性進(jìn)而加劇腐蝕的發(fā)生，導(dǎo)致白銅管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕，反應(yīng)方程式如下

Cu-e-＝Cu+（1）

Cu-2e-＝Cu2+（2）

2Cu++H2O＝Cu2O+2H+（3）

Cu2++H2O+2e-＝Cu2O+2H+（4）

在點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域酸性環(huán)境的作用下，Cl-對(duì)存在于晶界部位的鐵元素產(chǎn)生進(jìn)一步腐蝕使得富集于晶界處的鐵元素不斷流失形成空位，空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生，最終導(dǎo)致管子產(chǎn)生晶界腐蝕開(kāi)裂。

結(jié)論及建議

該熱交換器BFe10-1-1白銅管內(nèi)壁存在明顯的沉積物，沉積物下形成氧濃差腐蝕，導(dǎo)致管子內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕；點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域的鐵元素不斷流失形成空位，空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生，最終導(dǎo)致管子發(fā)生晶間腐蝕開(kāi)裂。

建議在機(jī)組停機(jī)時(shí)開(kāi)展熱交換器的保養(yǎng)及清洗工作，對(duì)換熱器管子里的殘留介質(zhì)進(jìn)行吹除并充氮?dú)?；?duì)同廠家同批次生產(chǎn)的熱交換器管子內(nèi)壁腐蝕情況進(jìn)行檢查，以確保機(jī)組安全運(yùn)行。