换热器铜管应力腐蚀分析

Copper Tube Stress Corrosion Analysis

甘立荣 吴洪旭 王金正 黄树燕 班 智

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

随着空调行业不断发展，对于售后反馈问题的也在不断的增多，致使空调的发展也在逐渐趋于完善，而对于制冷循环系统中的系统漏堵问题，则是影响空调行业发展的首要问题，而其中应力腐蚀问题成为了管路泄露的重点难题，由于其导致的冷媒泄露问题，无论是对于空调质量还是环境污染都是要积极避免的。而我们通过对漏点的金相研究，开裂形貌的观察，从而分析其导致开裂的根本原因，再根据实际工作条件，并提出相应减少应力腐蚀情况发生解决措施和防护手段，就显得尤为重要。

1 实验过程

首先对产生泄露的换热器进行了充高压气分析，发现其泄漏点集中位于换热器紧挨着底盘铜管处位置，观察泄露位置铜管外观并没有明显磕碰划伤等问题发生，用放大镜观察泄露位置，发现漏点有曲折性开裂的现象，宏观放大后可以发现其形貌呈河流分叉状。对漏点铜管进行切割大约25 mm长度，采用热镶嵌机将样件与热镶嵌料加入进行镶嵌，取出镶嵌好的样件，用预磨机打磨样件表面，从180目砂纸到1200目依次打磨，将打磨好的样件用抛光机抛光，利用金刚石研磨膏对金相表面进行抛光，待抛光结束后冲洗吹干，选用FeCl3溶液腐蚀金相表面，待铜材表面有麻点状立刻冲洗吹干，用WY-20BD光学显微镜，在50倍下观察铜材，分析其裂纹形态、晶粒尺寸。

用与泄露机同款机型在应力实验室对换热器铜管挨着底盘位置进行布点，将应变片贴于通关表面，由于应变片贴在铜管表面，会随着被测定物体伸长和缩短，而金属在机械性地伸长或缩短时，电阻会随之变化，对于应变片所采用的铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变呈正比例关系，所以我们可以通过测试，测量应变片的电阻值，从而得出铜管的应力值，我们对空调制冷制热以及在不同频率点时，运行的管路应力值进行测试，并对相关数据进行整理分析。

2 实验结果分析

2.1 金相分析

通过光学显微镜拍下金相照片图1，显微镜下观察金相，可以看到晶粒组织从外向内部开裂，开裂的形式为穿晶开裂和沿晶开裂共同组成，断口是由铜管外壁逐渐向内延伸形成，沿主裂纹向内部扩散，通过金相表征形貌可以判断其为典型的应力开裂。由于铜管表面并没有明显的损伤痕迹，则并非是由外部破坏造成的，通过分析，可以初步判断其开裂的原因主要由应力导致的，为了验证其是否由应力作用则需要对机器的运行应力进行相应测试，根据数据判断运行应力是否合格，能否导致应力开裂，并考虑是否为应力腐蚀导致铜管的开裂现象的发生。

图1 金相照片

2.2 运行应力分析

对同款系列产品做噪音实验结果如表1，可以看到在制冷、制热模式和各个频率点运行管路应力值都非常小，此处为静管，整机运行过程中此处有震动现象，但震动幅度较小，并无太大影响，为了使实验更加严谨，我们还对外机的常规动态应力，以及新增的静态应力都进行了测试，结果外籍的动态应力值仅为10μ，且整个开停机过程循环应力仅100μ，并无异常数据，故非运行应力导致开裂。所以可以判断其并非单纯的应力断裂造成的。

表1 各模式频率运行管路应力值

2.3 应力腐蚀

由于应力腐蚀的裂纹扩展速度一般在1×（10－9～10－6）m/s，跟疲劳断裂类似，是一种缓慢进行的过程，其远大于没有应力时的腐蚀速度，但又远小于单纯力学因素的断裂速度。这种由亚临界扩展状况一直达到某一临界值，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂的现象。应力腐蚀是由金属材料在承受静态或准静态拉伸应力与腐蚀介质的共同作用下引起的破裂。应力腐蚀三个必要条件：金属、应力、含腐蚀物质的水。对于铜材常见的腐蚀介质有：氨蒸汽、含氨气体、二氧化硫气体、三氯化铁、硝酸溶液。在应力和腐蚀介质的联合作用下，金属表面的缺陷处会形成裂纹源。而裂纹源通道狭窄，孔隙内外溶液流动困难，从而形成封闭区域。在封闭区间，氧会迅速消耗殆尽，在得不到补充的情况下，内部最后只能进行阳极反应[1]。封闭区内部金属离子水解产生H+离子，致使pH值下降，但为了维持封闭区域内电中性，缝外的Cl－则需移至缝内，从而形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以自催化方式加速进行[2]。随着腐蚀的进行，裂缝会不断地向下延伸，直至将铜管腐蚀穿透，从而导致铜管泄露现象的发生。

2.4 断裂原因分析

铜管泄露故障累计50单，大多使用周期为46～217天，且泄漏点外观均可看出有泡水结垢的痕迹，而其他位于上方的铜管其外观较好并没有腐蚀与结垢的现象发生。根据电话回访及到现场调查，发现安装处有明显腐蚀源（食品厂/化肥厂/中药厂等）的环境，虽然有些空调工作条件是在普通环境下并无明显腐蚀源，但观察其底盘泄露位置附近，可以看到有明显脏物堆积的存在，有鸟粪、黄色油脂、飞虫堆积尸体等易产生腐蚀液体的污染源。且泄露位置距离底部只有0.5 mm，若换热器翅片的间隙被外界灰尘杂物堵住易产生积水现象，从而达到应力腐蚀的三个必要条件[3]，所以判断泄漏原因为应力腐蚀。为了降低应力腐蚀现象的发生，可以防止腐蚀介质的与铜管接触、积水现象在机器底部的发生、铜管的表面防护以及从整体的设计等角度出发，并要对设备整体进行严格把控，定时检查和维修[4]。

3 结论

为了降低换热器铜管应力腐蚀的现象，我们主要从应力腐蚀的机理出发，首先对于换热器底部容易聚水区域进行优化，完善设计规范，开发不易积水的底盘结构，防止含有腐蚀物质的液体长时间接触铜管，对铜管表面。其次是对于换热方面的改进，首先是对铜管表面的防腐处理，在铜管表面刷防腐涂料，阻碍腐蚀介质和水与铜管接触，其次是将最下层铜管与底部距离增大，从而降低了铜管与积水免得接触机会。