某电厂2#汽轮机凝汽器黄铜管穿孔失效分析

东南大学材料系(南京 210018)  王仕勤  梅建平

摘  要：通过对穿扎泄漏的凝汽器黄铜管进行化学成分分析、力学性能测试、金相检验及扫描电镜能谱分析结果表明.其穿孔泄漏主要是由于在冷却水介质作用下产生点状脱锌腐蚀所致。并提出了改进措施.

关键词：凝汽器；黄铜管；腐蚀

某电厂2#汽轮机凝汽器黄铜管(H70-1黄铜管)，其型号为N-3000-Ⅲ，尺寸为Φ25×1×7170(mm)，共5424根,1997年3月黄铜管表面出现多处穿孔泄漏现象，停机检查发现有426根出现穿孔凝汽器黄铜管管内通冷却水，水温正常为22℃,最高为33℃,管外为小子400C的真空态蒸汽(压力为-0.095MPa)。

1  分析方法

将出现穿孔的黄铜管(旧管)和同一批次尚未使用的黄铜管(新管)，用线切割方法分别截取内表面样品和横截面样品。用湿法化学分析法测定化学成分；沿管纵向线切割成拉伸试样.用WD-l0A电子拉伸试验机测其力学性能；用OLYMPUS金相显微镜和JESM-6300扫描电镜观察试样的显微组织及微区特征；用X射线能谱分析测定微区的化学成分。

2  分析结果

2.1  化学成分

新管化学成分化验结果如表1,旧管因管壁有氧化腐蚀产物，且管壁太薄，故无法取样分析由表1可知，黄铜管的化学成分合格。

2.2  力学性能

新、旧黄铜管的纵向力学性能见表2。可看出，旧管的强度和塑性均低于新管。而新管的强度明显高于标准参考值但其断后伸长率则低于标准参考值，这可能与黄铜管冷加工后的再结晶退火温度偏低有关(H70-1的正常再结晶退火温度为560～580℃)。

2.3  失效特征

在扫描电镜低倍状态下观察旧管内表面，发现存在三种状态：穿孔、点状腐蚀坑、内表面氧化物。

(1) 穿孔图1为内表面穿孔形貌。中间黑洞即为穿孔，尺寸约2.5mm。对穿孔周围区域进行能谱分析，结果如表3。可见，此黄铜管内表面穿孔周围不仅有O、Si、Cl等有害杂质元素，而且Zn含量大大降低。

图1  穿孔形貌(SEM)  16×                       图2  点状腐蚀坑(SEM)  40×

(2) 点状腐蚀坑管内壁有许多点状腐蚀坑，对其进一步放大后，发现有些坑内残留有“海棉状铜”，如图2所示。对海棉状铜进行能谱分析发现，此时除大量的Cu和一部分杂质元素外，Zn含量已很少。

(3) 内表面氧化物管内表面可见多处疏松的氧化物覆盖层。对其进行能谱分析，其中含有多种化学元素如Si、,Al、,Fe、,K、Cl、,S、,Ca、,O等，表明所使用的冷却水水质较差。

2.4显微组织

新、旧黄铜管横截面显微组织均为晶粒细小的单相α组织，且有孪晶特征，晶粒度为10级，其显微组织正常。图3为穿孔附近截面显微组织(其中左边为被腐蚀区域，右边为基体)，其腐蚀区域表现为典型的脱锌腐蚀特征。

图3  穿孔附近截面显微组织  500×

2.5  拉伸断口

拉伸断口形貌如图4所示。新管断口具有明显的韧窝特征(图4a).为典型的塑性断裂断口。旧管断口中不仅有韧窝存在(图4b中左边区域)，而且还有明显的解理断裂特征(图4b中右边区域)，这种混合型的断口将造成材料性能降低，这与力学性能测试时旧管强度和塑性明显低于新管的结果是一致的。

(a) 新管  900×                             (b) 旧管  1200×

图4  拉伸断口(SEM)

3  讨论

综上分析可见，黄铜管穿孔泄漏主要是由于管内壁在冷却水介质作用下出现了脱锌腐蚀所致.首先，能谱分析表明，由于冷却水介质中有Si、Al、Fe、C1、K、S、Ca等有害杂质元素存在，这些有害杂质元素将产生各种氧化物，在黄铜管内表面产生沉积，出现沉积腐蚀。这些沉积腐蚀多为肩部腐蚀或点蚀，所以在管内表面可见到许多点蚀坑。随着点蚀坑的出现，对于这种Zn含量大于15%的黄铜合金，在点蚀区域，此时脱锌腐蚀占据了主导地位，即黄铜中的Zn被选择性地腐蚀溶解掉，而留下多孔的“海棉状铜”(如图2)。随着腐蚀的不断深入，这种“海棉状铜”不断脱落又不断生成，造成点状腐蚀坑处管壁不断减薄，直至穿孔。

黄铜管这种在冷却水介质作用下的脱锌腐蚀，将随着冷却水的温度巨升而加剧，同时也将随着冷却水中有害杂质元素的增加而增加。故有效地控制冷却水的温度和水中有害杂质元素的含量将会大大降低其脱锌腐蚀倾向。此外，有资料介绍，在黄铜管中加入适量(0.02%～0.O6%)的砷，也可有效抑制其脱锌腐蚀。

4  改进措施

(1) 严把原材料质量关，使其力学性能等指标满足要求。

(2) 改善冷却水水质，以求降低水中有害杂质元素含量，同时在工作中注意控制冷却水水温。

(3) 有条件可改用加As黄铜管，以此来提高黄铜管耐腐蚀性能。