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300MW汽輪機(jī)A小機(jī)B列管式冷油器銅管泄漏剖析
某發(fā)電公司列管式冷油器銅管投運(yùn)不久即發(fā)生大面積泄漏，給電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶茶極大威脅。通過化學(xué)成分分析、宏觀檢査、滲透探傷和金相分析得出結(jié)論:此泄漏為應(yīng)力腐蝕所致，并提出防止應(yīng)力腐蝕的合理化建議。
1概述
某發(fā)電公司2號(hào)機(jī)于2015年1月29日投產(chǎn),1號(hào)機(jī)于2015年5月2日投產(chǎn)。1、2號(hào)機(jī)列管式冷油器黃銅管在運(yùn)行中經(jīng)常泄漏，破壞抗燃油油質(zhì)，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,更重要的是對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行帶來極大威脅。2016年2月1~5日，1號(hào)機(jī)調(diào)停中,將上汽廠原銅管列管式冷油器換為不銹鋼管列管式冷油器。該列管式冷油器為開式循環(huán)水,長江水含鹽量為183.30mg/L,水的流速為0.46m/so銅管設(shè)計(jì)材質(zhì)為HSn70-lA,規(guī)格為x2060mm,根數(shù)為448根。經(jīng)測量，銅管尺寸為＜M5.0xL02nun,符合要求。公司隨機(jī)從1號(hào)機(jī)A小機(jī)B冷油機(jī)4根黃銅管(非后文提到的堵管)上抽樣4段,每段長350mm,用作泄漏分析。
2化學(xué)成份分析
對(duì)4段銅管樣進(jìn)行編號(hào)，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成份分析，結(jié)果見表10
表1化學(xué)成份分析(Wt%)結(jié)果
編號(hào)7\ Fe Pb Sb Bi As Mn Cu Sn Ni Zn 雜質(zhì)總和
1# 0.0062 0.0016 <0.001 <0.001 0.044 <0.001 61.17 不高 (38.5)
2* 0.011 0.0016 <0.001 <0.001 0.041 <0.001 61.85 不高 (37.7)
GB/T5231-2OO1
HSn70-lA 0.10 0.05 / / 0.03~0.06 / 69.0-71.0 0.8~1.3 0.5 紐 0.3
GB/T5231-2011
HSn62-l 0.10 0.10 / / ./ / 61.0T63.0 0.7~1.1 0.5 余量 0.3
GB/T5231-2011
H68 0.10 0.03 / / / / 67.0~70.0 / 0.5 余量 0.3
注:1.受分析儀器精度限制，分析單位對(duì)Sn的舍量沒把握給準(zhǔn)，在此僅作為參考。從定性角度講，黃銅管中含Sn。括號(hào)中Zn含量為計(jì)算所得，而非化驗(yàn)結(jié)果。化驗(yàn)時(shí)遵照GB/T5231-1985,而新標(biāo)準(zhǔn)中沒要求Sb、Bi、Mn。由表1可知,1號(hào)、2號(hào)銅管樣成份基本符合錫黃銅HSn62-l,與設(shè)計(jì)材質(zhì)HSn70-lA不符。
3滲透探傷檢查和線切割內(nèi)壁檢查
對(duì)4段銅管樣外壁進(jìn)行著色滲透(PT)檢査,3號(hào)管子外壁有一線狀顯示，經(jīng)粗砂紙打磨消失，為淺表性裂紋。對(duì)4段銅管樣線切割剖開，放大鏡檢查內(nèi)壁,未見明顯的腐蝕坑點(diǎn)和腐蝕產(chǎn)物，但內(nèi)壁有斷續(xù)軸向裂紋(約40~60mm不等)。
4金相試驗(yàn)
對(duì)1號(hào)、2號(hào)銅管取環(huán)形試樣，用鑲嵌機(jī)鑲嵌后制樣，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁均有沿晶腐蝕裂紋(見金相圖片)，幾乎整個(gè)周向都有，輕者1~2個(gè)晶粒深，重者7~8個(gè)晶粒深。為防止化學(xué)分析取樣導(dǎo)致沿晶裂紋，對(duì)3號(hào)銅管(未做化驗(yàn))再取環(huán)形試樣，再鑲嵌制樣，檢查結(jié)果與1號(hào)、2號(hào)樣相同，由此可判定該黃銅管內(nèi)壁確有沿晶腐蝕裂紋。3個(gè)試樣管內(nèi)壁側(cè)均有一條易受腐蝕，可能與管內(nèi)壁受循環(huán)水沖刷和預(yù)腐蝕有關(guān)。銅管顯微組織為a單相固溶體，局部有李晶，是HSn62-l黃銅的正常組織,
晶粒度G=0.010~0.015級(jí)，符合該材料組織要求。詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果敘述如下：
1號(hào)樣，沿周向有內(nèi)壁晶間微裂紋（圖1）,微裂紋里有腐蝕產(chǎn)物滲入，管內(nèi)壁受腐蝕較重，可能與管內(nèi)壁受循環(huán)水沖刷和預(yù)腐蝕有關(guān)。
2號(hào)樣，沿周向有內(nèi)壁晶間微裂紋，微裂紋里有腐蝕產(chǎn)物滲入，圖2表現(xiàn)出微裂紋已在局部連成孔洞，且有滑移線和變形流線,滑移線及變形流線均為黃銅管塑性變形的結(jié)果。a黃銅塑性很大。
3號(hào)樣，沿周向有內(nèi)壁晶間微裂紋（圖3）,微裂紋里有腐蝕產(chǎn)物滲入，管內(nèi)壁側(cè)易受腐蝕，可能與管內(nèi)壁受循環(huán)水沖刷、預(yù)腐蝕有關(guān)。
5管式冷油器原因分析
（1）黃銅有良好的機(jī)械性能和耐蝕性,容易鑄造和壓力加工，與紫銅和其它銅合金比較,價(jià)格低、重量輕、色澤美觀，是應(yīng)用非常廣泛的有色合金。黃銅按成份分為簡單黃銅和復(fù)雜黃銅。銅鋅二元合金稱簡單黃銅，也叫普通黃銅;除了銅和鋅之外,還含有少量其他元素的合金稱為復(fù)雜黃銅或特殊黃銅，如含Sn稱錫黃銅，含Al稱鋁黃銅。含Zn＞20%的黃銅管有內(nèi)應(yīng)力存在時(shí)，加上介質(zhì)的浸蝕,時(shí)間一久便產(chǎn)生沿晶腐蝕裂紋,造成管子損壞,這種腐蝕破裂現(xiàn)象稱為“應(yīng)力腐蝕”。實(shí)驗(yàn)證明，在應(yīng)力存在的情況下，水中存在O2.NH3.H2S等物質(zhì)是造成腐蝕破裂的重要因素。從某發(fā)電公司的長江水質(zhì)全分析報(bào)告知道,水中有NH；、酸根及Ct等（常規(guī)不化驗(yàn)O2.H2S等），而1號(hào)樣含Zn量為38.5%,2號(hào)樣含Zn量為37.7%,具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的充要條件。
（2）應(yīng)力腐蝕裂紋都是沿晶粒邊界發(fā)生的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明這點(diǎn)，腐蝕疲勞裂紋則是穿晶的，所以該銅管泄漏非腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕裂紋沿晶是由其破壞機(jī)理決定的，與下列因素也不無聯(lián)系:晶界上原子排列不規(guī)則，存在很多缺陷，雜質(zhì)也多在這里集聚,因而易被腐蝕。
（3）Cu-Zn狀態(tài)圖如圖4所示，是由五個(gè)包晶反應(yīng)所構(gòu)成的。Cu-Zn合金在固態(tài)下可形成六種相：a、B、圖4銅鋅狀態(tài)圖a相是Zn溶解于Cu中的固溶體，溶解度隨溫度下降而增加。在400Y左右時(shí)固溶體內(nèi)有39%的Zn,但在平衡狀態(tài)下溫度低于400%：后，溶解度又略減小。工業(yè)用黃銅的含Zn量一般均小于45%~47%。根據(jù)Cu-Zn狀態(tài)圖，可知，其顯微組織是由a相或（a+P）相組成的。a相的晶格與純銅一樣，亦為面心立方晶格，塑性良好，適用冷熱壓力加工。實(shí)踐證明，a單相黃銅比（a+。）二相黃銅的耐蝕性好。這是因?yàn)閍黃銅是單相固溶體，在介質(zhì)中電化學(xué)作用較緩慢。從金相試驗(yàn)的結(jié)果可知，某發(fā)電公司管式冷油器銅管的顯微組織是帶攣晶的a?相,所以其顯微組織是理想的。
（4）據(jù)某發(fā)電公司介紹，該廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組共堵管154根,1號(hào)機(jī)64根,2號(hào)機(jī)90根。在運(yùn)行一年左右的時(shí)間里，黃銅管泄漏數(shù)量之巨令人震驚。有資料介紹,水的含鹽量＜2010mg/L時(shí)，視為淡水。含鹽量＜400mg/L的江河水，當(dāng)管內(nèi)流速＜2m/s時(shí),可選用H68普通黃銅。從概述中可知，某發(fā)電公司的列管式冷油器循環(huán)水符合這個(gè)條件，應(yīng)該可選用H68黃銅管。但為何該廠列管式冷油器銅管在運(yùn)行不到一年（2號(hào)機(jī)）或一年多（1號(hào)機(jī)）的時(shí)間內(nèi)發(fā)生大量泄漏呢？這顯然與含Zn量關(guān)系甚密,H68含Zn量約為30.0%,HSn62-l含Zn量約為37.2%。含Zn量愈高，應(yīng)力腐蝕傾向愈大。所以可用普通黃銅H68的場合,選用海軍黃銅HSn62-l,依然會(huì)很快發(fā)生應(yīng)力腐蝕。海軍黃銅HSn70-lA含Zn量約為27.9%,所以,其耐應(yīng)力腐蝕的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于HSn62-l。故該廠管式冷油器銅管材質(zhì)用錯(cuò),導(dǎo)致銅管大量泄漏，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。
（5）H68的冷熱塑性都很好，價(jià)格便宜，但有應(yīng)力腐蝕傾向，在氨溶液和蒸汽作用下尤其明顯，而且脫鋅腐蝕較嚴(yán)重。從脫鋅角度考慮，加0.02%~0.05%的呻就能抑制黃銅脫Zn,且HSn62-l耐應(yīng)力腐蝕能力過差，因此,推薦使用原設(shè)計(jì)材質(zhì)HSn70-lAo加Sn可以防止脫Zn,提高銅管的耐腐蝕性，但作用不及As好，含Sn黃銅價(jià)格較貴，仍有應(yīng)力腐蝕傾向。所以，即使使用HSn70-lA黃銅管，也要注意防腐保護(hù)。
（6）對(duì)某發(fā)電公司長江水的化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取證,2015年俊根離子濃度大值為0.76（四季度）,小值為0.40（一季度）。因?yàn)檠h(huán)水中含NHZ、C1-等,所以黃銅管有應(yīng)力腐蝕破壞的可能。
（7）金相隨機(jī)檢驗(yàn)三只黃銅管樣，內(nèi)壁100%晶間微裂紋，且?guī)缀跽麄�(gè)周向都有,有的地方已連成孔洞。因而推斷，某發(fā)電公司列管式冷油器黃銅管已全部發(fā)生應(yīng)力腐蝕，只是腐蝕程度有異，非同時(shí)泄漏。
（8）火電廠用黃銅管在使用過程中經(jīng)常發(fā)生腐蝕和破裂。腐蝕形式有均勻腐蝕和局部腐蝕。發(fā)生均勻腐蝕時(shí)，黃銅極緩慢地溶解，銅管的使用壽命較長。對(duì)銅管來說，主要危險(xiǎn)是局部腐蝕,常遇到的局部腐蝕有:脫鋅腐蝕、沖擊腐蝕、沉積腐蝕、應(yīng)力腐蝕。在以上四種腐蝕形式中，脫鋅腐蝕是常見的。脫鋅腐蝕與應(yīng)力腐蝕微觀特征有許多相似之處,且含Zn量大于30%時(shí)，在酸性或鹽類溶液中易發(fā)生脫鋅腐蝕，但該黃銅管破壞不是脫鋅腐蝕。這是為什么呢?從前面的金相分析可知，該黃銅管顯微組織為攣晶a單相固溶體,有資料介紹，a黃銅的“脫鋅”問題可用加入少量As（0.02%~0.06%）防止，從表1可知，1號(hào)、2號(hào)樣含As量均在0.02%~0.06%范圍內(nèi)，因而該廠列管式冷油器銅管不會(huì)發(fā)生脫鋅腐蝕,而且線切割內(nèi)壁檢査也未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑點(diǎn)和腐蝕產(chǎn)物,這也就證明了該黃銅管泄漏為應(yīng)力腐蝕所致。
6管式冷油器結(jié)論及建議
（1）該黃銅管泄漏原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕破裂。與黃銅管中存在內(nèi)應(yīng)力及工作應(yīng)力，與介質(zhì)中有NH/、氯化物等密切相關(guān)。應(yīng)力腐蝕裂紋為沿晶界的網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，使金屬強(qiáng)度大大下降。如構(gòu)件承受不了工作應(yīng)力，將會(huì)造成突發(fā)性破壞事故。
（2）管式冷油器設(shè)計(jì)材質(zhì)為HSn70-lA,而實(shí)際材質(zhì)為HSn62-l,耐應(yīng)力腐蝕能力大大降低，所以投運(yùn)不久即發(fā)生應(yīng)力腐蝕泄漏。
（3）根據(jù)1號(hào)機(jī)黃銅管的分析結(jié)果及1號(hào)、2號(hào)機(jī)的堵管情況介紹推測,1號(hào)、2號(hào)機(jī)列管式冷油器黃銅管發(fā)生了100%應(yīng)力腐蝕。
（4）對(duì)循環(huán)水質(zhì)加強(qiáng)監(jiān)督，嚴(yán)格控制循環(huán)水中NH4\C1-和。2、成濃度。
（5）新管使用時(shí)，重要的一點(diǎn)是先使管子表面生成良好的保護(hù)膜。一個(gè)是自然形成，即讓清潔的循環(huán)水與銅管接觸，讓其自然形成;二是人工造膜，即將冷卻水進(jìn)行硫酸亞鐵處理。
（6）新購置的黃銅管在安裝前應(yīng)進(jìn)行壓扁試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)及檢查內(nèi)應(yīng)力試驗(yàn),若有殘余應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行退火消除應(yīng)力：400乞采用蒸汽退火15分鐘，或內(nèi)表面鍍鋅保護(hù);使用前檢查其質(zhì)保書和理化分析報(bào)告，必要時(shí)進(jìn)行成份分析和金相檢驗(yàn)。
（7）管式冷油器停用時(shí)，應(yīng)盡量將管內(nèi)的水排凈。