論HXn5B 機(jī)車散熱器泄露問(wèn)題及改善措施

張強(qiáng)強(qiáng)

（無(wú)錫金鑫集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214131）

概述

HXn5B 型內(nèi)燃機(jī)車[1]是我國(guó)完全自主研發(fā)設(shè)計(jì)制造的大馬力內(nèi)燃機(jī)車，是我國(guó)鐵路現(xiàn)代化、一體化、重載化及系列化而設(shè)計(jì)的后生車型。自該機(jī)車散熱器運(yùn)行以來(lái)，已接到多起散熱器發(fā)生泄漏的質(zhì)量事件，對(duì)此公司高度重視，組織客戶和專家一起分析泄漏原因及預(yù)防措施，我們對(duì)泄漏情況進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證和分析。并結(jié)合HXn5 機(jī)車散熱器維修的案例，來(lái)對(duì)比分析和論證HXn5B 機(jī)車散熱器泄漏發(fā)生的原因和預(yù)防措施。

1 案例

（1） 2015 年8 月HXn5B 在西安段發(fā)生泄漏故障：運(yùn)行里程13 000 km，運(yùn)營(yíng)時(shí)間4 個(gè)月。漏點(diǎn)1 處在高溫芯體銅管中間位置，高溫進(jìn)水口水室內(nèi)腔腐蝕嚴(yán)重，鍍鋅層被破壞產(chǎn)生鐵銹，大量泥污和黑色油污。

（2） 2015 年9 月，HXn5B 在西安段發(fā)生泄漏故障：運(yùn)行里程13 800 km，運(yùn)營(yíng)時(shí)間4 個(gè)月。拆解發(fā)現(xiàn)：漏點(diǎn)5 處在高溫芯體銅管中間位置3 處、端部2處。高溫進(jìn)水口水室內(nèi)腔腐蝕嚴(yán)重，鍍鋅層被破壞有鐵銹脫落，大量泥污和黑色油污；銅管管內(nèi)雜質(zhì)形狀較大，硬度高。

（3） 2016 年11 月，HXn5B 在柳州段發(fā)生泄漏故障：運(yùn)行時(shí)間12 個(gè)月。拆檢發(fā)現(xiàn)P1 節(jié)散熱器高溫進(jìn)水芯體漏點(diǎn)18 處，管口內(nèi)泥沙雜物。水室和管板表面附著大量雜物及銹蝕。散熱器中間對(duì)接端拆解后，發(fā)現(xiàn)端面四個(gè)角處附著雜質(zhì)顆粒。

（4） 2017 年7 月，HXn5B 在嘉峪關(guān)段出現(xiàn)了泄漏故障：運(yùn)行時(shí)間24 個(gè)月，高溫進(jìn)水芯子扁擴(kuò)圓過(guò)渡位置泄漏2 處，在低溫進(jìn)水芯子泄漏1 處，管板和水室表面有顆粒雜物、生銹和煙灰狀附著物。

（5） 2016 年8 月，庫(kù)爾勒機(jī)務(wù)段的5 臺(tái)HXn5機(jī)車散熱器的維護(hù)拆解情況：運(yùn)行時(shí)間3 年，運(yùn)用約44.5 萬(wàn)公里，現(xiàn)場(chǎng)拆解后，管板表面除3%的區(qū)域有銹蝕現(xiàn)象外，其他區(qū)域均保持著金屬光澤。散熱器芯子完好無(wú)泄漏，管口無(wú)沖蝕，芯體內(nèi)部無(wú)泥沙等異常現(xiàn)象，散熱器芯體外表面和芯子內(nèi)部均比較干凈。屬于運(yùn)用較好的案例。

2 泄漏原因

機(jī)車散熱器常見(jiàn)的泄漏原因主要有銅管受到外力作用后產(chǎn)生的破裂，水室與管板之間的密封狀態(tài)不良，銅管由腐蝕引起的泄漏等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，外力作用后泄漏的比例不足10%，密封件不良產(chǎn)生的泄漏約在25%左右，腐蝕引起的泄漏則在65%左右。

（1） 受外力作用：散熱器受到外力作用后產(chǎn)生的破裂，主要是機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中散熱器受到樹枝、鳥類撞擊后銅管破裂后的泄漏。

（2） 密封不良：密封不良主要是指散熱器管板和水室殼體之間的連接處因橡膠密封件安裝錯(cuò)位、表面缺損、老化，管板或水室密封面有貫穿性劃傷，螺栓緊固不到位等因素，引起的密封作用失效后的泄漏。

（3） 沖蝕磨損：銅管內(nèi)表面與流動(dòng)微粒（指冷卻液中的固體粒子或雜質(zhì)）做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)微粒（特別是帶有尖角的粒子）以一定的速度和角度沖擊管壁后產(chǎn)生了裂紋，當(dāng)裂紋一但萌生，裂紋隨沖擊的持續(xù)會(huì)逐漸擴(kuò)展，將導(dǎo)致銅管的破裂及材料缺失。造成沖擊磨損的粒子，一般情況下硬度都很高，但是當(dāng)流度很快時(shí)，軟的粒子甚至水滴也能造成沖蝕磨損[2]。

（4） 氣蝕：當(dāng)空氣、蒸汽等氣體破壞了冷卻液的連續(xù)性后形成的真空或空穴，真空被液體中的氣體或蒸汽填充成氣泡，氣泡隨液體的流動(dòng)在超過(guò)臨界壓力的銅管表面某區(qū)域發(fā)生收縮并消滅，消滅時(shí)一般會(huì)伴隨的氣爆現(xiàn)象，氣爆產(chǎn)生的沖擊和高溫使銅管表面的物質(zhì)失去結(jié)合力后飛出，造成銅管表面物質(zhì)缺失，長(zhǎng)期作用的結(jié)果將破壞該區(qū)域?qū)е裸~管泄漏。

（5） 化學(xué)腐蝕：散熱器銅管采用的是C2300 黃銅管。黃銅管中的合金元素在腐蝕介質(zhì)中并不是按合金中的比例溶解，而是電位較低、相對(duì)較有活性的Zn因電化學(xué)作用而被選擇性溶解，合金內(nèi)部的Zn 通過(guò)表層上的復(fù)合空位迅速擴(kuò)散并到達(dá)溶解反應(yīng)的區(qū)域，持續(xù)的溶解使得表層下的金屬出現(xiàn)松散的層狀脫鋅腐蝕。

（6） 應(yīng)力腐蝕：當(dāng)銅管表面的保護(hù)膜（氧化膜、吸附膜、腐蝕產(chǎn)物膜）被應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）及腐蝕（沖蝕磨損或化學(xué)腐蝕）聯(lián)合作用后受到破壞，破壞的表面和未被破壞的表面之間形成滑移臺(tái)階，露頭的滑移臺(tái)階在應(yīng)力作用下撕破了銅管表面的保護(hù)膜，局部暴露出活性裸金屬。破壞表面由于金屬活性較好成為陽(yáng)極，未破壞表面為陰極，陽(yáng)極處的金屬離子被溶解發(fā)生陽(yáng)極溶解[3]，電流則流向陰極。陽(yáng)極面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極面積，陽(yáng)極的電流密度非常大，當(dāng)電流加速后，由于陽(yáng)離子的減少而形成空缺，最終產(chǎn)生裂紋，裂紋一但形成，尖端應(yīng)力集中將導(dǎo)致晶體內(nèi)的位錯(cuò)沿著滑移面的前沿發(fā)生快速屈服，大量的活性溶解物質(zhì)在前沿瞬間產(chǎn)生，導(dǎo)致尖端快速溶解，裂紋沿著金屬的晶界或穿晶擴(kuò)展直到斷裂。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

（1） 對(duì)管內(nèi)殘留及水室內(nèi)部的沉積物及存在大顆粒物質(zhì)（圖1）進(jìn)行能譜分析（圖2）。其成分以Fe 和Mn 為主，從管內(nèi)發(fā)現(xiàn)的固體雜質(zhì)來(lái)看，有結(jié)晶固化物、機(jī)加工鐵屑、顆粒形沙石、鑄件殘留物、橡膠物質(zhì)等非散熱器材質(zhì)的物質(zhì)存在。這些物質(zhì)以鐵元素為主，形狀大小不一，小到可以通過(guò)銅管內(nèi)腔或卡在銅管內(nèi)部，大的則殘留在銅管端部的圓形截面處或直接留存在水室內(nèi)部。當(dāng)有固體鐵質(zhì)材料進(jìn)入了散熱器內(nèi)部時(shí)，對(duì)水室及銅管內(nèi)壁表面進(jìn)行了沖蝕磨損。

（2） 對(duì)散熱器發(fā)生泄漏的孔洞周圍區(qū)域進(jìn)行的電鏡掃描（圖3），從放大后的空洞形狀來(lái)看，孔洞帶有尖銳、豎直的邊緣，方向朝外，是受到外來(lái)物損傷了管壁。對(duì)孔壁（圖3 中A）進(jìn)行的能譜分析（圖4）。從孔壁上檢查到Fe 的成分分析，是由含鐵的尖角物質(zhì)撞擊該處或長(zhǎng)時(shí)間停留在此處受到液體流動(dòng)后該物質(zhì)旋轉(zhuǎn)磨損擊穿了銅管。

（3） 對(duì)管內(nèi)壁粘附的物質(zhì)（圖3 中B 處）進(jìn)行電鏡掃描（見(jiàn)圖5）及能譜分析（見(jiàn)圖6），其中Cu、Zn、Sn和Pb 是銅管基材的化學(xué)元素，Si 元素應(yīng)該是硅材質(zhì)的密封材料進(jìn)入了水系統(tǒng)中，大量的O 是銅管內(nèi)壁嚴(yán)重發(fā)黑的來(lái)源，黑色的氧化物是氧化銅，表面狀態(tài)凸凹比平，沖蝕磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重。當(dāng)沖蝕磨損后銅管內(nèi)部Cu、Zn 元素直接暴露在冷卻液介質(zhì)中，由于Fe、Ca、O 等其他離子的存在，使銅管更容易產(chǎn)生脫鋅腐蝕。

（4） 散熱器銅管泄漏點(diǎn)及周圍發(fā)現(xiàn)的裂紋（如圖7）。對(duì)裂紋斷面進(jìn)行的電鏡掃描，斷口存在晶間斷裂特征（如圖8），是符合應(yīng)力腐蝕特征的。應(yīng)力腐蝕一般是有三個(gè)條件：①材料可以遭受應(yīng)力腐蝕；②材料表面區(qū)域存在殘余或運(yùn)用拉伸引力；③材料暴露在特定的腐蝕成分中。黃銅是比較容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的，由于殘余應(yīng)力的存在，在潮濕的環(huán)境中，尤其是在含氨蒸汽、三氯化鐵等的環(huán)境中放置一段時(shí)間，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，使黃銅開裂，這種自發(fā)破裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂或者季裂[4]。然而散熱器使用的銅管C2300 比其他材質(zhì)更能應(yīng)對(duì)應(yīng)力腐蝕，但仍然能被腐蝕；銅管和管板脹接以及在運(yùn)用時(shí)可以產(chǎn)生殘余拉伸引力；冷卻液中有腐蝕離子的存在。從以上三個(gè)條件來(lái)看，很明顯散熱器銅管在現(xiàn)有運(yùn)行介質(zhì)中是滿足了應(yīng)力腐蝕的條件。

（5） 對(duì)機(jī)車運(yùn)行的冷卻液抽樣分析中，只有30%樣品符合機(jī)車?yán)鋮s液標(biāo)準(zhǔn)[5]。樣品中苯并三氮唑含量普遍偏低，對(duì)散熱器銅管的抗腐蝕保護(hù)作用有限。

（6） 散熱器高溫區(qū)域的管板表面出現(xiàn)了的明顯的氣液分界線，是空氣未被全部排出產(chǎn)生痕跡，由于空氣的存在也為氣蝕的發(fā)生提供了必要的條件。

（7） HXn5B 機(jī)車散熱器在維修過(guò)程中腐蝕嚴(yán)重。與HXn5 拆解的情況大不相同，HXn5 拆解后芯體外表面和芯子內(nèi)部均比較干凈，大多數(shù)管板表面仍然保持金屬原有光澤。經(jīng)跟蹤后發(fā)現(xiàn)HXn5 機(jī)車使用是舊版的3 號(hào)冷卻液配方。所以冷卻液的配方對(duì)散熱器的泄漏及壽命影響起到?jīng)Q定性的作用。

4 預(yù)防措施

（1） 在管路系統(tǒng)中或在散熱器水室內(nèi)部增加過(guò)濾網(wǎng)系統(tǒng)，用來(lái)過(guò)濾掉水系統(tǒng)中的雜質(zhì)及固化物。定期對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行清潔，裝車運(yùn)行調(diào)試后在出廠前徹底清潔一次，交付客戶運(yùn)營(yíng)時(shí)定期對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行清潔。

（2） 控制冷卻液中的腐蝕離子的濃度、溫度等其他性質(zhì)，阻遏腐蝕離子的再生。對(duì)黃銅腐蝕嚴(yán)重的離子如NH3蒸汽或NH3溶液、三氯化鐵、硝酸溶液、汞鹽溶液、及含SO2的氣體等[6]。

（3） 對(duì)已在機(jī)務(wù)段運(yùn)行的HXN5B 機(jī)車散熱器，在徹底清潔冷卻介質(zhì)流道的基礎(chǔ)上，使用提高了黃銅保護(hù)劑（苯駢三氮唑）濃度的冷卻液進(jìn)行一次全面的修復(fù)性預(yù)膜處理，以改善散熱器的抗腐蝕能力[7]。

（4） 對(duì)水室內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善局部水流太塊對(duì)銅管端部造成的沖蝕。

（5） 機(jī)車啟動(dòng)前對(duì)散熱器中及管道中的氣體全部排出，減少氣蝕的概率。

5 結(jié)論

HXn5B 機(jī)車散熱器在整個(gè)壽命周期內(nèi)，散熱器內(nèi)部存著沖蝕磨損、氣蝕、電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等單一或聯(lián)合破壞。氣蝕和電化學(xué)腐蝕破壞了銅管內(nèi)壁的保護(hù)層，沖蝕磨損、電化學(xué)腐蝕及應(yīng)力腐蝕則是銅管產(chǎn)生了裂紋，在殘余應(yīng)力或拉應(yīng)力作用下削弱了銅管材質(zhì)的原子間結(jié)合力后引起破裂或斷裂，表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕的特征。應(yīng)力腐蝕在前期表現(xiàn)的不太明顯，但隨著運(yùn)營(yíng)里程和運(yùn)行時(shí)間的增加，沖蝕磨損隨著對(duì)冷卻液質(zhì)量的管控其效果表現(xiàn)的不太明顯，但氣蝕、電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕將一直伴隨著整個(gè)散熱器的運(yùn)行周期。只有對(duì)冷卻液中的腐蝕物質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制和規(guī)范操作，定期加入適量的緩蝕劑，才能阻遏腐蝕的速度以延長(zhǎng)機(jī)車散熱器的使用壽命。