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      不銹鋼冷凝器換熱管腐蝕失效的原因探究

      http://www.mythtalkers.com 發布日期:[ 2016年8月4日 ]

      不銹鋼冷凝器是現代船舶系統中必不可少的裝置,在船舶動力系統、滑油冷卻系統和空調冷卻系統均有應用。不銹鋼冷凝器中的換熱管由于長期與流動的海水接觸,常常遭受嚴重腐蝕而縮短整個系統的使用壽命,處理不及時,甚至會釀成事故。換熱管材料最初由碳鋼、鑄鐵建造,因其不耐腐蝕,逐步改用TUP紫銅、Bl0等銅及銅合金材料。近年來,隨著B30的生產工藝日趨成熟,船舶不銹鋼冷凝器換熱管開始換用具有良好的耐沖刷性能的B30銅鎳合金管,這在很大程度上延長了換熱管的使用壽命,但腐蝕問題仍然存在,海水管路泄漏情況時有發生。目前,國內外學者對B30在海水中的腐蝕進行了一系列的研究,由于傳熱管在海水中的腐蝕影響因素錯綜復雜,相關腐蝕失效原因也須結合實際狀況進行分析,因此本文針對不銹鋼冷凝器B30換熱管的腐蝕問題進行分析,對其腐蝕失效原因進行研究。

      1試驗材料及方法

      試驗材料為發生泄漏的B30換熱管,采用碳硫分析儀(CS800)和ICP(全譜直讀等離子體發射光譜儀)對B30換熱管進行化學成分檢測,檢測依據為GB/T5121.27-2008和GB/T5121.4-2008;根據GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》以及YS/T449-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品顯微組織檢驗方法》,對B30換熱管進行金相組織分析;利用三維視頻掃描儀觀察清除腐蝕產物后蝕坑形貌,并利用XL-30環境掃描電鏡對B30換熱管試樣進行微觀形貌觀察,并結合EDS分析試樣表面腐蝕產物。

      2結果及討論

      2.1合金成分

      B30換熱管的實測合金成分如表1所示。由表1可知,該管段的實測合金成分均滿足德國KME公司企標和德國標準要求,表明該管線的成分滿足設計要求。

      2.2金相組織分析

      圖1為B30換熱管內側和外側的橫向和縱向金相組織,B30管段的金相組織為孿晶組織,晶粒度為10.0級。與標準B30管材的金相組織如圖2所示,管內側和外側均為完全退火后等軸狀孿晶組織,晶粒度為9.5級)相比,該B30換熱管普遍存在外側與內側組織狀態不一致的現象,管材外側為等軸晶組織,而管材內側局部呈現拉長晶組織,為非完全退火的組織。

      2.3宏觀腐蝕形貌

      宏觀腐蝕形貌如圖3所示,可以看出,B30換熱管外表面整體呈黑色,存在大大小小的可見麻點,麻點顏色為黃褐色,內部表面部分蝕坑內有黑色腐蝕產物,該覆蓋物結合力較差,輕輕碰觸即脫落,脫落后的腐蝕產物呈黃褐色,腐蝕形貌呈現出潰瘍狀腐蝕的特征。選取腐蝕最嚴重的部位如圖4中標識區域)切割加工制備成20mmx55mm的長方形檢測試樣,進行腐蝕形貌觀察和腐蝕產物分析。

      2.4腐蝕形貌

      圖5為B30換熱管外表面和內表面各典型部位的三維視頻掃描形貌,以試樣邊緣圍成的區域作為統計區域,外表面腐蝕坑尺寸最小約250μm×300μm,最大約1300μm×800μm。腐蝕坑深度最淺約為15μm,最深約為65μm。內表面最大蝕坑長約8mm,寬約4mm,深約620μm,最小麻點200μm×150μm,深度約20μm。對比內外表面的腐蝕情況可知,B30換熱管內表面腐蝕坑數量、坑深及腐蝕坑尺寸均大于外表面的,表明內表面腐蝕更為嚴重。

      2.5腐蝕產物

      將最嚴重腐蝕部位的試樣表面泥垢油污和腐蝕產物清除,如圖6所示,腐蝕坑底部出現兩處紅色物質箭頭標識處)。經分析,該紅色物質為高富Cu相。

      腐蝕坑表面外圍(A處)和底部(B處)的SEM及EDS結果如圖7和表2所示,可見,在蝕坑外,Ni元素含量32.08%(ω),Cu元素含量為64.89%(ω),材料成分符合B30合金特征;在蝕坑內,Ni元素的最低含量僅1.84%,遠低于B30合金的Ni含量。

      腐蝕坑內部截面的SEM及EDS結果如圖8和表3所示,可以看出,A處位于材料內部,B處位于腐蝕坑底部,C處為腐蝕坑底部顆粒狀物質表面,A、B兩處Ni元素含量相差不大,分別為26.42%和29.84%,C處Ni元素含量極少而Cu元素富集。同時,根據Pourbaix圖,在酸性、中性和弱堿性環境中,銅的電位均正于鎳90mV左右,只有到了強堿性溶液中(PH>13),鎳的電位才比銅正。該B30換熱管內部環境為具有弱堿性的海水,因此在高富Cu相的周圍,富Ni相會優先發生腐蝕,當包圍高富Cu相的富Ni相腐蝕到一定程度后,高富Cu相脫落,造成較深的腐蝕坑,成為管路中的薄弱區域,當腐蝕進一步發生后,可能導致腐蝕穿孔,進而發生泄漏。

      3結論

      B30換熱管合金成分符合要求,但是管材內外壁微觀組織存在差異。換熱管內壁外壁均發生腐蝕,管路失效主要由與海水接觸的內壁發生的點蝕所引起。換熱管內壁首先發生富Ni相的腐蝕,導致高富Cu相脫落并逐步形成較深的腐蝕坑。

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