不锈钢冷凝器换热管腐蚀失效的原因探究

不锈钢冷凝器是现代船舶系统中必不可少的装置，在船舶动力系统、滑油冷却系统和空调冷却系统均有应用。不锈钢冷凝器中的换热管由于长期与流动的海水接触，常常遭受严重腐蚀而缩短整个系统的使用寿命，处理不及时，甚至会酿成事故。换热管材料较初由碳钢、铸铁建造，因其不耐腐蚀，逐步改用TUP紫铜、Bl0等铜及铜合金材料。近年来，随着B30的生产工艺日趋成熟，船舶不锈钢冷凝器换热管开始换用具有良好的耐冲刷性能的B30铜镍合金管，这在很大程度上延长了换热管的使用寿命，但腐蚀问题仍然存在，海水管路泄漏情况时有发生。目前，国内外学者对B30在海水中的腐蚀进行了一系列的研究，由于传热管在海水中的腐蚀影响因素错综复杂，相关腐蚀失效原因也须结合实际状况进行分析，因此本文针对不锈钢冷凝器B30换热管的腐蚀问题进行分析，对其腐蚀失效原因进行研究。

1试验材料及方法

试验材料为发生泄漏的B30换热管，采用碳硫分析仪(CS800)和ICP（全谱直读等离子体发射光谱仪）对B30换热管进行化学成分检测，检测依据为GB/T5121.27-2008和GB/T5121.4-2008；根据GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》以及YS/T449-2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》，对B30换热管进行金相组织分析；利用三维视频扫描仪观察清除腐蚀产物后蚀坑形貌，并利用XL-30环境扫描电镜对B30换热管试样进行微观形貌观察，并结合EDS分析试样表面腐蚀产物。

2结果及讨论

2.1合金成分

B30换热管的实测合金成分如表1所示。由表1可知，该管段的实测合金成分均满足德国KME公司企标和德国标准要求，表明该管线的成分满足设计要求。

2.2金相组织分析

图1为B30换热管内侧和外侧的横向和纵向金相组织，B30管段的金相组织为孪晶组织，晶粒度为10.0级。与标准B30管材的金相组织如图2所示，管内侧和外侧均为完全退火后等轴状孪晶组织，晶粒度为9.5级）相比，该B30换热管普遍存在外侧与内侧组织状态不一致的现象，管材外侧为等轴晶组织，而管材内侧局部呈现拉长晶组织，为非完全退火的组织。

2.3宏观腐蚀形貌

宏观腐蚀形貌如图3所示，可以看出，B30换热管外表面整体呈黑色，存在大大小小的可见麻点，麻点颜色为黄褐色，内部表面部分蚀坑内有黑色腐蚀产物，该覆盖物结合力较差，轻轻碰触即脱落，脱落后的腐蚀产物呈黄褐色，腐蚀形貌呈现出溃疡状腐蚀的特征。选取腐蚀较严重的部位如图4中标识区域）切割加工制备成20mmx55mm的长方形检测试样，进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物分析。

2.4腐蚀形貌

图5为B30换热管外表面和内表面各典型部位的三维视频扫描形貌，以试样边缘围成的区域作为统计区域，外表面腐蚀坑尺寸较小约250μm×300μm，较大约1300μm×800μm。腐蚀坑深度较浅约为15μm，较深约为65μm。内表面较大蚀坑长约8mm，宽约4mm，深约620μm，较小麻点200μm×150μm，深度约20μm。对比内外表面的腐蚀情况可知，B30换热管内表面腐蚀坑数量、坑深及腐蚀坑尺寸均大于外表面的，表明内表面腐蚀更为严重。

2.5腐蚀产物

将较严重腐蚀部位的试样表面泥垢油污和腐蚀产物清除，如图6所示，腐蚀坑底部出现两处红色物质箭头标识处）。经分析，该红色物质为高富Cu相。

腐蚀坑表面外围（A处）和底部（B处）的SEM及EDS结果如图7和表2所示，可见，在蚀坑外，Ni元素含量32.08%（ω），Cu元素含量为64.89%（ω），材料成分符合B30合金特征；在蚀坑内，Ni元素的较低含量仅1.84%，远低于B30合金的Ni含量。

腐蚀坑内部截面的SEM及EDS结果如图8和表3所示，可以看出，A处位于材料内部，B处位于腐蚀坑底部，C处为腐蚀坑底部颗粒状物质表面，A、B两处Ni元素含量相差不大，分别为26.42%和29.84%，C处Ni元素含量很少而Cu元素富集。同时，根据Pourbaix图，在酸性、中性和弱碱性环境中，铜的电位均正于镍90mV左右，只有到了强碱性溶液中（PH>13），镍的电位才比铜正。该B30换热管内部环境为具有弱碱性的海水，因此在高富Cu相的周围，富Ni相会优先发生腐蚀，当包围高富Cu相的富Ni相腐蚀到一定程度后，高富Cu相脱落，造成较深的腐蚀坑，成为管路中的薄弱区域，当腐蚀进一步发生后，可能导致腐蚀穿孔，进而发生泄漏。

3结论

B30换热管合金成分符合要求，但是管材内外壁微观组织存在差异。换热管内壁外壁均发生腐蚀，管路失效主要由与海水接触的内壁发生的点蚀所引起。换热管内壁首先发生富Ni相的腐蚀，导致高富Cu相脱落并逐步形成较深的腐蚀坑。