暖气供热换热器开裂失效分析

rockston

某公司的CB300型暖气供热换热器于1994年开始使用,1999年11月发现发生锈蚀,多处起鼓包开裂,要求分析腐蚀及开裂原因。该换热器系瑞典进口,由不锈钢波纹薄板交叠铜钎焊而成。母材为Cr18Ni10奥氏体不锈钢,焊缝为纯铜。一次网为高温高压热水,水压力1.2MPa,水温12℃,Cl-为115～191mg/L,溶解氧412～817mg/L,pH6.65～8.32。二次网为用户取暖热水,水源为自来水或井水,其水质比一次网好。

从一次网开裂面看,铜焊缝均已腐蚀开裂,残留在不锈钢板上的铜焊缝已失去紫铜光泽,变为黑灰色CuO,而且断口粗糙,而相对的不锈钢波纹板仍为银白色,但已发雾失光,在焊点处有明显腐蚀凹坑,大小和焊缝相当。因此从宏观上看,铜焊缝和不锈钢板都发生了腐蚀破坏。

SEM分析表明,铜焊缝表面有明显的应力腐蚀解理和沿晶开裂特征(如图1～2),而且在相邻不锈钢面上发现焊缝各处都有铜存在。显然,它们只能是由铜焊缝腐蚀迁移过来的,因此可以认定铜焊缝的破坏是以腐蚀和应力腐蚀方式进行的。不锈钢表面则具有沿晶腐蚀特征(图3),只不过腐蚀程度较小,未及穿透而已。

二次网从宏观看,铜焊缝基本未受腐蚀。而整个不锈钢波纹板均有明显的暗红色疏松腐蚀层,电镜观察其微观形貌是沿晶腐蚀特征,并覆盖有很多腐蚀产物(图4)。

该换热器是由不锈钢波纹板一层一层由铜钎焊而成,所以在工作介质中就构成了宏观电偶电池。虽然二次网较好,水质Cl-和溶氧量较低,但对不锈钢和铜的电极电位也有影响,在这种介质中因Cl-能敏感降低不锈钢的相对电极电位因而为阳极,通过阳极反应发生电化学腐蚀。在铜阴极上通过吸氧还原去极化反应而使阳极腐蚀连续进行。由于铜和不锈钢的电极电位相差很小,其腐蚀速度并不大,但对于薄板不锈钢来说其危害也不容忽视。

对于一次网,其水质差,Cl-和溶氧不仅含量高,而且波动大,远远超过了控制标准要求,在高温高压下对电位相近的铜和不锈钢的相对电位影响很大,其电位的高低可以互换,即在不同时间、不同水质条件下,不锈

极面积大,焊点附近腐蚀电流密度大,因而形成了不锈钢全面沿晶腐蚀和焊点处的不锈钢凹坑沿晶腐蚀。铜焊缝作为阳极应该在后,因为1998～1999年度的Cl-含量最高达191mg/L,而且还进行了化学脱氧,很可能会有NH4介质引入,这都会敏感降低铜的相对电位,使之成为阳极。此时因阳极比阴极面积小,所以其阳极铜焊缝的腐蚀电流大,即腐蚀速度快,加之水压对焊缝的张应力作用,就使铜焊缝发生腐蚀和应力腐蚀(图3～4),导致最终一次网的开裂失效。由于不锈钢此时作为阴极,受到了保护而不被腐蚀,所以其表面银白如故,和作为二次网阳极的不锈钢表面红锈状态截然不同。同理此时作为阴极的不锈钢,也是通过吸氧阴极反应而去极化的,以维持阳极铜焊缝的连续腐蚀和应力腐蚀。

综上所述,可以得出如下结论:

(1)换热器一次网的开裂是因铜焊缝的电偶阳极腐蚀和应力腐蚀破坏引起的。主要原因是水中Cl-、溶氧量高及可能含有NH+3等使铜焊缝变为阳极所致。

(2)一次网和二次网的不锈钢腐蚀都是电偶阳极腐蚀,以沿晶腐蚀特征为主。

(3)建议严格控制水质量,特别是NH+3含量,以避免铜焊缝变为阳极而导致其腐蚀开裂。

钢和铜都可成为电偶阳极,发生电偶腐蚀。从一次网腐蚀开裂的情况来看,不锈钢作为阳极的腐蚀应该在先,此时因为阳极面积比铜焊点阴