換熱器銅管應(yīng)力腐蝕分析

Copper Tube Stress Corrosion Analysis

甘立榮 吳洪旭 王金正 黃樹燕 班 智

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著空調(diào)行業(yè)不斷發(fā)展，對于售后反饋問題的也在不斷的增多，致使空調(diào)的發(fā)展也在逐漸趨于完善，而對于制冷循環(huán)系統(tǒng)中的系統(tǒng)漏堵問題，則是影響空調(diào)行業(yè)發(fā)展的首要問題，而其中應(yīng)力腐蝕問題成為了管路泄露的重點難題，由于其導(dǎo)致的冷媒泄露問題，無論是對于空調(diào)質(zhì)量還是環(huán)境污染都是要積極避免的。而我們通過對漏點的金相研究，開裂形貌的觀察，從而分析其導(dǎo)致開裂的根本原因，再根據(jù)實際工作條件，并提出相應(yīng)減少應(yīng)力腐蝕情況發(fā)生解決措施和防護手段，就顯得尤為重要。

1 實驗過程

首先對產(chǎn)生泄露的換熱器進行了充高壓氣分析，發(fā)現(xiàn)其泄漏點集中位于換熱器緊挨著底盤銅管處位置，觀察泄露位置銅管外觀并沒有明顯磕碰劃傷等問題發(fā)生，用放大鏡觀察泄露位置，發(fā)現(xiàn)漏點有曲折性開裂的現(xiàn)象，宏觀放大后可以發(fā)現(xiàn)其形貌呈河流分叉狀。對漏點銅管進行切割大約25 mm長度，采用熱鑲嵌機將樣件與熱鑲嵌料加入進行鑲嵌，取出鑲嵌好的樣件，用預(yù)磨機打磨樣件表面，從180目砂紙到1200目依次打磨，將打磨好的樣件用拋光機拋光，利用金剛石研磨膏對金相表面進行拋光，待拋光結(jié)束后沖洗吹干，選用FeCl3溶液腐蝕金相表面，待銅材表面有麻點狀立刻沖洗吹干，用WY-20BD光學(xué)顯微鏡，在50倍下觀察銅材，分析其裂紋形態(tài)、晶粒尺寸。

用與泄露機同款機型在應(yīng)力實驗室對換熱器銅管挨著底盤位置進行布點，將應(yīng)變片貼于通關(guān)表面，由于應(yīng)變片貼在銅管表面，會隨著被測定物體伸長和縮短，而金屬在機械性地伸長或縮短時，電阻會隨之變化，對于應(yīng)變片所采用的銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變呈正比例關(guān)系，所以我們可以通過測試，測量應(yīng)變片的電阻值，從而得出銅管的應(yīng)力值，我們對空調(diào)制冷制熱以及在不同頻率點時，運行的管路應(yīng)力值進行測試，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行整理分析。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 金相分析

通過光學(xué)顯微鏡拍下金相照片圖1，顯微鏡下觀察金相，可以看到晶粒組織從外向內(nèi)部開裂，開裂的形式為穿晶開裂和沿晶開裂共同組成，斷口是由銅管外壁逐漸向內(nèi)延伸形成，沿主裂紋向內(nèi)部擴散，通過金相表征形貌可以判斷其為典型的應(yīng)力開裂。由于銅管表面并沒有明顯的損傷痕跡，則并非是由外部破壞造成的，通過分析，可以初步判斷其開裂的原因主要由應(yīng)力導(dǎo)致的，為了驗證其是否由應(yīng)力作用則需要對機器的運行應(yīng)力進行相應(yīng)測試，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷運行應(yīng)力是否合格，能否導(dǎo)致應(yīng)力開裂，并考慮是否為應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致銅管的開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 金相照片

2.2 運行應(yīng)力分析

對同款系列產(chǎn)品做噪音實驗結(jié)果如表1，可以看到在制冷、制熱模式和各個頻率點運行管路應(yīng)力值都非常小，此處為靜管，整機運行過程中此處有震動現(xiàn)象，但震動幅度較小，并無太大影響，為了使實驗更加嚴謹，我們還對外機的常規(guī)動態(tài)應(yīng)力，以及新增的靜態(tài)應(yīng)力都進行了測試，結(jié)果外籍的動態(tài)應(yīng)力值僅為10μ，且整個開停機過程循環(huán)應(yīng)力僅100μ，并無異常數(shù)據(jù)，故非運行應(yīng)力導(dǎo)致開裂。所以可以判斷其并非單純的應(yīng)力斷裂造成的。

表1 各模式頻率運行管路應(yīng)力值

2.3 應(yīng)力腐蝕

由于應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速度一般在1×（10－9～10－6）m/s，跟疲勞斷裂類似，是一種緩慢進行的過程，其遠大于沒有應(yīng)力時的腐蝕速度，但又遠小于單純力學(xué)因素的斷裂速度。這種由亞臨界擴展狀況一直達到某一臨界值，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕是由金屬材料在承受靜態(tài)或準靜態(tài)拉伸應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的破裂。應(yīng)力腐蝕三個必要條件：金屬、應(yīng)力、含腐蝕物質(zhì)的水。對于銅材常見的腐蝕介質(zhì)有：氨蒸汽、含氨氣體、二氧化硫氣體、三氯化鐵、硝酸溶液。在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，金屬表面的缺陷處會形成裂紋源。而裂紋源通道狹窄，孔隙內(nèi)外溶液流動困難，從而形成封閉區(qū)域。在封閉區(qū)間，氧會迅速消耗殆盡，在得不到補充的情況下，內(nèi)部最后只能進行陽極反應(yīng)[1]。封閉區(qū)內(nèi)部金屬離子水解產(chǎn)生H+離子，致使pH值下降，但為了維持封閉區(qū)域內(nèi)電中性，縫外的Cl－則需移至縫內(nèi)，從而形成腐蝕性極強的鹽酸，使縫內(nèi)腐蝕以自催化方式加速進行[2]。隨著腐蝕的進行，裂縫會不斷地向下延伸，直至將銅管腐蝕穿透，從而導(dǎo)致銅管泄露現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 斷裂原因分析

銅管泄露故障累計50單，大多使用周期為46～217天，且泄漏點外觀均可看出有泡水結(jié)垢的痕跡，而其他位于上方的銅管其外觀較好并沒有腐蝕與結(jié)垢的現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)電話回訪及到現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)安裝處有明顯腐蝕源（食品廠/化肥廠/中藥廠等）的環(huán)境，雖然有些空調(diào)工作條件是在普通環(huán)境下并無明顯腐蝕源，但觀察其底盤泄露位置附近，可以看到有明顯臟物堆積的存在，有鳥糞、黃色油脂、飛蟲堆積尸體等易產(chǎn)生腐蝕液體的污染源。且泄露位置距離底部只有0.5 mm，若換熱器翅片的間隙被外界灰塵雜物堵住易產(chǎn)生積水現(xiàn)象，從而達到應(yīng)力腐蝕的三個必要條件[3]，所以判斷泄漏原因為應(yīng)力腐蝕。為了降低應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，可以防止腐蝕介質(zhì)的與銅管接觸、積水現(xiàn)象在機器底部的發(fā)生、銅管的表面防護以及從整體的設(shè)計等角度出發(fā)，并要對設(shè)備整體進行嚴格把控，定時檢查和維修[4]。

3 結(jié)論

為了降低換熱器銅管應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象，我們主要從應(yīng)力腐蝕的機理出發(fā)，首先對于換熱器底部容易聚水區(qū)域進行優(yōu)化，完善設(shè)計規(guī)范，開發(fā)不易積水的底盤結(jié)構(gòu)，防止含有腐蝕物質(zhì)的液體長時間接觸銅管，對銅管表面。其次是對于換熱方面的改進，首先是對銅管表面的防腐處理，在銅管表面刷防腐涂料，阻礙腐蝕介質(zhì)和水與銅管接觸，其次是將最下層銅管與底部距離增大，從而降低了銅管與積水免得接觸機會。