金属管状电热元件的腐蚀失效

黑家群 朱 嘉 庄伟玮 冯 皓

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

前言

金属管状电热元件（俗称电加热管），以金属管为外壳，合金电热丝作为发热体，在一端或两端具有引出棒，在金属管内填装有绝缘材料以固定发热体的电热元件。金属管状电热元件是电热水器等家用电器的核心部件。电加热管长期处于反复加热的工作环境，若加热介质中一旦存在Cl-等腐蚀性介质，很容易导致加热管腐蚀穿孔，甚至漏电，漏水等问题，轻则影响电器的使用寿命，增加厂家售后成本，重则危及使用者人身安全[1～2]。

目前家用电器中的电加热管的外壳绝大多数是采用奥氏体不锈钢制成。本文概述了不锈钢制管状电热元件在使用环境条件下的腐蚀形态和机理，简要总结了金属管状电热元件腐蚀的主要影响因素。

1 金属管状电热元件的结构和类型及应用

金属管状电热元件简称电加热管，是一种应用广泛、结构简单、性能可靠、使用寿命长的密封式电热元件。

常见的外形结构有：法兰型、螺纹型、单头液体加热型、U型、W型（M型）、O型（环形）等。

图1 常见常见形式的电加热管

常见形式的电加热管如下图1。

在工业领域，电加热管可应用于干燥木材、纸张、染料、油漆等电加热设备；熔铅炉、熔锡炉等融化低熔点合金；生活，工程等领域的取暖设备内；加热流动空气和静止空气；红外线辐射加热装置；加热油、水及其它化学液体中的加热装置；海水电蒸馏设备；烘烤各种面包、饼干、糕点的食品加热设备；橡胶制品的注塑机内；医疗卫生消毒设备中，如灭菌器、消毒器等；各种日常家用电热器中，如电烤箱、电饭锅、电炒锅、电煎锅、热水器、电熨斗、电水壶、暖风机、空调等日用电器产品。

2 金属管状电热元件的主要腐蚀形态

金属管状电热元件的外壳绝大多数为奥氏体不锈钢。因为局部腐蚀具有较强随机性，不易发现，难以预测，因此容易造成严重后果。不锈钢最为常见的局部腐蚀主要是点腐蚀、晶间腐蚀、焊缝腐蚀、选择性腐蚀和应力腐蚀。[3]电加热管的外壳最常见的腐蚀形态是点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。

1）点腐蚀：简称孔蚀，是一种腐蚀集中于金属表面的很小范围内，并深入到金属内部的蚀孔状腐蚀形态，一般是直径小而深度深。点蚀是破坏性和隐患较大的腐蚀形态之一[4]。

2）晶间腐蚀：晶间腐蚀是在腐蚀介质作用下，金属腐蚀沿着晶界向内部发展，晶粒间失去结合力，金属强度丧失，导致构件过早破坏。由于晶界原子排列较为混乱，缺陷多，发生了晶界吸附或析出物，晶界和晶粒内的化学成分产生了差异，在酸性介质中形成腐蚀原电池，晶界产生选择性溶解。

3）应力腐蚀：不锈钢材料受拉伸应力（可远低于材料的屈服极限）作用在酸性介质中出现的脆性开裂现象。由于这种脆性开裂没有明显的征兆，因此造成的灾害性的后果。

3 金属管状电热元件的主要腐蚀机理

3.1 点腐蚀的形成机理

不锈钢因为在空气中表面会形成一层Cr2O3的钝化膜，因此容易在Cl-等敏感性介质存在时发生点蚀。点蚀的成因通常有钝化膜破坏理论和吸附理论2种。

1）钝化膜破坏理论

关于不锈钢表面钝化膜的破坏引发点蚀的机制，目前普遍认为是吸附机制[5]。

当腐蚀阴离子在不锈钢钝化膜上吸附后，阴离子的半径小轻易穿过钝化膜后进入膜内，污染氧化膜，促进了金属的溶解，发生了强烈的感应离子导电，使膜上的阳离子杂乱移动而活跃起来，当膜与界面的电场超过临界值时，产生点蚀。

2）吸附理论

氯离子和氧的竞争吸附结果产生点蚀。当氯离子取代了金属表面上氧的吸附点时，将在表面产生阳离子空位，空位穿过氧化膜扩散到金属基体-氧化层界面后，金属基体产生的阳离子将其填充。当空位的离子流大于金属阳离子的离子流时，空位会在界面处聚集形成孔洞而发生点蚀。

3.2 晶间腐蚀的机理[6]

需要在内因和外因的共同作用下才产生晶界腐蚀。奥氏体不锈钢晶界腐蚀的原因如下：晶界碳化物的析出和晶界吸附引起晶界腐蚀：由于奥氏体不锈钢中的碳随着温度的变化，固溶度也会产生变化，过饱和的碳就从奥氏体中析出，形成铬的碳化物（Cr2C6为主）并连续分布在晶界上，析出的碳化物中铬含量远高于奥氏体中的铬含量，在析出过程中，碳由于分子量小，扩散阻力小，可以快速达到晶界，而铬的扩散阻力大，在形成碳化物时，晶界附近的铬被消耗，晶界附近形成了贫铬区，钝化膜被破坏发生晶界腐蚀。

3.3 应力腐蚀的机理[7-8]

奥氏体不锈钢的的应力腐蚀机理主要为不锈钢氯脆机理。奥氏体不锈钢的钝化膜为三价铬的氧化物和少量镍的氧化物，在热的氯化物中容易在应力和应变的作用下产生破坏，出现了层状位错结构，在基体和膜的界面聚集产生变形，导致位错塞顶端有很大的应力集中，表面膜破裂，产生了瞬时溶解。

电加热管是用不锈钢管冷加工成型制成，在弯折部位拉应力的存在难以避免，因此，应力腐蚀是电加热管一种不容忽视的腐蚀形式。针对有晶界腐蚀敏感性的奥氏体不锈钢，应力腐蚀多起源于表面的点蚀，由于应力的作用，沿晶界向金属内部发展，最终形成不易察觉的贯穿管壁裂纹，从而导致整个元件的失效。

4 金属管状电热元件腐蚀的主要影响因素

4.1 点腐蚀性能的影响因素

点腐蚀产生的条件有以下三个方面[9]：

1）多发生于表面生成钝化膜的金属材料上。当这些膜上某点发生破坏，破坏区下的金属基体与膜未破坏区就会形成活化一钝化腐蚀电池，钝化表面为阴极而且面积比活化区大很多，腐蚀会向深处发展而形成小孔；

2）有特殊离子的介质中，如卤素离子，最有代表性的为Cl-。

3）在某一临界电位以上，即点蚀击破电位。离子。这样的阴离子在合金表面不均匀吸附，导致膜的不均匀破坏。

所以影响这三个条件的因素，都是影响不锈钢点蚀性能的因素，主要分为内因和外因两大类。内因包括合金元素、夹杂物、表面状态；环境因素包括，温度、电解质（氯离子浓度、pH值、缓释离子浓度）等。目前对于不锈钢的点耐腐蚀性能的因素研究主要集中在一下几个方面：合金元素、夹杂物、钝化膜、表面粗糙度、温度、电解质的PH 值、氯离子的点腐蚀等方面[10]。

4.2 影响晶间腐蚀的因素

1）晶粒本身的物理化学状态和晶界物质不同；

2）在特定的环境条件，如过热水蒸气、高温水、电解质溶液等。

4.3 影响应力腐蚀的因素[8]

1）环境因素：氯化物的种类、氯化物的种类和温度、溶液的pH值、溶液中溶解氧的含量等；

2）力学因素：力学因素、表面粗糙度、加工后残余变成的程度等；

3）冶金因素：不锈钢合金元素的含量、晶体的构造、晶粒度的大小等。

5 结论

电加热管在长期处循环高低温环境下容易腐蚀失效，从而影响电器的使用安全，掌握电加热管腐蚀的机理和影响因素，降低加热管腐蚀，通过合理选材、科学设计、专业评定等方式可以系统解决电加热管的腐蚀失效问题，保证电器产品的使用安全，维护消费者的利益。