铜镍合金换热管的失效机理分析

邓为民，费培忠

（1.海军驻上海电站辅机厂军事代表室，上海 200090；2.上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090）

1 概 述

某型海水冷却器的结构形式，如图1所示。换热管的材质为耐海水腐蚀性能较好的BFe30－1－1铜镍合金无缝管，管子与法兰的连接采用氩弧焊进行焊接。海水冷却器主要技术指标见表1。泄漏点发生在蒸汽进口管的法兰连接处，该处是BFe30－1－1铜管与法兰焊接结合点。

图1 海水冷却器的结构图

表1 海水冷却器主要技术指标

为了便于分析，对该设备发生泄露部位的管材进行切割取样，然后对泄漏区的材质进行宏观和微观分析。

2 材质的宏观分析

该冷却器的泄漏点位于盘管与法兰的连接焊缝处，在焊缝熔合线与热影响区之间，该处焊缝有明显的减薄现象，局部观察后发现，管子表面有局部腐蚀穿孔及腐蚀凹坑，说明该处腐蚀不是典型的均匀腐蚀。将盘管与法兰连接点的试样解剖后，从试样截面观察，腐蚀发生于焊缝熔合线至热影响区5mm的区间内，此处腐蚀沿管子的纵向分布，呈不均匀状态，而较有深度的腐蚀仍位于焊缝熔合线处，见图2所示。

图2 法兰与管子的解剖截面

金属材料发生腐蚀的根本原因是其热力学上的不稳定性造成的，即金属材料中的原子比某些化合物（如氧化物，氢氧化物，盐等）的原子处于自由能较高的状态，这种倾向在条件（动力学因素）具备时，就会发生金属单质向化合物的转化，即发生腐蚀。金属的腐蚀主要是在化学或电化学作用下引起的破坏，有时还包含了机械﹑物理或生物作用。单纯物理作用下的破坏（如合金在液态金属中的物理溶解）仅是少数的例子。由于金属腐蚀的成因较多，仅凭宏观上的形态分析较难判断，因此，需借助微观技术手段作进一步分析。

3 材质的微观分析

采用金相观察和扫描电子显微镜（SEM）及能量色散X射线光谱分析仪（EDX）产物能谱分析技术，对发生泄漏的换热管试样进行微观分析。

（1）金相观察

焊缝、母材、法兰焊接结合部位的金相图，见图3所示。在母材腐蚀区所观察到的金相图，见图4所示。

从图3中观察到焊缝、法兰、母材的金相组织均完好；从图4中可发现，腐蚀的发生均始于焊缝熔合线上，并以此向热影响区（HEA）扩展。从图4中还可明显观察到，不仅在熔合线附近的晶体组织，还是远离熔合线的晶体组织，均显示为正常状态下的焊缝晶体组织。

此外，还对泄漏处的母材至连接焊缝之间的硬度分布状况进行了分析，见图5所示。从硬度分布图可知，被腐蚀区域内的材质硬度最低，见表2。

图5 泄漏区域的材质硬度分布图

表2 标识点处的硬度值

（2）电子显微镜的扫描结果

用电子显微镜对泄漏处换热管的试样进行扫描观察，扫描结果如图6～图8所示。

从图6可知，被腐蚀的泄漏区与未腐蚀区有一个明显的边界。腐蚀区在较低倍数的显微观察下，形态为坑穴状，是典型的空穴腐蚀形貌，这是空泡腐蚀后产生的结果。

在腐蚀边界处，也能看到晶间腐蚀的形态，见图7所示。在坑内不仅能见到晶间腐蚀的形貌（晶粒度在8级左右），还可见到在晶粒上发生的点腐蚀，见图8所示，说明此处腐蚀介质的作用更加剧烈。

（3）腐蚀产物的分析

肉眼观察泄漏管，发现泄漏管穿孔附近被灰白色粉末所覆盖，而在出水端则为黄铜色，没有明显的腐蚀产物，只有局部地方有绿色物质。为了确定泄漏处腐蚀产物的成分，采用EDX光谱分析进行产物成分含量检测，结果如图9所示。

采用EDX能谱分析后，可观察到在空穴底部的腐蚀产物中，其主要元素为O、Cl、P、Mg、S、Ca、Na、及基体元素Cu、Ni、Fe等。腐蚀产物中主要元素为O、Cl、P、Mg、S、Ca、Na，其元素含量大大超过正常海水中的含量，这表明，海水中的盐已在这里明显地浓缩了，而在粉末较多的地方根本就没有Cu、Ni元素。在出口管处的管子上只有CuCl2元素存在。

4 分析结果

早在1929年，英国就已采用BFe30－1－1铜镍合金作为海水热交换器标准中的常用材料，在标准中规定，换热管内的海水流速＜2.4m／s，温度＜260℃。作为冷却介质的海水其主要化学成分，见表2所示，pH 为7.5～8.5。

表2 海水的主要化学成分 mg／kg

BFe30－1－1铜镍合金材料在高流速海水中的耐空蚀性能良好［1］，其在海水浸没中的腐蚀速率为（0.008～0.03）mm／a［2］。该海水冷却器也采用此类材料，却在数月内就发生了腐蚀穿孔现象。根据分析及观察到泄漏处管材被腐蚀的形貌特征，可判断该泄漏处发生了剧烈的空泡腐蚀。空泡腐蚀又称气蚀，当液体在金属管内流动，金属与液体的相对运动速度增大到一定值时，金属表面的某些局部液体压力下降到常温液体蒸汽压力以下，该部位液体会发生“沸腾”现象从而产生气泡，当气泡破裂时，所产生的冲击力会使材料表面呈现出蜂窝状的损伤。这些气泡破裂时形成的冲击波所产生压力可高达4000大气压，使金属外层的保护膜被破坏，也能引起金属材料的塑性形变，甚至可将金属粒子撕裂，加速了金属材料的腐蚀［3，4］。

海水冷却器的泄漏处在法兰中心的蒸汽入口端，此处的换热管被隔水管（Ø55mm）所遮挡。在海水冷却器中，此处的海水流速是最低的，因此，当高温蒸汽的热量在此聚集，加热海水并致其沸腾后，会产生大量气泡，这些气泡破裂时形成的冲击波冲击铜管外壁，产生与空泡腐蚀相同的现象［5］。

发生空泡腐蚀的同时，因海水被不断加热蒸发，使此处的海水浓度不断增大，海水中的Cl－、浓度随之提高，Cl－的含量可至4%以上，致使铜镍合金管的腐蚀更加严重，出现了晶间腐蚀和点腐蚀，使其腐蚀速度达到3mm／a，比常温海水状况下的腐蚀速度提高100倍［2］，数月内，这种腐蚀速度使海水冷却器被迅速腐蚀后穿孔泄漏。

穿孔泄漏起始于焊缝的熔合线并向热影响区延伸，这是因为此处是温度剧速变化及材料厚度急剧变化的交叉点。进口法兰处的蒸汽最高温度为263℃，在该交叉点蒸汽被海水冷却，温度迅速降低；材料厚度也由法兰（厚度25mm）→焊缝→换热管（δ＝1.5mm）而激剧减薄。在硬度测量中，数据显示这区段内材质的硬度最低。说明这部分的材质条件及工况极为复杂。

熔合线的宽度与焊缝宽度相比是较小的，还因管壁中的部分材料因被熔化而变得更薄，所以焊缝的熔合线处是腐蚀最易发生的起点，由空泡腐蚀的区域可以看出，海水的沸腾区距焊缝熔合线4～5mm。

5 结 语

根据分析，认为海水冷却器在结构布置上存在缺陷，造成管束套筒内的海水流动不畅。在高温介质的加热下，某些部位的海水处于沸腾状态，发生了空泡腐蚀现象，这是引起铜镍合金换热管泄漏的主要原因。为此，应改变海水冷却器内的结构设计，消除管束套筒内冷却水的流通死角，同时加大冷却水的流量，才能防止冷却水因温度过高而沸腾，从而消除腐蚀现象的发生。

［1］曾荣昌，韩厚恩.材料的腐蚀与防护［M］.北京：化学工业出版社，2006：135－137.

［2］夏兰廷.金属材料的海洋腐蚀与防护［M］.北京：冶金工业出版社，2003：47－49.

［3］张秀丽，孙冬柏，俞宏英，等.金属材料空蚀过程中的腐蚀作用［J］.腐蚀科学与技术，2001，13（3）：162－164.

［4］柳伟，郑玉贵，姚治铭，柯伟.金属材料的空蚀研究进展［J］.中国腐蚀与防护学报，2001，21（4）：205－255.

［5］刘正义，魏兴钊，等.石油管材空泡腐蚀失效特征研究［J］.金属热处理，2007（1）.