繆紅建　丁雪峰　王永紅

（1.江蘇南通申通機(jī)械有限公司 南通226011；2.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海200135）

海水介質(zhì)下銅合金空冷器管失效原因分析

繆紅建1丁雪峰2王永紅1

（1.江蘇南通申通機(jī)械有限公司 南通226011；2.海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海200135）

某型柴油機(jī)空氣冷卻器在服役過程中發(fā)現(xiàn)銅管腐蝕泄漏，銅管已經(jīng)由內(nèi)壁向外壁腐蝕穿孔。文中采用化學(xué)成分分析、金相分析、顯微硬度測(cè)試、腐蝕表面形貌分析（SEM和EDS）等方法對(duì)空冷器管的腐蝕失效原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明：海水介質(zhì)下，海洋生物在管內(nèi)壁的沉積以及海水中腐蝕性氯離子、硫離子與銅基體引起微電池反應(yīng)是空冷器管腐蝕穿孔的主要原因，并提出了相應(yīng)的腐蝕控制建議。

空冷器管; 海水; 失效

引 言

船用柴油機(jī)空氣冷卻器，是一種高效緊湊型換熱設(shè)備，用于冷卻柴油機(jī)增壓器后空氣，提高柴油機(jī)工作效率［1-3］。柴油機(jī)空冷器為翅片式換熱器，使用海水作為冷流體對(duì)熱流體空氣進(jìn)行冷卻。其芯組一般由均勻分布的銅管和套裝在銅管上的散熱片組成。海水在銅管內(nèi)流動(dòng)，空氣則在垂直方向從銅管和散熱片的縫隙中通過。

STKL系列柴油機(jī)空氣冷卻器，其核心空冷器管的材料牌號(hào)為CuNi10Fe1.6Mn，規(guī)格為外徑12 mm、壁厚0.8 mm，管外介質(zhì)為空氣，工作溫度為40℃～ 200℃；管內(nèi)工作介質(zhì)為常溫海水，工作壓力為0.3 MPa。一般在使用一年后，空冷器冷卻管會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。為了查明空冷器管的腐蝕原因，確?？諝饫鋮s器連續(xù)可靠運(yùn)行，對(duì)空冷器管進(jìn)行全面檢測(cè)。查明腐蝕的分布情況和腐蝕原因，并提出相應(yīng)的防范措施。

1　概 況

STKL系列柴油機(jī)空氣冷卻器冷卻管與管板脹接，和管箱法蘭連接，管板材料為HSn62-1，管箱材料為ZcuZn16Si4，這兩種材料與冷卻管材料在海水中不存在電位差腐蝕［1］，并且在管箱中安排有犧牲陽(yáng)極，以保護(hù)冷卻管?？绽淦骼鋮s管在裝配前進(jìn)行了100%的渦流檢測(cè)，管子內(nèi)部不存在缺陷?？绽淦骼鋮s管內(nèi)的流速分布為0.8～1.1 m/s，該流速對(duì)于銅鎳合金管是比較合適的［2-3］。

2　宏觀檢查

將腐蝕管對(duì)剖后觀察管內(nèi)表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁覆蓋灰綠色產(chǎn)物。圖1為清洗后的泄漏管內(nèi)壁宏觀形貌。可以發(fā)現(xiàn)，泄漏管內(nèi)可見不規(guī)則的腐蝕坑。

圖1　泄漏管內(nèi)壁的宏觀形貌

3　理化分析

為了進(jìn)一步分析空冷器管腐蝕原因，對(duì)空冷管材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分、金相、顯微硬度等分析檢測(cè)。

3.1化學(xué)成分分析

采用Leco公司CS-600紅外碳硫分析儀、723型分光光度計(jì)、iCAP6300美國(guó)熱電ICP-AES以及44B型恒電流電解儀對(duì)泄漏空冷器管進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。檢測(cè)結(jié)果符合DIN 86019技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空冷器管材質(zhì)要求。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果%

3.2金相分析

截取泄漏管腐蝕坑的剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕后，置于顯微鏡下觀察。圖2為泄漏處腐蝕坑的拋光態(tài)形貌。

圖2　腐蝕坑剖面拋光態(tài)形貌放大圖

可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕從內(nèi)壁開始向外壁擴(kuò)展，下頁(yè)圖3為腐蝕坑與基體的顯微組織形貌。圖4顯示，顯微組織為單相α銅，α銅晶粒尺寸為0.030 mm。

3.3顯微硬度測(cè)試

將空冷器管剖面的金相試樣置于FM700顯微硬度計(jì)上，使用1.961N試驗(yàn)力對(duì)試樣進(jìn)行小力值維氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果為：104HV0.2、111HV0.2、107HV0.2，符合GB/T 4340.1-2009 硬度標(biāo)準(zhǔn)。

圖3　腐蝕坑剖面侵蝕態(tài)形貌放大圖

圖4　基體顯微組織形貌

4　腐蝕表面形貌及原因分析

4.1腐蝕表面形貌

為了進(jìn)一步分析冷卻管腐蝕的主要原因，采用QUANTA 400 FEG掃描電子顯微鏡（SEM）、EDAX能譜儀（EDS）對(duì)空冷器管腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物微觀形貌進(jìn)行深入分析。

分別截取冷卻管腐蝕處和未腐蝕處的試樣，置于掃描電鏡下觀察。圖5為冷卻管腐蝕處的形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁有直徑微米級(jí)的不規(guī)則腐蝕孔，腐蝕孔周圍有呈凸起狀的堆積物。圖6為冷卻管內(nèi)壁的腐蝕坑形貌?？梢姼g坑呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，腐蝕坑的出現(xiàn)將使銅管壁變薄。圖7為冷卻管內(nèi)壁未見明顯腐蝕處產(chǎn)物的SEM形貌?？梢姡鞣N海洋生物在內(nèi)壁的沉積對(duì)銅管導(dǎo)熱不利。

圖5　腐蝕處內(nèi)壁SEM形貌

圖6　腐蝕處內(nèi)壁腐蝕坑SEM形貌

圖7　冷卻管內(nèi)壁未腐蝕處產(chǎn)物SEM形貌

將腐蝕管內(nèi)壁試樣置于掃描電鏡下觀察，利用EDAX能譜儀對(duì)內(nèi)壁產(chǎn)物、腐蝕坑進(jìn)行化學(xué)成分元素定性及半定量分析，空冷器管內(nèi)壁產(chǎn)物主要含有基體元素和海水中的元素，其中主要腐蝕性元素為Cl和S，無(wú)產(chǎn)物的內(nèi)壁主要為基體元素。腐蝕坑內(nèi)除含有基體元素外，還含有Cl和S等腐蝕性元素。能譜分析結(jié)果顯示，在腐蝕管內(nèi)壁產(chǎn)物和內(nèi)壁均含有腐蝕性元素Cl和S。

4.2腐蝕原因分析

海水進(jìn)入空冷器管內(nèi)時(shí)，將冷卻系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物以及海洋生物一并帶入，吸附于冷卻管內(nèi)壁［8-9］，形成沉積物。銅管內(nèi)壁沉積物分布不均勻，不同部位存在供氧差異和介質(zhì)濃度差異，從而形成微電池效應(yīng)［10-11］，導(dǎo)致局部腐蝕。

在微電池的陽(yáng)極上，銅會(huì)發(fā)生反應(yīng)變成Cu+及Cu2+離子，而Cu+及Cu2+離子傾向于水解生成氧化亞銅，同時(shí)使溶液局部酸化，即微電池陽(yáng)極上：

Cu - e = Cu+，Cu - 2e = Cu2+。

Cu+發(fā)生水解、酸化反應(yīng)：

2Cu++ H2O = Cu2O + 2H+。

Cu2+發(fā)生水解、酸化反應(yīng)：

2Cu2++ H2O + 2e = Cu2O + 2H+。

由于海水中含有C1-，因此還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

Cu++ C1-= CuCl。

銅管內(nèi)表面初始形成的腐蝕產(chǎn)物是氯化亞銅，氯化亞銅水解生成氧化亞銅：

2CuCl + H2O = Cu2O + 2H++ 2C1-。

氧化亞銅膜對(duì)銅管內(nèi)表面有保護(hù)作用。但是，換熱管內(nèi)海水中的C1-含量較高，使CuCl的形成速率將加快，而CuCl的形成會(huì)進(jìn)一步加速銅的溶解。

海洋生物的附著和繁殖會(huì)產(chǎn)生H2S，還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：Cu2+ S2-= CuS。CuS的形成也將進(jìn)一步加速銅的溶解。

上述分析過程中產(chǎn)物主要腐蝕性元素與能譜分析換熱管腐蝕產(chǎn)物中含有較高含量的腐蝕性元素S和Cl相符。

5　結(jié) 論

針對(duì)上面銅管的腐蝕原因，針對(duì)性的提出了以下改進(jìn)措施：

（1）改進(jìn)空冷器銅管內(nèi)壁加工工藝，減少內(nèi)壁在銅管成形過程中形成的加工條紋和損傷；提高內(nèi)壁表面的粗糙度等級(jí)，以減少內(nèi)壁吸附海水中的海洋生物，加速形成微電池的可能，延緩腐蝕的發(fā)生，提高空冷器管的使用壽命。

（2）因?yàn)殂~管在淡水中表面難以形成純化保護(hù)膜，故在使用前需對(duì)空冷器銅管內(nèi)壁成膜處理，空冷器制作完成后，在硫酸亞鐵溶液中浸泡24 h，使銅管表面形成一層氧化層，以保護(hù)基體，從而延長(zhǎng)銅管的使用壽命。

（3）在空冷器銅管進(jìn)水口加裝海洋生物過濾網(wǎng)和海水離子交換膜，以除去進(jìn)入管道的海洋生物，降低管內(nèi)海水中腐蝕性硫離子和氯離子的濃度。

采取了以上改進(jìn)措施且使用一年后，我們對(duì)該型空冷器進(jìn)行拆解和勘驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅管表面無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象。

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Failure analysis of copper alloy tube of air cooler under the sea

MIAO Hong-jian1 DING Xue-feng2 NG Yong-hong1
(1. Nantong Shentong Machinerng 226011, China; 2. Military Representative Office of the Naval Navy in Shanghai Area, Shanghai 200135, China)

A corrosion leak has been found on a copper alloy tube of air cooler on a diesel engine in service, which appears as a hole from inner wall to outer surface. This paper carries out the analysis of corrosion failure of the air cooler through chemical composition analysis, metallurgical analysis, microhardness test, and morphology analysis of the corrosion surface by Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). It is indicated that the corrosion hole on the air cooler is mainly caused by the deposit of the marine creatures on the inner wall, and the microbattery reaction between copper matrix and corrosive chloride ion and sulphur ion in the sea. Several suggestions have been provided for the corresponding corrosion control.

air cooler tube; sea water; failure

TG174

A

1001-9855（2015）02-0079-04

2014-09-17；

2014-10-16

繆紅建（1977-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船用熱交換器的研究與開發(fā)。丁雪峰（1978-），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)備的檢驗(yàn)和驗(yàn)收工作。王永紅（1973-），女，工程師，研究方向：船用換熱器設(shè)計(jì)工作。