冷水機(jī)組白銅螺紋管泄漏原因分析*

陳妙清 ，張碧波，羅東昌

1. 廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院) ，廣東 廣州510650 ；2. 中廣核(深圳)輻射監(jiān)測技術(shù)有限公司 ，廣東 深圳518124

冷水機(jī)組白銅螺紋管泄漏原因分析*

陳妙清1，張碧波1，羅東昌2

1. 廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院) ，廣東 廣州510650 ；2. 中廣核(深圳)輻射監(jiān)測技術(shù)有限公司 ，廣東 深圳518124

通過對冷水機(jī)組泄漏部位基材的成分、金相組織和維氏顯微硬度分析，對蝕孔用掃描電鏡和能譜儀進(jìn)行微觀形貌及微區(qū)成分分析，結(jié)果表明，冷水機(jī)組鎳銅合金螺紋管泄漏失效為沖刷腐蝕所致.

白銅； 泄漏；沖刷腐蝕

船舶、電力、煉油、化工等領(lǐng)域中許多裝置都需要設(shè)置水冷卻系統(tǒng)，以防設(shè)備因溫度升高而導(dǎo)致工作效率降低或工作能力喪失.水冷卻系統(tǒng)是沿海工業(yè)、海上基礎(chǔ)設(shè)施及海上交通工具必不可少的重要組成部分.CW352H銅鎳合金因其良好的耐流動(dòng)海水腐蝕性而取代鋼鐵材料被廣泛應(yīng)用于各類艦船的冷凝器管、濱海電廠的熱交換器和海水淡化處理設(shè)備管道等水冷卻系統(tǒng).鑒于海水是一種成分復(fù)雜的天然電解質(zhì)，盡管CW352H銅鎳合金的耐海水腐蝕性能良好,但在流動(dòng)海水中還是難以避免發(fā)生腐蝕失效.

由CW352H銅鎳合金螺紋管制成的冷水機(jī)組，裝機(jī)后在海上正常使用7個(gè)月后發(fā)生泄漏.為查明泄漏原因，對CW352H銅鎳合金螺紋管進(jìn)行了失效原因分析.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試 樣

CW352H銅鎳合金螺紋管工作時(shí)海水流過管內(nèi)壁，管外為冷卻介質(zhì)，工作溫度為40～50 ℃.泄漏部位為冷水機(jī)組中直管至彎曲螺紋管的過渡部位.生產(chǎn)商從泄漏部位截取部分CW352H銅鎳合金管，其外觀如圖1所示.

圖1 失效鎳銅合金管的宏觀形貌Fig.1 Failure macrograph of nickel-copper alloy tube

1.2 測試方法

采用VLTIMAⅡ大型等離子光譜儀對失效鎳銅合金管的基材進(jìn)行化學(xué)成分分析；用STRUERS Secotom-15臺(tái)式精密切割機(jī)縱向截取失效鎳銅合金管的直管部分和螺紋部分；用STRUERS Cito Press-10電子液壓熱鑲嵌機(jī)鑲嵌試樣，用STRUERS TegraMin-25自動(dòng)研磨拋光機(jī)拋光試樣，將試樣浸蝕后，再采用LEICA DMI5000M倒置式大型金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察.采用STRUERS Dura Sean 70G5 型維氏顯微硬度儀測試失效合金銅管的直管和彎管部位的維氏顯微硬度.采用JEOL JSM-5910 掃描電鏡觀察失效部位的微觀形貌，并用NARON能譜分析儀對失效部位表面覆蓋物的成分進(jìn)行分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀觀察

縱向截取失效鎳銅合金管，如圖2所示.仔細(xì)查看發(fā)現(xiàn)，銅管外表面輕微變紅，為銅氧化后的顏色；銅管內(nèi)壁直管部位發(fā)黃發(fā)白，肉眼可見附著一層外來沉積物，銅管螺紋凹下部位與直管顏色一致，凸起棱部位為深褐色，肉眼可見凸起棱部位存在孔洞和蝕坑，見圖2.初步判斷銅管泄漏為沖刷或腐蝕引起.

2.2 成分分析

失效鎳銅合金管的化學(xué)成分分析列于表1.根據(jù)EN12451-1999《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》對銅合金化學(xué)成分的規(guī)定，失效鎳銅合金管的化學(xué)成分符合CW352H鎳銅合金的要求.

圖2 失效銅合金管內(nèi)壁的宏觀形貌Fig.2 Macrography of the inner wall of the copper alloy tubes in failure

2.3 金相分析

縱向截取失效鎳銅合金管的直管部分和螺紋部分，制成金相試樣觀察，如圖3、圖4所示.由圖3可知，銅管基體為單相α銅，直管基材組織呈完全退火態(tài)，按YS/T347-2004銅及銅合金平均晶粒度測試方法可評(píng)其晶粒度為13級(jí)，此時(shí)晶粒平均直徑為28.3 μm.由圖4可見，螺紋管基材的組織有輕微變形，但銅基材未出現(xiàn)晶界增粗和沿晶裂紋.

表1 失效鎳銅合金管基材的化學(xué)成分

圖3 銅合金管直管部位的金相組織Fig.3 Metallograph of the straight part of copper alloy tube

圖4 銅合金管螺紋彎曲部位的金相組織Fig.4 Metallograph of bending parts of copper alloy tube thread

2.4 掃描電鏡觀察及能譜分析

將失效鎳銅合金管沿軸中心線剖開，用掃描電鏡對失效泄漏部位進(jìn)行觀察，其形貌如圖5、圖6所示.圖5顯示，失效鎳銅合金管內(nèi)壁彎管處存在一層覆蓋物，覆蓋物部分剝落.對覆蓋物微區(qū)進(jìn)行能譜分析，如圖7所示.圖7顯示，覆蓋物的成分含量從低到高依次為C，O，Mg，Al，Si，S，K，Ca，F(xiàn)e，Cu,說明失效銅管內(nèi)壁的覆蓋物為流動(dòng)海水所攜帶的微粒沉積物.對螺紋管凸起棱部位的蝕坑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)蝕坑在順?biāo)鞣较虺是吧詈鬁\的半月形，月牙底部仍有新的小坑，同樣沉積了很薄一層覆蓋物，見圖6.同時(shí),在順?biāo)鞣较蛟卵佬涂拥暮蠓揭舶l(fā)現(xiàn)了淺型蝕坑，淺蝕坑嵌套在大蝕坑上，同樣呈前深后淺的半月形.根據(jù)蝕坑表面覆蓋層厚度推斷，大蝕坑存在時(shí)間長，后期基本沒有繼續(xù)長大.

圖5 銅合金管內(nèi)壁螺紋部位的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the inner wall of copper alloy tubes

圖6 銅合金管內(nèi)壁螺紋凸起棱部位的蝕坑形貌Fig.6 Pits morphology of inner wall threaded edge part of copper alloy tubes

圖7 銅合金管內(nèi)壁螺紋部位附著物能譜分析Fig.7 Energy dispersive spectrum of attachment of thread in the inner wall of copper alloy tube

2.5 維氏顯微硬度檢驗(yàn)

測試失效鎳銅合金管的直管和彎管部位的維氏顯微硬度，結(jié)果列于表2.由表2可知，參照GB/T1527-2006《銅及銅合金拉制管》，失效鎳銅合金管彎曲部位和直管部位的硬度均達(dá)到硬態(tài)要求，彎曲部位較直管部位的硬度稍高.

表2 鎳銅合金管的維氏顯微硬度

2.6 分析與討論

對失效CW352H鎳銅合金螺紋管的檢測表明，失效鎳銅合金管基材的成分、金相組織和維氏顯微硬度均滿足鎳銅合金各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求.

海水幾乎含有地球上所有的元素，是攜帶一定數(shù)量溶質(zhì)顆粒和氧的成分復(fù)雜的天然強(qiáng)電解質(zhì).冷水機(jī)組工作時(shí)，海水以一定流速通過鎳銅螺紋管內(nèi)壁，在無變徑、流速低的情況下，海水呈層流狀態(tài)流動(dòng)，海水對銅管內(nèi)壁的作用主要為剪切作用，此時(shí)海水?dāng)y帶的離子對銅管內(nèi)壁的傳遞速度慢，供氧量也較少.當(dāng)海水通過銅管的變徑部位時(shí)，特別是由直管變?yōu)槁菁y管這一部位，由于內(nèi)徑和內(nèi)表面的變化，海水流動(dòng)狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧?，海水流?dòng)紊亂且流動(dòng)速度劇烈增加[1，3]，將出現(xiàn)以下問題.(1)加速了海水?dāng)y帶顆粒向管內(nèi)壁的傳質(zhì)過程，促進(jìn)去極化劑(如氧、二氧化碳)到達(dá)鎳銅合金管內(nèi)表面，加速氧與銅鎳合金管金屬的結(jié)合而引起腐蝕產(chǎn)物的生成，同時(shí)加速其他顆粒物在管內(nèi)壁的沉積.(2)海水對管內(nèi)壁表面材料的作用方式由剪切變?yōu)榧羟信c沖擊組合，成為沖刷.小角度沖刷時(shí)，水平方向的剪切作用較強(qiáng)，當(dāng)剪切力大于腐蝕產(chǎn)物的附著力時(shí)，腐蝕產(chǎn)物從管內(nèi)表面剝離，因此切削是管內(nèi)表面損失的主要原因.大角度沖刷時(shí)，垂直方向的撞擊作用較強(qiáng)，固相粒子撞擊管內(nèi)表面，在管內(nèi)表面形成微裂紋、沖擊坑及周圍的突起唇.微裂紋在遭受持續(xù)沖擊作用下擴(kuò)展，使材料呈片狀脫落；突起唇在隨后的顆粒沖擊下被沖刷掉[2].

失效鎳銅合金管螺紋段的內(nèi)表面凸起部位，因表面形貌突變，是受海水沖擊最厲害的部位.特別是螺紋管與直管銜接過渡部位的凸起表面，首先遭受海水的沖刷腐蝕，在被沖刷表面留下半圓形且前深后淺的凹坑.這就是螺紋管內(nèi)表面存在大量沉積物和腐蝕坑的原因.海水對螺紋銅管變徑部位的凸起棱持續(xù)沖刷使該部位基體不斷減薄，最終導(dǎo)致穿孔失效.

3 結(jié) 論

冷水機(jī)組鎳銅合金螺紋管的成分、硬度等均滿足CW352H鎳銅合金性能指標(biāo)的要求.冷水機(jī)組銅鎳合金螺紋管泄漏失效性質(zhì)為沖刷腐蝕.失效原因?yàn)楹Ｋ阢~管的變徑部位發(fā)生湍流，湍流態(tài)海水及攜帶物對螺紋銅管凸起部位沖刷腐蝕，導(dǎo)致螺紋銅管穿孔失效.

[1] 吳成紅，甘復(fù)興.金屬在兩相流動(dòng)水體中的沖刷腐蝕[J].材料保護(hù)，2000，33(4)：33-36.

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Analysisofcupronickelthreadtubeleakageofwaterchiller

CHEN Miaoqing1，ZHANG Bibo1， LUO Dongchang2

1.GuangdongInstituteofWeldingTechnology(GuangdongChina-UkraineE.O.PatonInstituteofWelding)，Guangzhou510650，China；2.CGN(Shenzhen)RadiationMonitoringTechnologyCo.,Ltd.，Shenzhen518124，China

The water chiller leakage position of alloys composition，microstructure and microhardness of Vivtorinox，as well as pits are analyzed by using SEM and energy dispersive spectrometer.The results show that the nickel-copper alloy tube leakage failure is caused by erosion corrosion.

cupronickel；leakage；erosion corrosion

O484

：A

2017-06-10

廣州市科技企業(yè)孵化器發(fā)展專項(xiàng)(20150502003)

陳妙清 (1966-),女，廣東江門人，工程師，大專.

1673-9981(2017)03-0207-04