換熱管縫隙腐蝕的失效分析

孟凡凱* 馬世成

（德州市產品質量標準計量研究院）

0 前言

因縫隙腐蝕的孕育期較長且沒有明顯的預兆，縫隙腐蝕一般比較隱蔽，難以對其進行有效監測；而且縫隙腐蝕一旦開始，其腐蝕速率會迅速增大并帶來嚴重破壞。因此，對于縫隙腐蝕的研究具有十分重要的意義[1-4]。本文結合換熱器的結構和使用工況，對現場設備取樣，并進行材質分析、硬度測試、微觀組織形貌觀察和腐蝕產物能譜分析，找到了換熱管腐蝕泄漏的根本原因，并提出了改進措施。

1 設備基本參數

苯乙烯裝置的沉降其汽提塔換熱器基本信息如表1 所示。換熱管材質為20 #鋼，規格為 19 mm×2 mm，材料標準為GB/T 699—1999《優質碳素結構鋼》，換熱管與管板之間的連接方式為“脹焊并用”。

表1 沉降其汽提塔換熱器基本參數

2 理化分析

2.1 宏觀腐蝕形貌

從設備上截取換熱管后，進行宏觀檢驗，換熱管外表面形貌如圖1 所示。從圖1 可知，換熱管發生了腐蝕泄漏，紅棕色的腐蝕產物覆蓋在換熱管外表面，且換熱管外表面多處存在潰瘍狀腐蝕坑。

圖1 換熱管外表面腐蝕形貌

2.2 化學成分分析

用PMI-MASTER PRO 移動式直讀光譜儀對管管材質進行化學成分分析，分析結果及標準要求見表2。

由表2 中的數據可知，換熱管的化學成分均符合GB/T 699—1999，由此可以斷定，換熱管的腐蝕泄漏與換熱管的材質無關。

2.3 硬度測試分析

選取換熱管未腐蝕的部位進行硬度測試，因換熱管厚度限制的緣故無法使用布氏硬度計，于是現場采用洛氏硬度（HRB），硬度測試結果可見表3。

表2 換熱管的化學成分（質量分數） %

表3 換熱管測試點的硬度值 HRB

根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》標準規定，可將82 HRB 換算為138 HB；在GB/T 699—1999 標準中，20#鋼的硬度值上限是156 HB，由此可見，材料的硬度也符合標準要求。

2.4 金相組織分析

對截取的換熱管進行金相組織分析，換熱管金相組織形貌如圖2 所示。金相顯微組織為灰白色的先共析鐵素體與黑色的珠光體；晶界內部并無任何明顯的析出物或者夾雜物，顯微組織未見明顯異常。金相組織形貌也符合GB/T 699—1999 標準的要求。由此可見，換熱管腐蝕并非由組織變化引起。

圖2 換熱管金相組織形貌

2.5 微觀組織分析

截取換熱管腐蝕泄漏的部位，制備電鏡試樣。掃描電鏡觀測結果如圖3 所示，松軟不連續的腐蝕產物覆蓋在換熱管外表面，局域腐蝕產物呈現脫落，脫落部位呈腐蝕坑狀。

圖3 外表面腐蝕產物形貌

2.6 腐蝕產物分析

對換熱管的腐蝕產物進行能譜分析，以便確定引起換熱管腐蝕泄漏的元素。分析的位置及結果如圖4和表4所示。由能譜分析結果可知，腐蝕產物中含有C，O，Cl 和Fe 元素，其中 Cl-來源于鍋爐給水， Cl-是一種強侵蝕性離子，極易破壞金屬的腐蝕產物膜，加速金屬腐蝕速率[5]；而氧元素主要來源于給水及蒸汽。

圖4 腐蝕產物能譜分析結果

表4 腐蝕產物中元素及含量 %

2.7 腐蝕產物分析

用X 射線衍射儀對換熱管外表面上的腐蝕產物進行XRD 分析，檢測結果如圖5 所示。

圖5 腐蝕產物的XRD物相分析

由XRD 分析結果可知，紅棕色物質是以Fe2O3為主的腐蝕產物，這與能譜分析的結果一致。陽極生成的Fe2+會和陰極生成的OH-反應生成Fe（OH）2，F e（O H）2與溶解氧繼續反應形成羥基氧化鐵（FeOOH），羥基氧化鐵（FeOOH）在一定條件下失水形成 Fe2O3[6-7]。

3 泄漏原因分析

由于該換熱器的換熱管與管板的連接方式為“脹焊并用”，管板與換熱管之間的強度脹接處出現了如圖6 所示的狹小縫隙。盡管這個縫隙很小，但足以使腐蝕介質（如Cl-）和O2進入縫隙；強度焊接只發生在側邊的外緣，會導致介質滯留在縫隙內部，在縫隙內形成“閉塞區”。

圖6 換熱器管板與換熱管之間縫隙圖

在縫隙腐蝕初期，金屬在陽極失去電子被氧化形成Mn+，O2在陰極得到電子，發生還原反應，如圖7所示。

圖7 縫隙腐蝕機理示意圖

隨著腐蝕反應繼續發生，縫隙內金屬不斷溶解，O2不斷被消耗，由于縫隙狹小， O2無法及時補給，于是縫隙內O2逐漸消耗殆盡，使得縫隙內氧參與發生的還原反應被終止[8-9]?？p隙內、外存在的氧濃度差形成氧濃差電池；縫隙內電位較低，成為陽極區，金屬將不斷溶解，金屬陽離子逐漸增多，直至過量；為了維持電位平衡，縫隙外溶液中的Cl-在靜電場作用下不斷遷移到縫隙內，導致Cl-富集。

Fontana 等[10]提出了關于縫隙腐蝕的酸化自催化機理。Cl-對縫隙腐蝕的引發和進一步發展起著重要作用。Cl-富集在縫隙內，形成可溶性氯化物FeCl2，其極易水解，易被水解成氫氧化物和游離酸。

縫隙內發生的自催化效應造成縫隙內酸化，再加上遷移的Cl-聚集，共同導致縫隙內的腐蝕溶液酸性增強，pH 迅速下降，從而增加縫隙內溶液的侵蝕性，加劇縫隙腐蝕程度[4]?？p隙內部的腐蝕坑在氧濃差電池效應的作用下快速生長[11]，與此同時，縫隙內保持穩定的電解液腐蝕狀態，使得腐蝕坑沿著換熱管徑向擴展，直至換熱管泄漏。

4 結論

（1）換熱器的換熱管與管板的“脹焊并用”連接結構，導致縫隙中出現“閉塞區”，為縫隙腐蝕提供了場所。

（2）在縫隙的“閉塞區”環境中，換熱管在溶解氧和氯離子的共同作用下發生縫隙腐蝕，從而導致管道泄漏。

5 改進措施

在實踐中可采取優化結構設計、選則合適材料、電化學保護等措施，來防止或減少縫隙腐蝕。

（1）改進結構設計，改善運行條件

在換熱器的設計與制造工藝中盡量采用不易造成縫隙的結構，如換熱器的管板與換熱管采用強度脹接或內孔焊，脹接段盡可能與管板厚度一致。這樣就不會產生縫隙，避免生成積水區，從根本上避免發生縫隙腐蝕的可能性。換熱管盡量與管板平齊，這樣就會避免換熱管與管板之間存在滯留物，如圖8 所示。

圖8 換熱器的換熱管與管板連接形式

（2）選用耐縫隙腐蝕的材料

當縫隙無法避免時，部分重要部件應選擇抗縫隙腐蝕能力強的材料[12-13]，如鈦合金和哈氏合金等。

（3）電化學保護

采用陰極保護（外加電流法或者犧牲陽極法）、涂層或添加緩蝕劑等方法來預防縫隙腐蝕的發生。

（4）定期清洗

對換熱器進行定期清洗，保持縫隙處清潔，可有效預防縫隙腐蝕的發生。