循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不銹鋼管道腐蝕穿孔原因探究

呂 闖，耿 曼

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

西北地區(qū)某項(xiàng)目水冷系統(tǒng)由內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)和外冷水循環(huán)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)以恒定壓力和流量的冷卻水流經(jīng)板式換熱器進(jìn)行熱交換，冷卻水降溫后再進(jìn)入被冷卻器件，與被冷卻器件進(jìn)行熱交換，帶走熱量，溫升水回至主循環(huán)泵的進(jìn)口。外冷取工業(yè)用水池，自然散熱作為開(kāi)式冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

為適應(yīng)大功率電力電子設(shè)備在高電壓條件下的使用要求，防止在高電壓環(huán)境下產(chǎn)生漏電流，內(nèi)冷水要求具備極低的電導(dǎo)率。因此在內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了去離子水處理回路。預(yù)設(shè)一定流量的冷卻水流經(jīng)離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，保證內(nèi)冷水水質(zhì)滿足使用要求。

水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：

內(nèi)冷水： 純水， 流量：9 m3/h，pH：6～9，DD：≤0.3 μs/cm，進(jìn)水溫度：≤45 ℃，出水溫度：≤53 ℃，系統(tǒng)壓力：4～6 bar。

外冷水：工業(yè)用水，流量：10 m3/h，進(jìn)水溫度：≤35 ℃，系統(tǒng)壓力：0.2～0.4 MPa。

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)不到半年時(shí)間的運(yùn)行，外循環(huán)水冷系統(tǒng)不銹鋼管道出現(xiàn)多處不同程度的腐蝕穿孔漏水問(wèn)題，為電力設(shè)備的正常的運(yùn)行帶來(lái)巨大安全隱患，同時(shí)也造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 失效分析方法

利用現(xiàn)場(chǎng)提供的工業(yè)用水和漏水失效的304不銹鋼管道切片取樣進(jìn)行失效分析，利用離子色譜對(duì)水樣進(jìn)行成分分析，通過(guò)觀察管道樣品的整體外觀，漏點(diǎn)及周邊情況，確認(rèn)304材質(zhì)化學(xué)元素含量，分析腐蝕產(chǎn)物及管道附著物的化學(xué)元素，進(jìn)一步分析腐蝕起始側(cè)、泄露性質(zhì)及機(jī)理，綜合分析樣品失效的原因并提出后期的改進(jìn)辦法。

1.1 外觀分析

圖1 水冷系統(tǒng)工藝圖

經(jīng)對(duì)失效樣品的全面外觀檢查，失效樣品僅外循環(huán)主管道發(fā)生泄露，泄露位置均在焊縫附近且靠一側(cè)圓周。泄露位置可見(jiàn)一些紅褐色銹跡。將外循環(huán)主管道沿縱向?qū)Π肫书_(kāi)后進(jìn)一步觀察，管內(nèi)壁整體呈黑褐色，泄露點(diǎn)均離焊縫較近但卻未在焊縫上，泄露點(diǎn)處可見(jiàn)大量紅褐色銹斑及一些腐蝕坑。除泄露點(diǎn)外，焊縫附近其他位置也存在不同程度的腐蝕特征。根據(jù)以上特征，基本可以確認(rèn)泄露是由于腐蝕所致，且腐蝕源于內(nèi)壁。對(duì)外循環(huán)主管道內(nèi)壁各典型位置用浸潤(rùn)無(wú)水乙醇的棉花進(jìn)行擦拭，擦拭后的管內(nèi)壁均呈光亮金屬色，可見(jiàn)拉絲紋，這說(shuō)明管內(nèi)壁發(fā)黑是由于表面附著一層深色污垢所致，管基材并未出現(xiàn)明顯腐蝕。內(nèi)循環(huán)主管道內(nèi)壁呈光亮金屬色，可見(jiàn)拉絲紋。

1.2 工業(yè)用水水質(zhì)分析

圖2 管道內(nèi)外表面對(duì)比

表1 外冷水成分分析

從表1中可以明顯看出，外冷水中含有大量的堿金屬陽(yáng)離子以及對(duì)不銹鋼就有強(qiáng)烈腐蝕特性的氯離子和硫酸根離子。曲秀華研究指出：冷卻水中如果不含氯離子，硫酸根對(duì)點(diǎn)蝕影響微小，如果存在氯離子，硫酸根則明顯抑制氯離子的吸附[2]，減小了304不銹鋼的腐蝕敏感性。而氯離子濃度一定時(shí)，氯離子與硫酸根離子的質(zhì)量比越小，304不銹鋼的耐腐蝕性越強(qiáng)。304不銹鋼在低硬度循環(huán)冷卻水中點(diǎn)腐蝕更具敏感性，冷卻水溫度與點(diǎn)蝕敏感性呈正相關(guān)。

1.3 管壁污垢成分分析

圖3 管壁污垢能譜圖

表2 管壁污垢成分/%

1.4 管道成分分析

表3 外冷管道材質(zhì)分析

從表3可以明顯看出，失效的304不銹鋼管道符合標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的要求。

1.5 管道漏點(diǎn)形貌分析

將泄露點(diǎn)及其周邊切取成小塊，通過(guò)無(wú)水乙醇超聲將內(nèi)壁表面的附著物去除后對(duì)泄露點(diǎn)位置進(jìn)行觀察。（可能會(huì)將大部分腐蝕產(chǎn)物及一些可溶性元素去除，但是不去除附著物，無(wú)法觀察到實(shí)際腐蝕情況）。管內(nèi)壁泄露點(diǎn)周邊可見(jiàn)大量紅褐色銹跡，但均可以較輕松地刮除，刮除后的表面呈金屬色，說(shuō)明銹跡僅僅是附著在表面，基材未發(fā)生嚴(yán)重腐蝕/銹蝕。在泄露點(diǎn)側(cè)整個(gè)圓周及焊縫另一側(cè)類似距離的整個(gè)圓周上均可見(jiàn)不同程度的腐蝕帶。對(duì)泄露點(diǎn)位置進(jìn)一步光學(xué)放大觀察，管內(nèi)壁泄露點(diǎn)位置可見(jiàn)一些深度較深、尺寸較大的點(diǎn)蝕坑，還可見(jiàn)大量深度較淺、尺寸較小的點(diǎn)蝕坑；管外壁僅可見(jiàn)單一的較大尺寸的、呈灰黑色的腐蝕坑。因此可以進(jìn)一步確認(rèn)主管道是由于源自內(nèi)壁的點(diǎn)蝕穿孔導(dǎo)致的泄露。進(jìn)一步SEM放大觀察，較深點(diǎn)蝕坑主要呈皮下型，腐蝕坑的垂直度較高或外窄內(nèi)寬，腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物呈泥紋花樣狀，腐蝕產(chǎn)物存在大面積掉落，腐蝕產(chǎn)物掉落位置，整體較平坦，可見(jiàn)明顯的晶界特征；較淺、尺寸較小的點(diǎn)蝕坑呈橢圓形，內(nèi)部可見(jiàn)大量腐蝕產(chǎn)物。管內(nèi)壁正常位置附著的污垢去除后，表面僅存在輕微的晶間腐蝕，表面的拉絲痕跡仍然清晰可見(jiàn)。

圖4 泄露點(diǎn)內(nèi)/外表面光學(xué)放大形貌

1.6 泄漏點(diǎn)能譜分析

腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物中除氧元素外，還含有大量磷及硫元素。管內(nèi)壁正常位置并未發(fā)生明顯腐蝕。未過(guò)水及無(wú)水乙醇的管內(nèi)壁上刮下的污垢除包含大量氧及少量磷，硫元素外，還含有一定量的輕金屬元素：鈉，鎂，鋁，硅，鉀，鈣及容易導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的氯元素。

腐蝕產(chǎn)物的掃描電鏡照片和能譜圖（Mass%）：

圖5 腐蝕點(diǎn)能譜圖

表4 腐蝕點(diǎn)能譜分析/%

1.7 金相分析

經(jīng)對(duì)泄露點(diǎn)位置的截面金相觀察，腐蝕坑呈典型的點(diǎn)蝕特征，為皮下型凹坑，外窄內(nèi)寬，坑底較圓滑。焊縫熔合線附近的熱影響區(qū)溫度超過(guò)固溶溫度，晶粒明顯長(zhǎng)大，再往遠(yuǎn)處未超過(guò)固溶溫度的區(qū)域金相組織無(wú)明顯變化。泄露位置與正常位置金相組織無(wú)明顯差異，均為奧氏體+少量δ鐵素體。管內(nèi)壁正常位置表面附著一層污垢，基材未見(jiàn)明顯腐蝕。

圖6 泄露點(diǎn)界面低倍金相形貌

水冷系統(tǒng)用304不銹鋼焊接接頭在電焊過(guò)程中受到熱、力、溫度的綜合影響，不同位置微觀組織發(fā)生了差異性變化，導(dǎo)致了不同區(qū)域存在不同的電化學(xué)腐蝕活性[3]。母材耐腐蝕性均良好，焊縫區(qū)域次之，熱影響區(qū)域由于承受大量熱量的影響，金相組織晶粒長(zhǎng)大，大小不規(guī)則，耐腐蝕性明顯下降，尤其是焊縫周邊熱影響區(qū)因α鐵素體的析出，導(dǎo)致晶界貧鉻[4]，導(dǎo)致發(fā)生最強(qiáng)烈的腐蝕。

1.8 硬度分析

失效樣品泄露位置硬度稍稍低于正常位置，應(yīng)是焊接受熱所致。

維氏硬度測(cè)試結(jié)果（HV1）

表5 硬度對(duì)比

2 分析與討論

（1）外循環(huán)主管道的材質(zhì)及金相組織均正常。

（2）首先，從失效樣品外觀來(lái)看，內(nèi)、外循環(huán)主管道外壁表面均主要呈金屬色，僅泄露點(diǎn)位置可見(jiàn)一些銹跡。外循環(huán)主管道內(nèi)壁整體呈黑褐色，泄露點(diǎn)位置可見(jiàn)大量銹跡及一定數(shù)量腐蝕坑；內(nèi)循環(huán)主管道內(nèi)壁整體仍呈光亮金屬色。內(nèi)、外循環(huán)主管道的材料及加工工藝均相同，外部環(huán)境相同，僅內(nèi)部流通的冷卻水存在差異（內(nèi)循環(huán)冷卻為純水，外循環(huán)冷卻水為工業(yè)用水，水質(zhì)不穩(wěn)定），由此已經(jīng)可以確認(rèn)是由于外冷水導(dǎo)致的不銹鋼管道腐蝕穿孔泄露。

（3）其次，由泄露點(diǎn)腐蝕坑的表面形貌及截面形貌特征可知，穿孔及腐蝕坑為典型的點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的磷、硫元素。另外，管內(nèi)壁表面整體附著一層污垢，污垢中含有一定量的金屬元素，及一些氯、磷、硫等腐蝕性元素；通過(guò)對(duì)冷卻水的成分分析，內(nèi)部含有大量金屬離子及硫酸根及氯離子，這些污垢及冷卻水的成分均表明，外循環(huán)主管道內(nèi)流通的冷卻水具有電解質(zhì)液的特征，且存在一些腐蝕性元素，長(zhǎng)期接觸會(huì)使得金屬發(fā)生腐蝕。

（4）由泄露點(diǎn)及腐蝕坑的分布規(guī)律可知，腐蝕基本位于焊縫附近但又未在焊縫上，管內(nèi)壁其他位置表面僅附著一層污垢，無(wú)明顯腐蝕。根據(jù)焊接熱量的分布情況及304不銹鋼材料的特征，分析認(rèn)為，這是由于焊縫附近由于焊接熱量的影響產(chǎn)生敏化現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域的耐蝕性下降，因此在外界不良環(huán)境的影響下易于發(fā)生腐蝕。

綜合以上幾點(diǎn)，失效產(chǎn)品外循環(huán)主管道由于內(nèi)部環(huán)境惡劣，加上焊接過(guò)程中局部區(qū)域受熱敏化，從而發(fā)生點(diǎn)蝕穿孔。

3 改進(jìn)措施

3.1 焊接工藝改進(jìn)

為降低電焊對(duì)不銹鋼晶粒的熱力影響以及焊接接頭耐蝕性能的下降，一般采取以下幾種方法進(jìn)行改善：（1）選用小的熱輸入焊接參數(shù)和較小直徑的焊接材料。（2）利用窄焊縫技術(shù)和快速拉焊的方式進(jìn)行多層多道焊。不可以在焊接時(shí)進(jìn)行擺動(dòng)施焊[5]。（3）在多層焊時(shí)，還要嚴(yán)格控制層間溫度在150℃上下，容易進(jìn)行焊接。（4）對(duì)焊縫進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，通氬冷卻或通水冷卻、加銅墊板等，通過(guò)減少焊頭的高溫脆化和475℃脆性，用以減少焊接接頭的熱影響區(qū)過(guò)熱。

3.2 工業(yè)用水改進(jìn)

為降低工業(yè)水對(duì)不銹鋼管道的腐蝕，一般采用的絮凝+沉淀+過(guò)濾+精處理除鹽的水處理工藝，對(duì)冷卻水進(jìn)行深度除鹽處理[6]，直至滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)要求；如果難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)水的深度處理，則通過(guò)試驗(yàn)的方法研究[7]，投加一定量的合適的緩蝕阻垢劑用來(lái)降低和延緩冷卻水對(duì)管道的腐蝕。