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換熱器腐蝕失效分析

文檔作者：荊洪陽(yáng)１２尚進(jìn)１２徐連勇１２韓永典１２文檔來源：１．天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院２．天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年08月25日
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第３ ７ 卷第９ 期
２ ０ １ ６ 年９ 月
焊 接 學(xué) 報(bào)
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．９
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１６
收稿日期： ２０１４ -１０ -２２
基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（５１４７５３２６）
換熱器腐蝕失效分析
荊洪陽(yáng)１，２， 尚 進(jìn)１，２， 徐連勇１，２， 韓永典１，２
（１．天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 ３００３５０； ２．天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 ３００３５０）
摘 要： 在換熱器定期檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)在換熱器表面出現(xiàn)明顯的缺口，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器失效，為了研究換熱器
失效的原因，并防止此類事件再次發(fā)生，故采用金相分析、ＳＥＭ 和電化學(xué)方法對(duì)產(chǎn)生腐蝕穿孔的換熱器Ｅ-７１５ 管板
焊縫進(jìn)行失效分析，研究了其腐蝕機(jī)理．結(jié)果表明，換熱器腐蝕穿孔是由于電化學(xué)腐蝕造成的，焊縫電極電位較低，
母材電極電位較高，在服役介質(zhì)中形成原電池，對(duì)焊縫造成腐蝕，并最終穿孔．同時(shí)管程介質(zhì)為烴類，碳含量較高，
管體表面產(chǎn)生了滲碳．
關(guān)鍵詞： 腐蝕穿孔； 電化學(xué)； 滲碳
中圖分類號(hào)： ＴＧ ４０１ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： Ａ 文章編號(hào)： ０２５３ -３６０Ｘ（２０１６）０９ -０００１ -０４
０ 序 言
在各種換熱器中，鋼制管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)
堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在換熱器的生產(chǎn)和
使用中占據(jù)主導(dǎo)地位．管殼式換熱器在食品、化工
和制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用．但是由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性
和使用條件的多樣性，換熱器常出現(xiàn)多種形式的失
效．據(jù)報(bào)道，換熱器９０％的失效形式為腐蝕［１，２］ ．
國(guó)內(nèi)換熱器多采用焊接形式，管子與管板之間
存在間隙，殼程介質(zhì)進(jìn)入到間隙死角中，就會(huì)形成縫
隙腐蝕．縫隙腐蝕與介質(zhì)在這些部位的滯留有
關(guān)［３］ ．主要通過宏觀、微觀和電化學(xué)檢測(cè)方法，對(duì)由
于腐蝕產(chǎn)生的穿孔失效的換熱器的腐蝕機(jī)理進(jìn)行分
析，對(duì)比分析焊接接頭各區(qū)域的耐腐蝕性，對(duì)后續(xù)的
焊接工藝的改進(jìn)以提高換熱器耐蝕性提供理論依據(jù)．
此次失效的換熱器為Ｖ-ＢＥＭ 立式（固定管板換
熱器），殼層介質(zhì)為中壓蒸氣，操作溫度為１８４ ℃，壓
力１．０ ＭＰａ．管程介質(zhì)為烴（Ｃ５ ～Ｃ９），操作溫度為
１２１ ℃，壓力０．１４ ＭＰａ．換熱器材質(zhì)：管體材料
１６ＭｎＲ，換熱管材質(zhì)１０ 號(hào)鋼，管子與管板連接形式：
強(qiáng)度焊＋貼脹．
１ 試驗(yàn)方法
對(duì)失效換熱器穿孔處進(jìn)行剖分，觀察穿孔失效
的宏觀形貌，然后在換熱器其它接頭部位取樣，在
ＯＬＹＭＰＵＳ-ＧＸ５１ 型金相顯微鏡上對(duì)母材、熱影響區(qū)
和焊縫進(jìn)行觀察宏觀分析，焊縫、熱影響區(qū)和母材的
腐蝕試劑均為４％硝酸酒精溶液．利用Ｓ-４０００Ｎ 型
場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)腐蝕穿孔形貌進(jìn)行觀察并分析，
之后對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行ＥＤＸ 和ＸＲＤ 檢測(cè)．分別在接
頭焊縫和母材處取樣，取樣尺寸２ ｍｍ ×３ ｍｍ，電化
學(xué)測(cè)試采用Ｇａｍｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ１０００ 電化學(xué)綜合測(cè)試儀
及三電極體系，參比電極為飽和Ａｇ／ＡｇＣｌ 電極，輔助
電極為鉑電極，極化曲線測(cè)試電位范圍： -３００ ～５００
ｍＶ（ｖｓ．Ｅｏｃ），掃描速率為０．１６７ ｍＶ／ｍｉｎ，測(cè)試溫度
２５ ℃ ±２ ℃．所用腐蝕介質(zhì)采用水介質(zhì)．
２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2．1 宏觀形貌
該換熱器在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)換熱器發(fā)生穿孔，
造成大量蒸氣泄露，無法繼續(xù)使用．將缺口沿縱向
剖開．由圖１ 可以看出，腐蝕在焊縫處發(fā)生，并不斷
延伸，最終造成穿孔．
圖1 穿孔腐蝕形貌
Fig.1 Morphology of corrosion perforation 萬方數(shù)據(jù)
２ 焊 接 學(xué) 報(bào) 第３７ 卷 2．2 金相組織
換熱器焊接接頭及母材的顯微組織如圖２ 所
示，管材的組織為鐵素體和珠光體，焊縫組織為典型
的魏氏體組織，含有少量的貝氏體，在熱影響區(qū)則發(fā)
現(xiàn)了少量的滲碳顆粒．
圖2 換熱器焊接接頭及母材金相組織
Fig.2 Microstructure of welding joint and parent metal for
heat exchanger
2．3 微觀分析
利用場(chǎng)發(fā)射電子掃描電鏡對(duì)腐蝕造成的穿孔進(jìn)
行分析，可以看到穿孔處表面被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，如
圖３ 所示，腐蝕產(chǎn)物多呈現(xiàn)球狀，聚集在表層［４］ ．能
譜分析結(jié)果見表１，可以看出，覆蓋物中含有Ｆｅ，Ｃ 和
Ｏ 元素，Ｆｅ 元素減少，Ｃ 和Ｏ 含量增加，說明Ｆｅ 元素
發(fā)生了陽(yáng)極溶解，Ｃ 和Ｏ 元素參與了腐蝕過程［５］ ．
圖3 接頭腐蝕穿孔形貌
Fig.3 Morphology of corrosion perforation for welding
joints
表1 覆蓋物EDS 分析結(jié)果
Table 1 EDS analysis of coating
元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（％） 原子分?jǐn)?shù)a（％）
Ｆｅ ９２．７６ ７５．７９ Ｃ ３．７６ １４．２７ Ｏ ３．７９ ９．９４ 總量 １００ １００ ＸＲＤ 結(jié)果顯示腐蝕膜的主要成分是Ｆｅ２ Ｏ３ ，ＦｅＯ
和Ｆｅ３ Ｃ７ ，腐蝕產(chǎn)物主要是Ｆｅ 元素在腐蝕介質(zhì)環(huán)境
下和Ｃ，Ｏ 元素形成的化合物，與電化學(xué)腐蝕的推測(cè)
相吻合．
2．4 電化學(xué)分析
圖４ 為換熱器焊接接頭母材和焊縫在腐蝕介質(zhì)
中動(dòng)電位極化曲線． 分析可得，焊縫和母材的自腐
蝕電位分別是-７３６ 和-７０７ ｍＶ，焊縫低于母材，說
明在焊接接頭中焊縫易作為陽(yáng)極而首先腐蝕，而母
材作為陰極受到保護(hù)．對(duì)極化曲線的Ｔａｆｅｌ 直線段
進(jìn)行擬合，自腐蝕電流焊縫大于母材，分別是５０．３
和３４．３ μＡ／ｃｍ２ ，焊縫腐蝕比較嚴(yán)重，母材具有相對(duì)
較好的耐腐蝕性．綜上所述，在相同的試驗(yàn)條件下，
焊縫的耐局部腐蝕性和耐全面腐蝕性都比較差，母
材在此方面性能比較優(yōu)越［５，６］ ．
圖4 焊接接頭極化曲線
Fig.4 Polarization curve of welding joints 萬方數(shù)據(jù)
第 ９ 期 荊洪陽(yáng)， 等：換熱器腐蝕失效分析 ３ 2．5 表層滲碳
根據(jù)金相分析和ＸＲＤ 的結(jié)果，對(duì)焊縫接頭進(jìn)行
粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕后（腐蝕劑為４％硝酸酒精
溶液），利用Ｘｆｌａｓｈ ６０００ 型能譜儀對(duì)其進(jìn)行ＥＤＸ 分
析，結(jié)果見于圖５ 和表２，由結(jié)果可以看出在焊接接
頭中出現(xiàn)碳化物夾雜，Ｃ 元素含量增加，Ｆｅ 元素含量
減少，換熱器服役介質(zhì)為烴類，在管壁上附著，并逐
漸發(fā)生表面滲碳，文獻(xiàn)［７］說明碳夾雜處更容易產(chǎn)
生點(diǎn)蝕，造成局部腐蝕加速，降低基體耐蝕性．
圖5 焊接接頭SEM 形貌
Fig.5 SEM morphology for welding joinst
表2 夾雜物EDS 分析結(jié)果
Table 2 EDS analysis of inclusion
元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（％） 原子分?jǐn)?shù)a（％）
Ｆｅ ４３．３９ １６．８１ Ｃ １４．７８ ２６．６２ Ｏ ４１．８３ ５６．５７ 總量 １００ １００ 2．6 討 論
換熱器所用１６Ｍｎ 鋼是一種低碳中錳鋼，Ｍｎ 元
素含量在１．４％左右，根據(jù)ＥＤＳ 的結(jié)果，焊縫中Ｍｎ
元素含量比較低．根據(jù)文獻(xiàn)［８］介紹， Ｍｎ 元素可以
提高基體的耐蝕性，表現(xiàn)在Ｍｎ 元素能夠減少微電
偶腐蝕，阻礙陰極反應(yīng)過程，抑制析氫反應(yīng)．從極化
曲線的結(jié)果可以認(rèn)為（圖４）Ｍｎ 元素含量高的區(qū)域
腐蝕電流密度較Ｍｎ 元素含量低的要小，并且Ｍｎ 元
素的加入主要對(duì)陰極極化行為有明顯影響．不同
Ｍｎ 元素含量對(duì)合金的陽(yáng)極過程沒有太大的影響；但
把合金的陰極極化曲線的Ｔａｆｅｌ 區(qū)反向延長(zhǎng)交于電
位軸得到陰極反應(yīng)過程的理想平衡電位時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊
縫（Ｍｎ 元素含量較低）電位約為-５００ ｍＶ，母材
（Ｍｎ 元素含量較高）電位約為-３００ ｍＶ，可見Ｍｎ 元
素含量的不同，主要影響陰極析氫過程．Ｍｎ 元素含
量高的合金陰陽(yáng)極區(qū)的電位差減小，降低合金的微
電偶腐蝕，因此陰極極化曲線分支向腐蝕速率小的
方向移動(dòng)，陰極反應(yīng)過程受到有效地抑制．因此錳
能有效提高母材的耐蝕性．
考慮到組織對(duì)耐蝕性的影響，焊縫組織為魏氏
體組織，焊縫由高溫以較快的速度冷卻時(shí)，先共析的
鐵素體從奧氏體晶界上沿著奧氏體的一定晶面向晶
內(nèi)生長(zhǎng)，呈針狀析出，形成魏氏體組織．在光學(xué)顯微
鏡下可以觀察到從奧氏體晶界上生長(zhǎng)出來的鐵素體
近似平行，呈羽毛狀或三角形，其間存在著珠光體的
組織．先共析鐵素體在奧氏體晶界上形核并長(zhǎng)大，
奧氏體晶界是原子排列較為疏松晶粒內(nèi)部更為活潑
的界面，因而與其相鄰的滲碳體形成微小的原電池，
當(dāng)奧氏體中鐵素體晶界較多時(shí)，形成大陰極小陽(yáng)極
的腐蝕狀態(tài)，大大加速了腐蝕速率，導(dǎo)致先共析鐵素
體被腐蝕［９，１０］ ．
綜上所述，由于合金元素和顯微組織上的差異
導(dǎo)致了１６Ｍｎ 鋼焊接接頭在耐腐蝕性能上的差異．
究其原因，鋼的腐蝕過程本質(zhì)上是一個(gè)電化學(xué)過程，
不同的組織影響著不同的腐蝕機(jī)理，這就引起了不
同區(qū)域的耐蝕性差異．在１６ Ｍｎ 合金中，合金元素
和組織對(duì)合金耐蝕性都發(fā)揮了作用．因此在選擇合
適的焊接材料的同時(shí)也要制定更為合理的焊接工
藝，以保證焊接接頭各項(xiàng)性能的提高．
３ 結(jié) 論
（１） 換熱器腐蝕穿孔主要是由于電化學(xué)腐蝕造
成的．水蒸氣在焊接接頭流速緩慢，構(gòu)成電化學(xué)腐
蝕環(huán)境．根據(jù)極化曲線和電化學(xué)阻抗的分析結(jié)果，
焊縫區(qū)域作為陽(yáng)極首先被腐蝕，母材作為陰極得到
保護(hù)．（
２） 換熱器在服役過程中發(fā)生表層滲碳，基體
發(fā)生晶格畸變，力學(xué)性能減弱．
（３） 改善焊接工藝，或采用焊后熱處理，減少魏
氏體組織，提高焊縫組織和熱影響區(qū)的耐腐蝕性．
（４） 定期檢查維護(hù)清理，減少滲碳．
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０Ｃｒ１３Ａｌ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ｉｎ ａ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ
Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２０１１， １８（３）： ８９０ -８９４．
作者簡(jiǎn)介： 荊洪陽(yáng)，男，１９６６ 年出生，博士，教授．主要從事焊接結(jié)
構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)方面的研究．發(fā)表論文２００ 余篇．Ｅｍａｉｌ： ｈｊｉｎｇ＠ｔｊｕ．
ｅｄｕ．ｃｎ
通訊作者： 韓永典，男，副教授．Ｅｍａｉｌ：ｈａｎｙｏｎｇｄｉａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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