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熱交換器白銅管晶間腐蝕開裂原因分析,涉及熱交換器,?白銅管,?晶間腐蝕等

發(fā)布時(shí)間:2021-09-16點(diǎn)擊:1884

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗污性能和換熱性能,且其腐蝕溫度敏感性較低,常用來制造電力工業(yè)領(lǐng)域中火電機(jī)組的熱交換器。

某超超臨界火電機(jī)組發(fā)電機(jī)氫冷器運(yùn)行4a(年)后發(fā)生泄漏,解體后發(fā)現(xiàn)多處熱交換器管子內(nèi)壁呈現(xiàn)腐蝕形態(tài),其中數(shù)根管子出現(xiàn)穿孔性泄漏。該泄漏失效的熱交換器管子材料為BFe10-1-1白銅,規(guī)格為?19mm×1mm,管內(nèi)流通介質(zhì)為閉式循環(huán)水,pH為8.5~9.5,流動(dòng)速度為1.2m·s-1,工作壓力為0.2MPa,工作溫度為40~50℃。

為找出該BFe10-1-1白銅管的失效原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列的理化檢驗(yàn)和分析,以期類似事故不再發(fā)生。

1.理化檢驗(yàn)

宏觀觀察

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1為失效管子的宏觀形貌,可見管子泄漏部位存在明顯龜裂現(xiàn)象,裂紋呈放射狀,未見明顯塑性變形。

化學(xué)成分分析

在失效管子未發(fā)生泄漏部位分別截取3個(gè)試樣,采用PDA7000型全定量元素分析儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。

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可見失效管子符合GB/T 5231-2012?加工及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分?對(duì)BFe10-1-1白銅的成分要求。

2.金相檢驗(yàn)

截取失效管子的泄漏部位(含裂紋區(qū)域),經(jīng)水磨拋光后,使用鹽酸100mL+氯化銅5g+酒精100mL浸蝕,然后采用Carl Zeiss Observer A1m型金相顯微鏡觀察其顯微組織和裂紋形態(tài),如圖2所示。

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2a)和b)可見失效管子的顯微組織為單相α固溶體,圖2c)和d)可見管子泄漏部位存在多條裂紋,裂紋呈放射狀并沿晶界分布,且在擴(kuò)展過程中不斷形成網(wǎng)狀伴生裂紋。

3.斷口分析

失效管子泄漏部位試樣經(jīng)3次超聲波清洗后(清洗介質(zhì)為分析純無水酒精),采用Carl Zeisssigma 300型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其斷口及裂紋形貌,如圖3所示。

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3a)可見斷口呈冰糖狀,圖3b)可見裂紋內(nèi)部存在明顯覆層。對(duì)斷口及裂紋內(nèi)覆層進(jìn)行能譜(EDS)分析,結(jié)果見表2。

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可見斷口及裂紋內(nèi)覆層的物質(zhì)主要為腐蝕產(chǎn)物,其中氯化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,同時(shí)含有部分硫化物。

對(duì)失效管子泄漏部位進(jìn)行面掃描分析,如圖4所示。

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可見失效管子基體中碳、鎳、鐵等元素呈明顯的區(qū)域性分布,且主要分布于基體晶界處。

4.管子內(nèi)壁覆層檢驗(yàn)

對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行SEM分析,如圖5所示,并對(duì)失效管子的內(nèi)壁覆層進(jìn)行EDS分析,結(jié)果見表3。

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可見失效管子內(nèi)壁存在明顯的覆層,覆層主要為沉積物和腐蝕產(chǎn)物。

5.分析與討論

BFe10-1-1白銅管具有良好的抗腐蝕性能,一般情況下不容易發(fā)生腐蝕,只在海水介質(zhì)流動(dòng)速度達(dá)到3m·s-1時(shí)才會(huì)出現(xiàn)表面嚴(yán)重破壞,腐蝕速率迅速增大的現(xiàn)象。

發(fā)生泄漏的熱交換器管子內(nèi)壁存在明顯的沉積物覆蓋,容易造成白銅管內(nèi)壁沉積物下內(nèi)壁表面與流通介質(zhì)的氧濃度和介質(zhì)濃度的差異,進(jìn)而形成沉積物下氧濃差腐蝕。沉積物下缺氧的管壁為腐蝕原電池的陽(yáng)極,沉積物周圍富氧區(qū)為陰極。由于熱交換器白銅管中的冷卻水偏堿性,在缺氧的情況下,沉積物下的白銅管(陽(yáng)極)被氧化成Cu2+和Cu+后進(jìn)而水解成Cu2O,并使得腐蝕坑內(nèi)的溶液呈酸性進(jìn)而加劇腐蝕的發(fā)生,導(dǎo)致白銅管內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕,反應(yīng)方程式如下

Cu-e-=Cu+(1)

Cu-2e-=Cu2+(2)

2Cu++H2O=Cu2O+2H+(3)

Cu2++H2O+2e-=Cu2O+2H+(4)

在點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域酸性環(huán)境的作用下,Cl-對(duì)存在于晶界部位的鐵元素產(chǎn)生進(jìn)一步腐蝕使得富集于晶界處的鐵元素不斷流失形成空位,空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生,***終導(dǎo)致管子產(chǎn)生晶界腐蝕開裂。

6.結(jié)論及建議

該熱交換器BFe10-1-1白銅管內(nèi)壁存在明顯的沉積物,沉積物下形成氧濃差腐蝕,導(dǎo)致管子內(nèi)壁產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕;點(diǎn)腐蝕坑區(qū)域的鐵元素不斷流失形成空位,空位的不斷形成及合并導(dǎo)致晶間裂紋的萌生,***終導(dǎo)致管子發(fā)生晶間腐蝕開裂。

建議在機(jī)組停機(jī)時(shí)開展熱交換器的保養(yǎng)及清洗工作,對(duì)換熱器管子里的殘留介質(zhì)進(jìn)行吹除并充氮?dú)?;?duì)同廠家同批次生產(chǎn)的熱交換器管子內(nèi)壁腐蝕情況進(jìn)行檢查,以確保機(jī)組安全運(yùn)行。

來源:腐蝕與防護(hù)

 


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