文/展紅衛(wèi)

【機(jī)動(dòng)車專欄】

EGRC品質(zhì)提升的探究與實(shí)踐

文/展紅衛(wèi)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排氣再循環(huán)冷卻器（EGRC）在使用過(guò)程中，存在一個(gè)典型的失效問(wèn)題：由于腐蝕而引起的泄漏。本文通過(guò)對(duì)失效原因分析和制造工藝的改善，如優(yōu)化EGRC真空釬焊的溫度，使排氣再循環(huán)冷卻器內(nèi)管的耐腐蝕性能明顯提升。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣再循環(huán)冷卻器耐點(diǎn)蝕當(dāng)量

關(guān)于車輛技術(shù)、油品質(zhì)量和排放水平之間的關(guān)系，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有了非常廣泛的研究。這些研究表明，改善油品質(zhì)量能夠減少燃料燃燒產(chǎn)生的直接污染物排放，更重要的是能夠更加有效地使用排放后處理裝置。這些技術(shù)包括柴油顆粒物捕集器（DPFs）、選擇催化還原（SCR）技術(shù)中使用的一些催化劑、稀燃氮氧化物吸附裝置以及排氣再循環(huán)冷卻器（EGRC），如圖1。

圖1 增壓柴油機(jī)進(jìn)氣和排氣循環(huán)系統(tǒng)

一、排氣再循環(huán)冷卻器腐蝕狀況

硫是除了鉛以外對(duì)車輛排放影響最大的因素，我國(guó)柴油的硫含量標(biāo)準(zhǔn)1999年為1×10-2。據(jù)國(guó)務(wù)院《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確要求，2013年～2014年開(kāi)始在全國(guó)分別供應(yīng)第四階段的車用柴油，硫含量要求5×10-5。2015年底前，京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)城市全面供應(yīng)符合國(guó)家第五階段標(biāo)準(zhǔn)的車柴油（硫含量為1×10-5），在2017年底前，全國(guó)供應(yīng)符合國(guó)家第五階段標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油。在過(guò)去的10多年里，除了一些主要城市，我國(guó)的油品標(biāo)準(zhǔn)一直落后于相應(yīng)車輛排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，油品標(biāo)準(zhǔn)的滯后（特別是柴油中硫含量過(guò)高）已經(jīng)成為推進(jìn)車輛排放標(biāo)準(zhǔn)的主要障礙。根據(jù)我國(guó)北方和其他地區(qū)進(jìn)行的燃料抽樣結(jié)果，全國(guó)的柴油硫含量水平參差不齊，在一些地區(qū)，仍然在銷售硫含量大于2×10-3的柴油（見(jiàn)圖2）。要知道，如今歐洲的柴油硫含量已在1×10-5水平。

圖2 我國(guó)北方地區(qū)高速公路加油站柴油硫含量抽樣情況

燃油中的硫經(jīng)氧化后形成SOx，冷卻后就會(huì)生成硫酸：

當(dāng)有液態(tài)水存在時(shí)，SO2和水直接發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而形成硫酸。

在低于硫酸露點(diǎn)的溫度區(qū)間63℃～156℃，特別是溫度低于水的露點(diǎn)時(shí)，就會(huì)有冷凝的硫酸產(chǎn)生。EGRC主要應(yīng)用在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣再循環(huán)系統(tǒng)中，通過(guò)降低排氣溫度來(lái)減少有害物質(zhì)（如NOx）和顆粒物（PM）的排放。當(dāng)排氣經(jīng)過(guò)EGRC內(nèi)管，較高濃度的硫氧化物（>15×10-6）就會(huì)轉(zhuǎn)化形成液體硫酸，它極易對(duì)EGRC不銹鋼內(nèi)管造成點(diǎn)蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖3）。

圖3 硫酸對(duì)EGRC不銹鋼內(nèi)管造成點(diǎn)蝕現(xiàn)象

二、腐蝕問(wèn)題初步分析

2012年開(kāi)始，我們?yōu)橹痔岣逧GRC的耐腐蝕性，對(duì)市場(chǎng)上30 000件產(chǎn)品的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)查。主要工作包括：通過(guò)威伯分析研究產(chǎn)品的可靠性，對(duì)失效件的地域分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)失效件做解剖和金相分析，有以下發(fā)現(xiàn)：

威伯分析說(shuō)明在產(chǎn)品質(zhì)保期內(nèi)的失效率可能達(dá)到0.31%（見(jiàn)圖4）。

圖4 EGRC可靠性威伯分析結(jié)果

在我國(guó)北方地區(qū)點(diǎn)蝕現(xiàn)象比較突出，分布同上述提到的油品中硫含量分布規(guī)律相吻合；經(jīng)剖析發(fā)現(xiàn)泄漏的原因是內(nèi)管有穿透性點(diǎn)蝕，位置靠近排氣出口端；對(duì)腐蝕點(diǎn)表面殘留物進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)其中的硫含量明顯偏高，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)內(nèi)管材料問(wèn)題和制造缺陷。

三、改善對(duì)策

要想改善EGRC內(nèi)管的耐腐蝕性，可以從以下幾個(gè)方面著手：

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者要考慮并避免EGRC進(jìn)氣及內(nèi)管內(nèi)溫度過(guò)低；降低燃油硫含量；提高EGRC的耐腐蝕性。

國(guó)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商一直在致力于發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)的后處理裝置設(shè)計(jì)改善，如優(yōu)化冷卻效率匹配，避免EGRC內(nèi)管中產(chǎn)生液體冷凝。

國(guó)家能源局年初下發(fā)的《2014年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)通知》中明確指出，年內(nèi)將出臺(tái)成品油質(zhì)量升級(jí)行動(dòng)計(jì)劃：以今年為起點(diǎn)到2017年的3年，將作為全國(guó)車用柴油達(dá)標(biāo)國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。能源局規(guī)劃的“國(guó)五時(shí)代”分兩步走：2015年底前，確保京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)城市供應(yīng)國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油，2017年底前全國(guó)供應(yīng)國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油。對(duì)于重點(diǎn)城市，油品升級(jí)只有1年的生死時(shí)速期，全國(guó)鋪開(kāi)也只有3年時(shí)間?，F(xiàn)實(shí)情況是：部分機(jī)動(dòng)車污染嚴(yán)重的城市已經(jīng)開(kāi)始使用硫含量50×10-6的低硫柴油，北京、上海和珠三角地區(qū)已經(jīng)全面實(shí)施了國(guó)IV車輛排放標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制推廣了低硫柴油。對(duì)其他地區(qū)柴油中硫含量的調(diào)查研究，并切實(shí)推廣低硫柴油的使用仍尚需時(shí)日。

作為EGRC制造企業(yè)，所能做的就是盡可能地通過(guò)材料和制造工藝的優(yōu)化來(lái)提高產(chǎn)品的耐腐蝕性。本文的焦點(diǎn)是如何通過(guò)改善EGRC的耐腐蝕性來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命。原材料本身可提高的空間不大，這是因?yàn)閺牟牧夏透g性和成本角度來(lái)看，316 L不銹鋼是目前最合適的EGRC內(nèi)管材料。于是，我們著手生產(chǎn)工藝的改善，來(lái)提高內(nèi)管的耐腐蝕性，其中釬焊溫度作為關(guān)鍵因素而被認(rèn)為是這次試驗(yàn)的變化因子。EGRC真空釬焊的溫度變化范圍可在1 070℃～1 200℃之間波動(dòng)，我們想通過(guò)改變溫度來(lái)確定溫度對(duì)不銹鋼材料的金相結(jié)構(gòu)影響，進(jìn)而驗(yàn)證這些變化對(duì)EGRC耐腐蝕性的影響。

試驗(yàn)方案：取不同化學(xué)成分（見(jiàn)表1）的不銹鋼內(nèi)管裝配成EGRC，分別在溫度為1 180℃、1 130℃和1 090℃下真空釬焊，對(duì)釬焊后的樣品做微觀金相分析，并與釬焊前內(nèi)管作比較，然后對(duì)3組樣品做耐腐蝕實(shí)驗(yàn)。

耐腐蝕試驗(yàn)方法：目的是通過(guò)高溫耐腐蝕循環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證EGRC對(duì)不同酸性溶液的耐腐蝕性，我們選取了5組酸性溶液，酸性溶液由硫酸、硝酸和鹽酸按不同濃度和比例混合而成。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5，具體實(shí)驗(yàn)方法略去，該試驗(yàn)屬于加速腐蝕試驗(yàn)。

表1 不銹鋼材料化學(xué)成分

圖5 耐腐蝕試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖

四、試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)3種試樣及釬焊前內(nèi)管進(jìn)行金相分析比較（見(jiàn)圖6），可以觀察到釬焊溫度對(duì)晶粒大小和均勻性的影響。釬焊前，在鐵素體中有大量的黑點(diǎn)，它們是夾雜物和金屬間化合物，但不能完全地熔化到基體中。當(dāng)釬焊溫度為1 090℃、1 130℃和1 180℃時(shí)，就觀察不到金屬間化合物。同時(shí)發(fā)現(xiàn)1 090℃時(shí)，晶粒均勻致密。大于1 090℃時(shí)隨著溫度的升高，晶粒逐漸變粗而且不均勻。

圖6 3種試樣及釬焊前內(nèi)管金相比較圖

3種試樣在5組酸液中所表現(xiàn)出來(lái)的耐腐蝕性（見(jiàn)圖7），可以發(fā)現(xiàn)一致的規(guī)律：隨著釬焊溫度的提高，其耐腐蝕性能呈下降趨勢(shì)。

圖7 5組酸液中所表現(xiàn)的耐腐蝕性

為了解釋這一現(xiàn)象，我們必須從不銹鋼的微觀特性著手，找出隨著熱處理溫度變化，其微觀結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化規(guī)律。釬焊過(guò)程包含了對(duì)不銹鋼管的熱處理過(guò)程，如晶粒大小、數(shù)量、鐵素體與奧氏體含量比例等。它們是如何影響不銹鋼材料的耐腐蝕性的？

首先，分析不銹鋼材料耐點(diǎn)蝕當(dāng)量的變化，因?yàn)辄c(diǎn)蝕受材料中鉻Cr、鉬Mo、鎢W和氮N含量的影響。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）：

隨著釬焊溫度的變化，在鐵素體和奧氏體中的金屬元素含量也會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)的PRE值也會(huì)變化。隨著溫度升高，鐵素體PRE值逐漸提升，而奧氏體的PRE值則下降（如圖8所示）。當(dāng)溫度為1 090℃時(shí)，兩相的PRE值非常接近，這個(gè)點(diǎn)非常重要。如果兩相的PRE值有差異，就會(huì)由于化學(xué)作用而產(chǎn)生電流腐蝕。因此，熱處理溫度越高，不銹鋼材料的耐腐蝕性越低。

圖8 耐點(diǎn)蝕當(dāng)量隨釬焊溫度變化曲線

在1 070℃～1 200℃熱處理溫度區(qū)間，隨著溫度升高，鐵素體含量逐漸增加。同時(shí)，溫度升高和加速，鐵素體和奧氏體中晶粒會(huì)增大，從而導(dǎo)致晶粒數(shù)量減少。晶粒增大、數(shù)量減少會(huì)導(dǎo)致材料的耐腐蝕性降低。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：改進(jìn)真空釬焊溫度曲線，可以在一定程度上改善EGRC內(nèi)管的耐腐蝕性，因此我們把真空釬焊溫度設(shè)定為1 080℃。

[1]Kesong Zhang,Jingnan Hu,Shuzheng Gao,Yungang Liu,Xianjiang Huang,Xiaofeng Bao,Energy Policy[J].2010,38:2934-2940.

[2]Heejoon Hwang,Yongsoo Park.Materials Transactions[J].2009,50(6):1548-1552.

There is a typical field failure during use of exhaust gas recirculation cooler(EGRC) in diesel engine system:Leakage due to corrosion.Through the failure analysis and improvements of manufacturing process,such as the optimization of EGRC vacuum brazing temperature,the property of corrosion resistance of EGRC inner pipe has been improved significantly.

Diesel engine system;EGRC;PRE

（作者單位：摩丁熱能技術(shù)上海有限公司）