冷水机组白铜螺纹管泄漏原因分析*

陈妙清 ，张碧波，罗东昌

1. 广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院) ，广东 广州510650 ；2. 中广核(深圳)辐射监测技术有限公司 ，广东 深圳518124

冷水机组白铜螺纹管泄漏原因分析*

陈妙清1，张碧波1，罗东昌2

1. 广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院) ，广东 广州510650 ；2. 中广核(深圳)辐射监测技术有限公司 ，广东 深圳518124

通过对冷水机组泄漏部位基材的成分、金相组织和维氏显微硬度分析，对蚀孔用扫描电镜和能谱仪进行微观形貌及微区成分分析，结果表明，冷水机组镍铜合金螺纹管泄漏失效为冲刷腐蚀所致.

白铜； 泄漏；冲刷腐蚀

船舶、电力、炼油、化工等领域中许多装置都需要设置水冷却系统，以防设备因温度升高而导致工作效率降低或工作能力丧失.水冷却系统是沿海工业、海上基础设施及海上交通工具必不可少的重要组成部分.CW352H铜镍合金因其良好的耐流动海水腐蚀性而取代钢铁材料被广泛应用于各类舰船的冷凝器管、滨海电厂的热交换器和海水淡化处理设备管道等水冷却系统.鉴于海水是一种成分复杂的天然电解质，尽管CW352H铜镍合金的耐海水腐蚀性能良好,但在流动海水中还是难以避免发生腐蚀失效.

由CW352H铜镍合金螺纹管制成的冷水机组，装机后在海上正常使用7个月后发生泄漏.为查明泄漏原因，对CW352H铜镍合金螺纹管进行了失效原因分析.

1 试验材料及方法

1.1 试 样

CW352H铜镍合金螺纹管工作时海水流过管内壁，管外为冷却介质，工作温度为40～50 ℃.泄漏部位为冷水机组中直管至弯曲螺纹管的过渡部位.生产商从泄漏部位截取部分CW352H铜镍合金管，其外观如图1所示.

图1 失效镍铜合金管的宏观形貌Fig.1 Failure macrograph of nickel-copper alloy tube

1.2 测试方法

采用VLTIMAⅡ大型等离子光谱仪对失效镍铜合金管的基材进行化学成分分析；用STRUERS Secotom-15台式精密切割机纵向截取失效镍铜合金管的直管部分和螺纹部分；用STRUERS Cito Press-10电子液压热镶嵌机镶嵌试样，用STRUERS TegraMin-25自动研磨抛光机抛光试样，将试样浸蚀后，再采用LEICA DMI5000M倒置式大型金相显微镜进行金相组织观察.采用STRUERS Dura Sean 70G5 型维氏显微硬度仪测试失效合金铜管的直管和弯管部位的维氏显微硬度.采用JEOL JSM-5910 扫描电镜观察失效部位的微观形貌，并用NARON能谱分析仪对失效部位表面覆盖物的成分进行分析.

2 试验结果与讨论

2.1 宏观观察

纵向截取失效镍铜合金管，如图2所示.仔细查看发现，铜管外表面轻微变红，为铜氧化后的颜色；铜管内壁直管部位发黄发白，肉眼可见附着一层外来沉积物，铜管螺纹凹下部位与直管颜色一致，凸起棱部位为深褐色，肉眼可见凸起棱部位存在孔洞和蚀坑，见图2.初步判断铜管泄漏为冲刷或腐蚀引起.

2.2 成分分析

失效镍铜合金管的化学成分分析列于表1.根据EN12451-1999《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》对铜合金化学成分的规定，失效镍铜合金管的化学成分符合CW352H镍铜合金的要求.

图2 失效铜合金管内壁的宏观形貌Fig.2 Macrography of the inner wall of the copper alloy tubes in failure

2.3 金相分析

纵向截取失效镍铜合金管的直管部分和螺纹部分，制成金相试样观察，如图3、图4所示.由图3可知，铜管基体为单相α铜，直管基材组织呈完全退火态，按YS/T347-2004铜及铜合金平均晶粒度测试方法可评其晶粒度为13级，此时晶粒平均直径为28.3 μm.由图4可见，螺纹管基材的组织有轻微变形，但铜基材未出现晶界增粗和沿晶裂纹.

表1 失效镍铜合金管基材的化学成分

图3 铜合金管直管部位的金相组织Fig.3 Metallograph of the straight part of copper alloy tube

图4 铜合金管螺纹弯曲部位的金相组织Fig.4 Metallograph of bending parts of copper alloy tube thread

2.4 扫描电镜观察及能谱分析

将失效镍铜合金管沿轴中心线剖开，用扫描电镜对失效泄漏部位进行观察，其形貌如图5、图6所示.图5显示，失效镍铜合金管内壁弯管处存在一层覆盖物，覆盖物部分剥落.对覆盖物微区进行能谱分析，如图7所示.图7显示，覆盖物的成分含量从低到高依次为C，O，Mg，Al，Si，S，K，Ca，Fe，Cu,说明失效铜管内壁的覆盖物为流动海水所携带的微粒沉积物.对螺纹管凸起棱部位的蚀坑进行观察，发现蚀坑在顺水流方向呈前深后浅的半月形，月牙底部仍有新的小坑，同样沉积了很薄一层覆盖物，见图6.同时,在顺水流方向月牙型坑的后方也发现了浅型蚀坑，浅蚀坑嵌套在大蚀坑上，同样呈前深后浅的半月形.根据蚀坑表面覆盖层厚度推断，大蚀坑存在时间长，后期基本没有继续长大.

图5 铜合金管内壁螺纹部位的表面形貌Fig.5 Surface morphology of the inner wall of copper alloy tubes

图6 铜合金管内壁螺纹凸起棱部位的蚀坑形貌Fig.6 Pits morphology of inner wall threaded edge part of copper alloy tubes

图7 铜合金管内壁螺纹部位附着物能谱分析Fig.7 Energy dispersive spectrum of attachment of thread in the inner wall of copper alloy tube

2.5 维氏显微硬度检验

测试失效镍铜合金管的直管和弯管部位的维氏显微硬度，结果列于表2.由表2可知，参照GB/T1527-2006《铜及铜合金拉制管》，失效镍铜合金管弯曲部位和直管部位的硬度均达到硬态要求，弯曲部位较直管部位的硬度稍高.

表2 镍铜合金管的维氏显微硬度

2.6 分析与讨论

对失效CW352H镍铜合金螺纹管的检测表明，失效镍铜合金管基材的成分、金相组织和维氏显微硬度均满足镍铜合金各项性能指标的要求.

海水几乎含有地球上所有的元素，是携带一定数量溶质颗粒和氧的成分复杂的天然强电解质.冷水机组工作时，海水以一定流速通过镍铜螺纹管内壁，在无变径、流速低的情况下，海水呈层流状态流动，海水对铜管内壁的作用主要为剪切作用，此时海水携带的离子对铜管内壁的传递速度慢，供氧量也较少.当海水通过铜管的变径部位时，特别是由直管变为螺纹管这一部位，由于内径和内表面的变化，海水流动状态由层流变为湍流，海水流动紊乱且流动速度剧烈增加[1，3]，将出现以下问题.(1)加速了海水携带颗粒向管内壁的传质过程，促进去极化剂(如氧、二氧化碳)到达镍铜合金管内表面，加速氧与铜镍合金管金属的结合而引起腐蚀产物的生成，同时加速其他颗粒物在管内壁的沉积.(2)海水对管内壁表面材料的作用方式由剪切变为剪切与冲击组合，成为冲刷.小角度冲刷时，水平方向的剪切作用较强，当剪切力大于腐蚀产物的附着力时，腐蚀产物从管内表面剥离，因此切削是管内表面损失的主要原因.大角度冲刷时，垂直方向的撞击作用较强，固相粒子撞击管内表面，在管内表面形成微裂纹、冲击坑及周围的突起唇.微裂纹在遭受持续冲击作用下扩展，使材料呈片状脱落；突起唇在随后的颗粒冲击下被冲刷掉[2].

失效镍铜合金管螺纹段的内表面凸起部位，因表面形貌突变，是受海水冲击最厉害的部位.特别是螺纹管与直管衔接过渡部位的凸起表面，首先遭受海水的冲刷腐蚀，在被冲刷表面留下半圆形且前深后浅的凹坑.这就是螺纹管内表面存在大量沉积物和腐蚀坑的原因.海水对螺纹铜管变径部位的凸起棱持续冲刷使该部位基体不断减薄，最终导致穿孔失效.

3 结 论

冷水机组镍铜合金螺纹管的成分、硬度等均满足CW352H镍铜合金性能指标的要求.冷水机组铜镍合金螺纹管泄漏失效性质为冲刷腐蚀.失效原因为海水在铜管的变径部位发生湍流，湍流态海水及携带物对螺纹铜管凸起部位冲刷腐蚀，导致螺纹铜管穿孔失效.

[1] 吴成红，甘复兴.金属在两相流动水体中的冲刷腐蚀[J].材料保护，2000，33(4)：33-36.

[2] 郑俊涛，张三平，周学杰，等.白铜B10和B30冲刷腐蚀对比研究[J].装备环境工程，2010，7(1)：40-43.

[3] 胡宗武，刘建国，李自力，等.液固两相流对金属材料冲刷腐蚀的研究现状及展望[J].材料保护，2015，48(10)：30-34.

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

广州市科技企业孵化器发展专项(20150502003)

陈妙清 (1966-),女，广东江门人，工程师，大专.

1673-9981(2017)03-0207-04