海水介质下铜合金空冷器管失效原因分析

缪红建　丁雪峰　王永红

（1.江苏南通申通机械有限公司 南通226011；2.海军驻上海地区舰炮系统军事代表室 上海200135）

海水介质下铜合金空冷器管失效原因分析

缪红建1丁雪峰2王永红1

（1.江苏南通申通机械有限公司 南通226011；2.海军驻上海地区舰炮系统军事代表室 上海200135）

某型柴油机空气冷却器在服役过程中发现铜管腐蚀泄漏，铜管已经由内壁向外壁腐蚀穿孔。文中采用化学成分分析、金相分析、显微硬度测试、腐蚀表面形貌分析（SEM和EDS）等方法对空冷器管的腐蚀失效原因进行分析，结果表明：海水介质下，海洋生物在管内壁的沉积以及海水中腐蚀性氯离子、硫离子与铜基体引起微电池反应是空冷器管腐蚀穿孔的主要原因，并提出了相应的腐蚀控制建议。

空冷器管; 海水; 失效

引 言

船用柴油机空气冷却器，是一种高效紧凑型换热设备，用于冷却柴油机增压器后空气，提高柴油机工作效率［1-3］。柴油机空冷器为翅片式换热器，使用海水作为冷流体对热流体空气进行冷却。其芯组一般由均匀分布的铜管和套装在铜管上的散热片组成。海水在铜管内流动，空气则在垂直方向从铜管和散热片的缝隙中通过。

STKL系列柴油机空气冷却器，其核心空冷器管的材料牌号为CuNi10Fe1.6Mn，规格为外径12 mm、壁厚0.8 mm，管外介质为空气，工作温度为40℃～ 200℃；管内工作介质为常温海水，工作压力为0.3 MPa。一般在使用一年后，空冷器冷却管会出现腐蚀现象。为了查明空冷器管的腐蚀原因，确保空气冷却器连续可靠运行，对空冷器管进行全面检测。查明腐蚀的分布情况和腐蚀原因，并提出相应的防范措施。

1　概 况

STKL系列柴油机空气冷却器冷却管与管板胀接，和管箱法兰连接，管板材料为HSn62-1，管箱材料为ZcuZn16Si4，这两种材料与冷却管材料在海水中不存在电位差腐蚀［1］，并且在管箱中安排有牺牲阳极，以保护冷却管。空冷器冷却管在装配前进行了100%的涡流检测，管子内部不存在缺陷。空冷器冷却管内的流速分布为0.8～1.1 m/s，该流速对于铜镍合金管是比较合适的［2-3］。

2　宏观检查

将腐蚀管对剖后观察管内表面状态，发现管内壁覆盖灰绿色产物。图1为清洗后的泄漏管内壁宏观形貌。可以发现，泄漏管内可见不规则的腐蚀坑。

图1　泄漏管内壁的宏观形貌

3　理化分析

为了进一步分析空冷器管腐蚀原因，对空冷管材质进行了化学成分、金相、显微硬度等分析检测。

3.1化学成分分析

采用Leco公司CS-600红外碳硫分析仪、723型分光光度计、iCAP6300美国热电ICP-AES以及44B型恒电流电解仪对泄漏空冷器管进行材质检测，检测结果见表1。检测结果符合DIN 86019技术标准对空冷器管材质要求。

表1　化学成分分析结果%

3.2金相分析

截取泄漏管腐蚀坑的剖面试样，经镶嵌、磨抛、化学侵蚀后，置于显微镜下观察。图2为泄漏处腐蚀坑的抛光态形貌。

图2　腐蚀坑剖面抛光态形貌放大图

可以发现，腐蚀从内壁开始向外壁扩展，下页图3为腐蚀坑与基体的显微组织形貌。图4显示，显微组织为单相α铜，α铜晶粒尺寸为0.030 mm。

3.3显微硬度测试

将空冷器管剖面的金相试样置于FM700显微硬度计上，使用1.961N试验力对试样进行小力值维氏硬度检验，结果为：104HV0.2、111HV0.2、107HV0.2，符合GB/T 4340.1-2009 硬度标准。

图3　腐蚀坑剖面侵蚀态形貌放大图

图4　基体显微组织形貌

4　腐蚀表面形貌及原因分析

4.1腐蚀表面形貌

为了进一步分析冷却管腐蚀的主要原因，采用QUANTA 400 FEG扫描电子显微镜（SEM）、EDAX能谱仪（EDS）对空冷器管腐蚀坑和腐蚀产物微观形貌进行深入分析。

分别截取冷却管腐蚀处和未腐蚀处的试样，置于扫描电镜下观察。图5为冷却管腐蚀处的形貌。可以发现，内壁有直径微米级的不规则腐蚀孔，腐蚀孔周围有呈凸起状的堆积物。图6为冷却管内壁的腐蚀坑形貌。可见腐蚀坑呈现不规则形状，腐蚀坑的出现将使铜管壁变薄。图7为冷却管内壁未见明显腐蚀处产物的SEM形貌。可见，各种海洋生物在内壁的沉积对铜管导热不利。

图5　腐蚀处内壁SEM形貌

图6　腐蚀处内壁腐蚀坑SEM形貌

图7　冷却管内壁未腐蚀处产物SEM形貌

将腐蚀管内壁试样置于扫描电镜下观察，利用EDAX能谱仪对内壁产物、腐蚀坑进行化学成分元素定性及半定量分析，空冷器管内壁产物主要含有基体元素和海水中的元素，其中主要腐蚀性元素为Cl和S，无产物的内壁主要为基体元素。腐蚀坑内除含有基体元素外，还含有Cl和S等腐蚀性元素。能谱分析结果显示，在腐蚀管内壁产物和内壁均含有腐蚀性元素Cl和S。

4.2腐蚀原因分析

海水进入空冷器管内时，将冷却系统内的腐蚀产物以及海洋生物一并带入，吸附于冷却管内壁［8-9］，形成沉积物。铜管内壁沉积物分布不均匀，不同部位存在供氧差异和介质浓度差异，从而形成微电池效应［10-11］，导致局部腐蚀。

在微电池的阳极上，铜会发生反应变成Cu+及Cu2+离子，而Cu+及Cu2+离子倾向于水解生成氧化亚铜，同时使溶液局部酸化，即微电池阳极上：

Cu - e = Cu+，Cu - 2e = Cu2+。

Cu+发生水解、酸化反应：

2Cu++ H2O = Cu2O + 2H+。

Cu2+发生水解、酸化反应：

2Cu2++ H2O + 2e = Cu2O + 2H+。

由于海水中含有C1-，因此还会发生如下反应：

Cu++ C1-= CuCl。

铜管内表面初始形成的腐蚀产物是氯化亚铜，氯化亚铜水解生成氧化亚铜：

2CuCl + H2O = Cu2O + 2H++ 2C1-。

氧化亚铜膜对铜管内表面有保护作用。但是，换热管内海水中的C1-含量较高，使CuCl的形成速率将加快，而CuCl的形成会进一步加速铜的溶解。

海洋生物的附着和繁殖会产生H2S，还会发生如下反应：Cu2+ S2-= CuS。CuS的形成也将进一步加速铜的溶解。

上述分析过程中产物主要腐蚀性元素与能谱分析换热管腐蚀产物中含有较高含量的腐蚀性元素S和Cl相符。

5　结 论

针对上面铜管的腐蚀原因，针对性的提出了以下改进措施：

（1）改进空冷器铜管内壁加工工艺，减少内壁在铜管成形过程中形成的加工条纹和损伤；提高内壁表面的粗糙度等级，以减少内壁吸附海水中的海洋生物，加速形成微电池的可能，延缓腐蚀的发生，提高空冷器管的使用寿命。

（2）因为铜管在淡水中表面难以形成纯化保护膜，故在使用前需对空冷器铜管内壁成膜处理，空冷器制作完成后，在硫酸亚铁溶液中浸泡24 h，使铜管表面形成一层氧化层，以保护基体，从而延长铜管的使用寿命。

（3）在空冷器铜管进水口加装海洋生物过滤网和海水离子交换膜，以除去进入管道的海洋生物，降低管内海水中腐蚀性硫离子和氯离子的浓度。

采取了以上改进措施且使用一年后，我们对该型空冷器进行拆解和勘验，发现铜管表面无明显腐蚀现象。

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［ 5 ］ 陈懿.柴油机空气冷却器的管理技术［J］.航海科技动态， 1999（3）： 13-14，26.

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Failure analysis of copper alloy tube of air cooler under the sea

MIAO Hong-jian1 DING Xue-feng2 NG Yong-hong1
(1. Nantong Shentong Machinerng 226011, China; 2. Military Representative Office of the Naval Navy in Shanghai Area, Shanghai 200135, China)

A corrosion leak has been found on a copper alloy tube of air cooler on a diesel engine in service, which appears as a hole from inner wall to outer surface. This paper carries out the analysis of corrosion failure of the air cooler through chemical composition analysis, metallurgical analysis, microhardness test, and morphology analysis of the corrosion surface by Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). It is indicated that the corrosion hole on the air cooler is mainly caused by the deposit of the marine creatures on the inner wall, and the microbattery reaction between copper matrix and corrosive chloride ion and sulphur ion in the sea. Several suggestions have been provided for the corresponding corrosion control.

air cooler tube; sea water; failure

TG174

A

1001-9855（2015）02-0079-04

2014-09-17；

2014-10-16

缪红建（1977-），男，高级工程师，研究方向：船用热交换器的研究与开发。丁雪峰（1978-），男，工程师，研究方向：船舶设备的检验和验收工作。王永红（1973-），女，工程师，研究方向：船用换热器设计工作。