文县空调维修培训学校,浅析技术分析：壳管式换热器铜管缝隙为什么会腐蚀失效？

大型商用热泵热水机因低碳、环保、安全、供热水量大、全天候服务等诸多优势，随着国家节能政策的深入，成为热水器市场又一前景广阔的领域。目前行业普遍关注设计匹配、性能指标、能效测试与评定、标准形成等相关领域，对消费者关心的首要问题——安全、可靠性及腐蚀泄漏问题关注较少。

壳管式换热器一般选用内螺纹紫铜高效换热管牌号为TP2M，是大型商用热泵型热水机热量交换、能效保障的核心重要部件，承载换热介质、脉冲压力、热量交换等重要作用，国内外研究者对不锈钢材质的缝隙腐蚀已开展了广泛深入的研究，取得了许多研究成果，但对于空调系统环境中紫铜材质的缝隙腐蚀国内外未见报道。空调安装使用环境具有高温、潮湿、多样化的特点，频发缝隙腐蚀开裂故障，开展紫铜在空调环境中的缝隙腐蚀失效的研究具有重要的实际应用价值，为紫铜在空调环境中的缝隙腐蚀开裂积累试验数据。

1、失效背景及理化检测

壳管式换热器（图1）由壳体（20#钢）、内螺纹换热铜管（牌号为TP2，状态为M，规格为f12.7×0.55+0.28-60-18°（外径名义壁厚齿高齿条数螺旋角））、折流板（Q235A）等部件组成。冷媒从1（冷媒进口）进入，流经6（高效换热铜管束）管内换热后从3（冷媒出口）流出，构成管程。水从2-2（进水口）进入5（壳体），在6（高效换热铜管束）外表面吸收热量被加热后从2（出水口）流出，构成壳程。正常情况管程、壳程之间密闭、只有热量交换不会发生流程材料泄漏。

出现失效的多台商用空气能热水机壳管式换热器在售后工作3.5年~5年后，先后反馈机组报“低压保护”异常，维修人员排查确认为壳程流体（经处理的地下水）已泄漏进入管程（图2）。拆解发现折流板通孔处换热管束铜材有不同程度腐蚀、穿孔（图3铜管表面标红处），出现位置在系统过热、冷凝和过冷段未见明显集中，可排除系统工作环境的温度影响。

1.1  化学成分分析   

对失效铜管取样进行化学成分分析，结果（质量分数）与GB/T 5231要求相符。

1.2  力学性能试验

在失效铜管上取样进行力学性能检测，结果与GB/T 17791要求相符。

1.3  断口金相(OM)检验   

将失效铜管外观腐蚀深坑位做切面，并镶嵌、研磨、抛光，使用三氯化铁盐酸溶液对试样浸蚀，在金相显微镜下做断口金相检验。

铜管外壁呈不规则蚀坑（图4箭头），内侧齿形完好未见明显腐蚀，可以确定腐蚀方向为由外及内，及铜管表面或外侧壳层水中含有相关腐蚀介质。铜管基体为单相α铜（图5），呈完全退火态，晶粒平均直径约为0.025 mm， 大凹坑底部仍有小的腐蚀坑贯穿造成泄漏。

1.4  扫描电镜分析   

将腐蚀泄漏铜管经超声波清洗后，置于PH ILIPS XL-30型扫描电子显微镜下观察，图6是泄漏处表面微观形态。

可见，泄漏处内表面存在腐蚀坑、裂纹、大量析出物，晶间优先腐蚀形成深邃裂纹。对内壁析出物（图6谱图1位置）进行X射线能谱分析（EDS），结果见图7。

结果分析：在Cu基材正常元素限基础上，Fe、Al、Mg、Si、Cl等元素偏高原因可能来自工作环境的地下水质，其中元素Fe、Cl的含量严重超出水源水质（见表1），为缝隙腐蚀反应析出的产物。

1.5 水质检测   

依据GB 29044《供暧水质要求》标准与方法[9]，对换热铜管工作环境的补充水水质进行取样、测试，检测结果如表1所示。

实验测得含铁量为18 mg/L，较GB 29044供暖水质要求（总铁≤1 mg/L）超过 大允许范围17倍。

2、腐蚀机理及DOE试验

文献[张皓玥, 王津梅. 金属缝隙腐蚀的成因及实验验证[J]. 表面技术, 2017, 46(2): 204-207.]指出，缝隙处于25~100 μm之间并且存在腐蚀介质，几乎所有的金属和合金都会发生缝隙腐蚀。本例壳管的铜管配入折流板通孔结构的设计间隙在0.2 mm，实测配合间隙为0.02 mm~0.30 mm之间，水样测试结果中Fe3+浓度18 mg/L（远超于水质标准要求的0.3 mg/L），同时存在一定量的Cl离子。组合形成的FeCl3通常用于工业上制印刷电路板时作为“腐蚀液”去除线路板上的多余铜，具有较强的腐蚀性，满足缝隙腐蚀产生条件。具体过程Fe3+作用下金属Cu在折流板缝隙或蚀孔中溶解，生成金属离子Cu2+，造成缝隙或蚀孔中的正电荷过量，使Cl-迁移到缝隙或蚀孔中以维持其溶液的电中性，缝隙或蚀孔内会存在高浓度的CuCl2，浓度梯度驱动CuCl2水解产生H+和Cl-，导致蚀孔进一步酸化、溶解（图8）、直至局部穿孔，腐蚀反应如下。