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汽輪機電廠管式冷油器銅管腐蝕失效分析
某電廠汽輪機管式冷油器投入運行5個月后油位下降,檢查發現銅管存在針孔狀腐蝕泄漏孔。冷油器泄漏容易導致油位降低,影響安全運行,造成油耗增加,引起循環水污染,使銅管內壁和冷卻塔污垢增多,導致換熱效率下降。因此,分析汽輪機管式冷油器銅管的腐蝕失效對于電廠的安全運行具有重要意義。
1、汽輪機管式冷油器試驗方法
通過觀察失效銅管內外表面的顏色及泄漏點的形狀,并用游標卡尺測量銅管的直徑和壁厚。采用JXA28800R型電子探針(EPMA)及LinkISI300附件觀察分析失效銅管微觀組織和微區元素分布。電子探針的工作參數是:加速電壓20kV,工作距離11mm,能譜(EDS)分析的束電流為1.0×10-9A。
2、汽輪機管式冷油器試驗結果
2.1汽輪機管式冷油器銅管成分及組織分析
該廠汽輪機管式冷油器銅管材料為HSn7021黃銅,化學成分為(質量分數,%,下同):69～71Cu,<0.05Pb,0.8~1.3Sn,<0.10Fe,<0.01P,0.03～0.06As,<0.005Sb,<0.002Bi,雜質總和<0.3,余量為Zn。用X射線熒光光譜分析(XRF)測量失效管基體的成分,結果為:69.29Cu,0.995Sn,0.0309As,0.0346Fe,0.0397Ca,0.192Si,均符合標準要求,成分合格。
該銅管的規格為<25mm×1mm(厚度),經測量汽輪機管式冷油器銅管尺寸為<24.8mm×1.0mm,符合要求。將銅管沿縱向剖開,發現內壁有漏斗狀深淺不一的腐蝕坑,有些腐蝕點已穿孔,外壁可見針孔狀泄漏點。腐蝕坑周圍有藍綠色的腐蝕物和少量的白色物質,腐蝕坑的坑底呈紅色。圖1a是冷油器失效部位的照片,可以看出冷油器周圍有腐蝕物,腐蝕坑的直徑約1mm~1.5mm。圖1b是冷油器失效管經FeCl3、HCl腐蝕后的形貌。由圖1b可知,管子的腐蝕坑形貌呈團絮狀,裂紋主要沿晶界分布,說明失效管的腐蝕主要沿晶界進行,失效管心部組織為α2固溶體,具有孿晶特征,是HSn7021黃銅的正常組織,符合該材料的組織要求。
圖1汽輪機管式冷油器銅管失效部位的形貌(a)及金相組織(b)
2.2汽輪機管式冷油器銅管電子探針分析及腐蝕物的X射線衍射分析
圖2為銅管泄漏處縱斷面上從腐蝕區到基體的形貌及Cl、Zn、Cu元素的面分布,圖2a為腐蝕孔附近未浸蝕處理后的形貌。由圖2a可以看出,腐蝕區呈松散的棉絮狀。圖2b～d分別為Cl、Zn、Cu元素的面分布圖,圖中顏色深淺代表元素在此處的含量,顏色越白,表示此處元素含量越多。從圖2可以看出,對比基體元素含量,腐蝕區的氯元素較高,鋅和銅元素含量明顯低。定量測量結果表明腐蝕區主要成分含量為:10.20O,5.51Cl,2.55Sn,13.63Zn,68.10Cu,說明腐蝕區明顯存在脫鋅現象。
圖3為對腐蝕孔表面覆蓋的藍綠色垢物進行X射線相結構分析結果。由圖3可知,衍射峰曲線的背底較高,說明垢物中可能還存在一定量的有機物。
圖3腐蝕點表面覆蓋物的X射線衍射分析
3、汽輪機管式冷油器腐蝕原因分析
由圖2可知,汽輪機管式冷油器銅管的腐蝕類型屬脫鋅腐蝕,而脫鋅腐蝕是黃銅腐蝕的主要方式之一。脫鋅腐蝕有兩種:栓式脫鋅和層狀脫鋅,該電廠的冷油器銅管的腐蝕屬栓狀脫鋅。造成脫鋅腐蝕的原因有:內因主要是由于黃銅中銅、鋅兩金屬的標準氧化還原電位相差1.1V,鋅的電極電位低,銅的電極電位高,二者在腐蝕的環境下發生電化學腐蝕。在腐蝕過程中,鋅被優先溶解而留下多孔的銅骨架;外因主要指環境對脫鋅腐蝕有重要影響,其中表面沉積物和氯元素對脫鋅腐蝕影響較明顯,銅管的沉積物越多,冷卻水中氯離子濃度越高,脫鋅腐蝕速度越快。
汽輪機管式冷油器銅管腐蝕坑表面藍綠色腐蝕物產生的機理如下：Cu22eCu2+Cu2++H2OCuO+2H+(2)Cu2++SO-CuSO42CuO+H2O+CO2CuCO3·Cu(OH)2CuO+H2OCu(OH)2CuSO4+3Cu(OH)2+H2OCu4SO4(OH)6·H2O同時,冷卻水中沉積物如果覆蓋在銅管表面,就會加快脫鋅腐蝕速度,氯離子濃度對腐蝕速度也有影響,電子探針發現腐蝕區含較多的氯離子。氯離子的存在可加快腐蝕的速度,這是因為脫鋅腐蝕過程中,銅、鋅都溶解到電解質中,然后銅與氯離子化合成Cu2Cl2,Cu2Cl2在腐蝕環境下發生如下反應:
Cu2Cl2CuCl2+Cu(7)藍綠色周圍的白色物質為CuCl2,銅又重新被鍍到表面,因此腐蝕坑的坑底呈紅色。
4、汽輪機管式冷油器預防措施
汽輪機管式冷油器銅管的腐蝕屬脫鋅腐蝕,脫鋅腐蝕與腐蝕環境和材料表面沉積物等因素有密切關系。針對脫鋅腐蝕的原因,提出如下預防措施:
①對循環水質加強監督,嚴格控制循環水中銅離子和氯離子的濃度。
②避免過多的沉積物沉積在銅管表面,可從兩個角度減少沉積物的沉積:先要保證膠球清洗的質量,提高膠球質量和收球率;另外,由于電廠在冬季為了節能,往往少開一臺循環水泵,這樣會造成循環水流速過低,沉積物在水速下降的情況下更容易沉積在銅管表面,所以要定期將循環水泵全部投入運行以保證循環水正常的流速。
③在大小修期間,對銅管進行渦流探傷,掌握銅管的腐蝕破壞情況,必要時對銅管內表面重新酸洗后再進行預膜保護。電廠經過以上處理后,腐蝕現象基本消失。