循環(huán)冷卻水致冷凝器封頭腐蝕穿孔失效分析

檀偉偉

(北京市朝陽(yáng)區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，北京100122）

制冷機(jī)組是目前市場(chǎng)上普遍使用的調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的產(chǎn)品,在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)各種失效問(wèn)題[1-12]。某單位在用制冷機(jī)組2017 年10 月投入運(yùn)行，2020 年壓力容器定期檢驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)該機(jī)組冷凝器封頭漏水，導(dǎo)致該機(jī)組無(wú)法使用，處于停用狀態(tài)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)封頭存在嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象，腐蝕形態(tài)為穿孔。對(duì)安全穩(wěn)定生產(chǎn)構(gòu)成威脅，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。嚴(yán)重影響了公司生產(chǎn)的正常運(yùn)行。該冷凝器設(shè)計(jì)及工況條件如下：其管程介質(zhì)為自采井水，殼程介質(zhì)為冷媒R134a。管程走的是自采井水，未經(jīng)過(guò)任何處理。封頭材質(zhì)為Q345R。腐蝕和結(jié)垢的發(fā)生導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備傳熱效率降低。本工作對(duì)該制冷機(jī)組及循環(huán)冷卻水進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，確定了該制冷機(jī)組冷凝器發(fā)生腐蝕穿孔失效的根本原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為日后設(shè)備的檢修、安全使用提供了有用的數(shù)據(jù)支撐。

本文對(duì)循環(huán)冷卻水及腐蝕穿孔封頭進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，確定了該冷凝器腐蝕穿孔的根本原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 測(cè)試與分析

1.1 封頭表面宏觀腐蝕形態(tài)分析

觀察冷凝器封頭宏觀腐蝕形態(tài)，如圖1 所示，發(fā)現(xiàn)有潰瘍狀腐蝕和坑蝕，并有腐蝕穿孔現(xiàn)象。該區(qū)域表面粗糙，外層漆膜已經(jīng)剝落。穿孔周圍超聲測(cè)厚有均勻減薄現(xiàn)象。初步斷定，該冷凝器封頭腐蝕穿孔為由內(nèi)向外的腐蝕穿孔。

圖1 封頭腐蝕的宏觀形貌

1.2 封頭材料化學(xué)成分分析

該冷凝器封頭采用的是Q345R 鋼板，按GB/T223.1-5-1988《鋼鐵及合金化學(xué)成分分析方法》對(duì)封頭材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。 由表1 可知，封頭的化學(xué)成分符合GB5310-2008 中Q345R 鋼板的技術(shù)要求。

表1 封頭的化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)值

1.3 腐蝕截面能譜分析

在腐蝕穿孔的封頭附近取樣,腐蝕產(chǎn)物可分為塊狀和結(jié)晶狀兩種，靠近腐蝕穿孔區(qū)域結(jié)晶狀腐蝕產(chǎn)物分布較多。采用能譜儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS 成分分析，結(jié)果見下圖2。由圖2 可以看出腐蝕產(chǎn)物主要含氧元素和鐵元素。腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物或氫氧化物，還含有一定量的Ca、Mg 離子的碳酸鹽,還發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)蝕穿孔最敏感的Cl 元素。

圖2 腐蝕產(chǎn)物能譜分析圖

1.4 水質(zhì)分析

該冷凝器循環(huán)冷卻水采用的是井水。對(duì)循環(huán)冷卻水的pH、總硬度、Cl-、溶解氧的含量進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2 數(shù)據(jù)所示。

表2 循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析

2 冷凝器封頭腐蝕失效原因分析

2.1 溶解氧、氯離子和沉積物垢下腐蝕[15-20]

從封頭腐蝕情況來(lái)看，腐蝕是從內(nèi)到外發(fā)生的。垢樣的主要成分為碳酸鹽、硅酸鹽，恰恰符合循環(huán)冷卻水的運(yùn)行工況。封頭內(nèi)部走循環(huán)水，循環(huán)水使用的是自采井水。

根據(jù)測(cè)試及分析結(jié)果，可以認(rèn)為封頭腐蝕穿孔的主要原因是殼程循環(huán)冷卻水中溶解氧和氯離子含量過(guò)高。封頭位置水循環(huán)不好，循環(huán)冷卻水中泥砂的沉積、微生物粘泥的附著、水垢的生成都能在封頭下側(cè)形成沉積物。沉積物造成表面不同部位上的供氧差異和介質(zhì)濃度差異會(huì)導(dǎo)致局部腐蝕[。沉積物存在使內(nèi)壁表面不均勻，形成電極電位差。水中的溶解氧，導(dǎo)致金屬腐蝕加劇。氧與封頭內(nèi)壁的鐵元素發(fā)生氧化反應(yīng)生成疏松多孔的鐵的氧化物。就會(huì)導(dǎo)致腐蝕進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致穿孔。

2.2 水的流速對(duì)腐蝕的影響

一般情況下，水的流速越大，水中各種物質(zhì)擴(kuò)散的速度也越快，從而使得碳鋼腐蝕速度加快。此設(shè)備循環(huán)冷卻水運(yùn)行，下管進(jìn)水，上管出水。腐蝕穿孔的封頭是水流的紊流區(qū)，會(huì)因?yàn)橥牧鞯臎_擊而發(fā)生加速腐蝕。

2.3 應(yīng)力加速腐蝕

從腐蝕部位來(lái)，此穿孔部位屬于殘余應(yīng)力較大的位置。更易受機(jī)械（水的湍流及壓力溫度變化引起的空泡）和化學(xué)物質(zhì)（如O2、CO2等）的作用而破壞，因此該部位更容易被腐蝕。在殘余應(yīng)力的作用下，對(duì)腐蝕起到了促進(jìn)和加速的作用。

3 預(yù)防措施

為了解決冷凝器的腐蝕問(wèn)題，特提出如下建議

3.1 加強(qiáng)循環(huán)水的管理，確保循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)。

3.2 管程循環(huán)水流速控制在適宜范圍。

3.3 增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)，控制溶解氧、鈣鎂離子和氯離子含量。

3.4 化學(xué)清洗除掉水垢，清洗完成后，要認(rèn)真沖洗，防止殘垢堆積。

3.5 加強(qiáng)水質(zhì)處理

對(duì)井水進(jìn)行預(yù)處理，減少泥沙懸浮物。調(diào)節(jié)pH，加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)，確保循環(huán)冷卻水正常運(yùn)行。嚴(yán)格控制循環(huán)水的水質(zhì)指標(biāo)。

注意：冷凝器腐蝕對(duì)廣大用戶造成嚴(yán)重?fù)p失。為了減少泄漏點(diǎn)對(duì)我國(guó)制冷行業(yè)造成的損失浪費(fèi)，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)壓力容器與水系統(tǒng)接觸的表面做好優(yōu)良耐用的防腐措施才允許出廠。用戶在安裝運(yùn)行維修管理過(guò)程中，應(yīng)采取有效的防腐措施加以防范，保持其與水接觸的水質(zhì)保持中性或弱堿性，防止水質(zhì)呈酸性。水質(zhì)酸性對(duì)鋼鐵腐蝕性特別大，應(yīng)當(dāng)加以避免?；蛘咴谒|(zhì)中加入防腐劑加以防腐。