中央空調(diào)用鋼管失效分析

楊曉潔 李 明 張繼斌 張勇亭 孫海勇 袁興棟

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院) （山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

中央空調(diào)用鋼管失效分析

楊曉潔*李 明 張繼斌 張勇亭 孫海勇 袁興棟

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院) （山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

研究了中央空調(diào)用鋼管的失效。中央空調(diào)用鋼管在安裝使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)泄漏。通過(guò)宏觀檢查、金相組織分析、化學(xué)成分檢測(cè)、掃描電子顯微鏡及能譜分析等方法，分析了中央空調(diào)用鋼管泄漏的機(jī)理和原因。結(jié)果表明，鋼管泄漏的主要原因是氯離子吸附在鋼管內(nèi)表面形成點(diǎn)蝕核，并逐漸向深處擴(kuò)展，最終在自催化作用下造成鋼管被腐蝕穿透。

鋼管 點(diǎn)腐蝕 失效分析 中央空調(diào)

0 前言

某中央空調(diào)用鋼管在安裝使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)泄漏。該鋼管材質(zhì)為Q235B，表面經(jīng)鍍鋅處理。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

泄漏鋼管的實(shí)物形貌見(jiàn)圖1(a)。鋼管外壁直徑42 mm，內(nèi)壁直徑36 mm，管壁厚3 mm。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，蝕孔的尺寸長(zhǎng)約2.5 mm，寬約1 mm，蝕孔附近無(wú)脹粗變形現(xiàn)象，見(jiàn)圖1(b)。鋼管內(nèi)部有厚約15 mm的淤泥沉積，焊縫位于淤泥的下方，見(jiàn)圖2。將鋼管從縱向剖開(kāi)，去除內(nèi)部淤泥，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)壁泄漏點(diǎn)周?chē)难趸g現(xiàn)象很?chē)?yán)重，由鋼管內(nèi)壁向外壁發(fā)展，直至蝕穿管壁而泄漏，而鋼管外壁平整，無(wú)腐蝕現(xiàn)象。將鋼管內(nèi)壁清洗干凈，發(fā)現(xiàn)焊縫及鋼管基體內(nèi)壁表面均存在腐蝕凹坑，大小不等、深淺不同，且主要集中在焊縫處，見(jiàn)圖3。另外從鋼管外壁觀察泄漏部位，發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔只發(fā)生在焊縫處。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)中央空調(diào)用鋼管進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該中央空調(diào)用鋼管符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中鋼號(hào)為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定。這說(shuō)明泄漏原因不是由于材料問(wèn)題導(dǎo)致的。

1.3 金相檢驗(yàn)

在鋼管泄漏處橫向及未泄漏處橫、縱兩個(gè)方向上分別截取試樣，并依次標(biāo)記為試樣1、試樣2和試樣3。按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制備試樣。試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)存在非金屬夾雜物，見(jiàn)圖4。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定為硅酸鹽類(lèi)細(xì)系3級(jí)。

試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察。試樣1因取自腐蝕穿孔處，只觀察到部分熱影響區(qū)，顯微組織見(jiàn)圖5。試樣2的焊接接頭由焊縫+熱影響區(qū)組成，基體組織為F+P，組織正常，見(jiàn)圖6。

圖1 泄漏鋼管的實(shí)物形貌

圖2 鋼管內(nèi)沉積的淤泥

圖3 鋼管縱剖面

表1 鋼管的化學(xué)成分 （%）

圖4 試樣3非金屬夾雜物

圖5 試樣1顯微組織

圖6 試樣2顯微組織

1.4 掃描電鏡及能譜檢測(cè)

對(duì)焊縫腐蝕穿孔處及鋼管基體內(nèi)壁腐蝕處分別進(jìn)行掃描電鏡及能譜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)蝕坑周?chē)新群土虻母患?。氯分別約為0.15%和0.20%，硫分別約為0.62%和0.79%，表明蝕坑周?chē)c氯相關(guān)的腐蝕產(chǎn)物，其能譜圖見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 焊縫腐蝕穿孔處周?chē)g物能譜圖

圖8 鋼管基體內(nèi)壁蝕坑周?chē)g物能譜圖

2 分析與討論

2.1 腐蝕性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)蝕孔宏觀形貌的觀察可知，蝕孔尺寸小且深，它在金屬表面的分布，有些較分散 （如管壁處），有些較密集 （如焊縫處），孔口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋。依據(jù)文獻(xiàn) [1]中對(duì)金屬發(fā)生點(diǎn)腐蝕時(shí)具有特征的描述，并結(jié)合掃描電鏡及能譜檢測(cè)結(jié)果，可知該鋼管基體內(nèi)壁及焊縫處發(fā)生的腐蝕穿孔現(xiàn)象其實(shí)質(zhì)為點(diǎn)腐蝕。

2.2 腐蝕原因分析

由文獻(xiàn) [1]可知，盡管鋼管腐蝕物中氯離子濃度較低，但在陽(yáng)極極化條件下，介質(zhì)中只要含有氯離子便可使金屬發(fā)生點(diǎn)腐蝕。氯離子吸附在鋼管表面，破壞了金屬表面的鈍化膜，達(dá)到發(fā)生點(diǎn)腐蝕的臨界離子濃度后，形成點(diǎn)蝕核，蝕核繼續(xù)長(zhǎng)大形成蝕孔。此時(shí)蝕孔內(nèi)的金屬表面處于活態(tài)，電位較負(fù)，成為陽(yáng)極；蝕孔外的金屬表面處于鈍態(tài)，電位較正，成為陰極。這樣構(gòu)成一個(gè)小陽(yáng)極-大陰極的微電池，造成陽(yáng)極電流密度很大，致使蝕孔很快加深。此外，銹層與淤泥在孔口沉積形成一個(gè)閉塞電池，蝕孔內(nèi)、外物質(zhì)交換困難，蝕孔內(nèi)金屬氯化物濃縮，蝕孔高速度深化，致使鋼管蝕穿。

并不是所有的蝕孔都蝕穿鋼管，因?yàn)槲g核形成后，該點(diǎn)仍具有再鈍化的能力，再鈍化阻力較小，蝕核就不再長(zhǎng)大。由于焊縫處存在焊接應(yīng)力，應(yīng)力引起金屬晶格的扭曲，降低了金屬的電位，加速了腐蝕過(guò)程，所以蝕穿都發(fā)生在焊縫處。

另外，夾雜物的存在對(duì)鋼材耐蝕性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。從文獻(xiàn) [2]可知，鋼中非金屬夾雜物與基體的電極電位不同，在分界處會(huì)引起電化學(xué)腐蝕，造成點(diǎn)腐蝕多產(chǎn)生在夾雜物所在處。腐蝕產(chǎn)物中還發(fā)現(xiàn)S元素的富集。關(guān)于含硫離子對(duì)點(diǎn)腐蝕的影響，費(fèi)志強(qiáng)[3]認(rèn)為，Cl-和SO42-在有氧存在時(shí)將產(chǎn)生加速點(diǎn)腐蝕的傾向，其中SO42-的催化作用更顯著。姜濤等[4]研究了含硫陰離子對(duì)低碳鋼孔蝕的影響， 結(jié)果表明， CNS-、 SO32-、 SO42-、 S2O32-等離子促進(jìn)碳鋼孔蝕形核，而S2-、S2O32-、SO32-等離子促進(jìn)小孔生長(zhǎng)。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

結(jié)論：

（1）氯離子吸附在鋼管內(nèi)表面形成點(diǎn)蝕核，并逐漸向深處擴(kuò)展，最終在自催化作用下造成鋼管被腐蝕穿透，發(fā)生泄漏。

（2）含硫離子和夾雜物的存在加速了點(diǎn)腐蝕傾向。

改進(jìn)措施：

在金屬表面施加涂覆層，采用陰極保護(hù)，或在腐蝕介質(zhì)中加入少量緩蝕劑，是防止點(diǎn)腐蝕發(fā)生的有效措施。

致謝：

特別盛謝金屬材料失效分析專(zhuān)家周英勤老師給予的悉心指導(dǎo)。

[1]魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1984:148-151,214.

[2]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會(huì).金相檢驗(yàn) [M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,2003:77.

[3]費(fèi)志強(qiáng).鍋爐受熱面管子腐蝕成因分析 [J].工業(yè)鍋爐,

[4]2003(1):55-56.姜濤,左禹,熊金平.含S陰離子對(duì)低碳鋼孔蝕的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2001,13 (15):249-253.

Failure Analysis of Steel Pipe Used in Central Air Conditioning

Yang Xiaojie Li Ming Zhang Jibin Zhang Yongting Sun Haiyong Yuan Xingdong

In this paper,the failure of steel pipe used in central air conditioning was investigated.Leakage was observed in the pipeline during operation.Macroscopic analysis,metallurgical structure inspection,chemical composition analysis,scanning electron microscope (SEM)and energy dispersion spectrum (EDS)analysis were carried out to investigate the leakage mechanism and cause.The results revealed that the adsorption of chloride ion on the internal surface of steel pipe caused the nucleation of pitting.The corrosion cell leaded to deepening of the pitting.Finally,the self-catalyzed reaction leaded to the leakage failure of the steel pipe.

Steel pipe;Pitting corrosion;Failure analysis;Central air conditioning

TQ 050.9

*楊曉潔，女，1982年生，工程師，碩士。濟(jì)南市，250100。

2011-08-08）