循环冷却水致冷凝器封头腐蚀穿孔失效分析

檀伟伟

(北京市朝阳区特种设备检测所，北京100122）

制冷机组是目前市场上普遍使用的调节环境温度的产品,在使用过程中经常出现各种失效问题[1-12]。某单位在用制冷机组2017 年10 月投入运行，2020 年压力容器定期检验期间发现该机组冷凝器封头漏水，导致该机组无法使用，处于停用状态。经检查发现封头存在严重的局部腐蚀现象，腐蚀形态为穿孔。对安全稳定生产构成威胁，造成较大经济损失。严重影响了公司生产的正常运行。该冷凝器设计及工况条件如下：其管程介质为自采井水，壳程介质为冷媒R134a。管程走的是自采井水，未经过任何处理。封头材质为Q345R。腐蚀和结垢的发生导致换热设备传热效率降低。本工作对该制冷机组及循环冷却水进行了理化检验，确定了该制冷机组冷凝器发生腐蚀穿孔失效的根本原因，并提出了相应的改进措施，为日后设备的检修、安全使用提供了有用的数据支撑。

本文对循环冷却水及腐蚀穿孔封头进行了理化检验，确定了该冷凝器腐蚀穿孔的根本原因，并提出了相应的改进措施。

1 测试与分析

1.1 封头表面宏观腐蚀形态分析

观察冷凝器封头宏观腐蚀形态，如图1 所示，发现有溃疡状腐蚀和坑蚀，并有腐蚀穿孔现象。该区域表面粗糙，外层漆膜已经剥落。穿孔周围超声测厚有均匀减薄现象。初步断定，该冷凝器封头腐蚀穿孔为由内向外的腐蚀穿孔。

图1 封头腐蚀的宏观形貌

1.2 封头材料化学成分分析

该冷凝器封头采用的是Q345R 钢板，按GB/T223.1-5-1988《钢铁及合金化学成分分析方法》对封头材料进行化学成分分析，其化学成分分析结果如表1 所示。 由表1 可知，封头的化学成分符合GB5310-2008 中Q345R 钢板的技术要求。

表1 封头的化学成分及标准值

1.3 腐蚀截面能谱分析

在腐蚀穿孔的封头附近取样,腐蚀产物可分为块状和结晶状两种，靠近腐蚀穿孔区域结晶状腐蚀产物分布较多。采用能谱仪对腐蚀产物进行EDS 成分分析，结果见下图2。由图2 可以看出腐蚀产物主要含氧元素和铁元素。腐蚀产物主要为铁的氧化物或氢氧化物，还含有一定量的Ca、Mg 离子的碳酸盐,还发现了点蚀穿孔最敏感的Cl 元素。

图2 腐蚀产物能谱分析图

1.4 水质分析

该冷凝器循环冷却水采用的是井水。对循环冷却水的pH、总硬度、Cl-、溶解氧的含量进行了测试，结果如表2 数据所示。

表2 循环冷却水水质分析

2 冷凝器封头腐蚀失效原因分析

2.1 溶解氧、氯离子和沉积物垢下腐蚀[15-20]

从封头腐蚀情况来看，腐蚀是从内到外发生的。垢样的主要成分为碳酸盐、硅酸盐，恰恰符合循环冷却水的运行工况。封头内部走循环水，循环水使用的是自采井水。

根据测试及分析结果，可以认为封头腐蚀穿孔的主要原因是壳程循环冷却水中溶解氧和氯离子含量过高。封头位置水循环不好，循环冷却水中泥砂的沉积、微生物粘泥的附着、水垢的生成都能在封头下侧形成沉积物。沉积物造成表面不同部位上的供氧差异和介质浓度差异会导致局部腐蚀[。沉积物存在使内壁表面不均匀，形成电极电位差。水中的溶解氧，导致金属腐蚀加剧。氧与封头内壁的铁元素发生氧化反应生成疏松多孔的铁的氧化物。就会导致腐蚀进一步发展，最终导致穿孔。

2.2 水的流速对腐蚀的影响

一般情况下，水的流速越大，水中各种物质扩散的速度也越快，从而使得碳钢腐蚀速度加快。此设备循环冷却水运行，下管进水，上管出水。腐蚀穿孔的封头是水流的紊流区，会因为湍流的冲击而发生加速腐蚀。

2.3 应力加速腐蚀

从腐蚀部位来，此穿孔部位属于残余应力较大的位置。更易受机械（水的湍流及压力温度变化引起的空泡）和化学物质（如O2、CO2等）的作用而破坏，因此该部位更容易被腐蚀。在残余应力的作用下，对腐蚀起到了促进和加速的作用。

3 预防措施

为了解决冷凝器的腐蚀问题，特提出如下建议

3.1 加强循环水的管理，确保循环水系统的水质。

3.2 管程循环水流速控制在适宜范围。

3.3 增加水质监测，控制溶解氧、钙镁离子和氯离子含量。

3.4 化学清洗除掉水垢，清洗完成后，要认真冲洗，防止残垢堆积。

3.5 加强水质处理

对井水进行预处理，减少泥沙悬浮物。调节pH，加强日常监测，确保循环冷却水正常运行。严格控制循环水的水质指标。

注意：冷凝器腐蚀对广大用户造成严重损失。为了减少泄漏点对我国制冷行业造成的损失浪费，应该强调压力容器与水系统接触的表面做好优良耐用的防腐措施才允许出厂。用户在安装运行维修管理过程中，应采取有效的防腐措施加以防范，保持其与水接触的水质保持中性或弱碱性，防止水质呈酸性。水质酸性对钢铁腐蚀性特别大，应当加以避免。或者在水质中加入防腐剂加以防腐。