某电站冷却器换热管穿孔原因分析

刘晓伟 刘 忠

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

换热管的材质一般为钛合金、不锈钢、铜合金，其服役寿命与运行介质直接相关，若选材不合理或介质恶化，设备可能运行几个月就会失效[1,2]。某电站冷却器在运行一年半后，换热管端部发生穿孔。为寻找换热管穿孔原因，本文从失效部件的形貌、腐蚀产物等方面进行分析。

1 试验材料与方法

某电站空气冷却器管冷却管为TP2-M紫铜，框架及管板为316L不锈钢材料，其管侧的介质为添加了磷酸钠的除盐水，壳侧为空气。进出口水温分别是35℃、40.5℃，空气入口测68℃，出口侧38℃。采用体视显微镜、金相显微镜、扫描电子显微镜和能谱分析方法对换热管穿孔区域进行表征。

2 试验结果与讨论

2.1 宏观观察

目视检查换热管穿孔区域，发现出现冷却端部2根弯管存在泄漏情况，外表面附着绿色腐蚀产物，且表面附着一层清漆， 如图1所示。

图1 现场泄漏形貌

将失效铜管置于体视显微镜下观察，图2为失效铜管内外表面宏观形貌，其内表面穿孔部位为形状不规则的小孔，表面裸露在大气中，周边其它区域附着一层清漆。铜管内表面穿孔部位呈沿轴向的条状形貌，表面附着一层氧化物。

图2 换热管穿孔形貌图

2.2 材质分析

将试样打磨并抛光，露出金属基体，进行能谱分析，结果如图3示。从图中可以看出，铜管为紫铜材质。

图3 能谱分析结果

对铜管纵向试样进行非金属夹杂物分析，结果如图4所示。铜管基体非常洁净，未发现明显夹杂物。

图4 纵向试样夹杂物

2.3 金相分析

沿穿孔中部（径向）将铜管切开进行穿孔金相分析。结果如图5所示，穿孔内部存在多处孔洞，呈现不规则形状，孔洞从内表面扩展，其中一处扩展到外表面造成穿孔而泄漏。

图5 穿孔形貌（抛光态）

对失效铜管的未穿孔部位的内外表面进行观察，如图6所示，外表面较为光滑，而内表面布满凹凸不平的大量蚀坑，说明铜管内部介质对铜管造成了腐蚀。

图6 横截面整体形貌

在失效铜管未穿孔部位取样进行横向和纵向金相组织分析，结果如图7所示。从图中可以看出，纵向基体无条带状组织，说明铜管在加工以后经过了热处理，发生了再结晶，基体组织为再结晶α相。进一步观察其他部位可以发现，横向和纵向截面均存在数个大小不一的孔洞组织（如图8所示），说明材料本体发生了点蚀。

图7 基体显微形貌

图8 铜鼓截面上孔洞形貌

内表面点蚀发展呈不规则方向发展，如图9所示。点蚀发展过程中在空间沿不同方向发展，故而在观察铜管横切面时发现部分点蚀坑在基体内部较远处，而没有联通至表面。

图9 内表面上的点蚀形貌

2.4 微观形貌

图10分别为失效铜管外表面和内表面穿孔微观形貌。从图中可以看出，外表面穿孔孔径约0.1mm，形状不规则，内部附着一定量的腐蚀产物，内表面穿孔呈裂纹状，方向沿轴向发展。

图10 内外表面穿孔微观形貌（100×）

失效铜管外表面和内表面穿孔部位能谱分析结果如图11、图12所示。从图中可以看出，失效铜管外表面以铜氧化物为主，内表面除含有铜氧化物以外，还含有少量的铁氧化物。

图11 外表面穿孔内部能谱分析结果

图12 内表面穿孔边缘能谱分析结果

从微观分析结果可以看出，铜管穿孔处出现了明显点蚀特征，在其附近区域也散布有数个点蚀坑，能谱分析结果同样显示铜管内壁普遍覆盖着一层黑色CuO物质。可见，在Na3PO4作为缓蚀剂的除盐水条件下，服役铜管已经出现了明显腐蚀，腐蚀形态表现为铜管内壁整体的均匀腐蚀和局部点蚀，个别点蚀引发了腐蚀穿孔[3]。Na3PO4在除盐水中会与铁反应生成Fe3（PO4）2沉积膜而对钢制管道形成保护作用，但是对铜和铜合金却没有保护作用，相反加入Na3PO4会提高溶液的电导率，加快铜的氧腐蚀，反应式如下：

3 结语

通过观察换热管内外表面形貌可知，换热管是由内向外腐蚀后发生穿孔。

试样的金相分析中发现横向和纵向截面均存在数个大小不一的孔洞组织，且微观形貌表征中铜管穿孔处出现了明显点蚀特征，管内壁普遍覆盖着一层黑色CuO物质，说明Na3PO4作为缓蚀剂的除盐水工况中，服役铜管出现了明显腐蚀，腐蚀形态表现为铜管内壁整体均匀腐蚀和局部点蚀，个别点蚀引发了腐蚀穿孔。