铝质换热器破裂失效原因分析
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强度厚板和散热片皆为铝质材料，除铝外只分析出很低含量的硅、锰、铁，没有分析出镁、
铜、锌等常见合金元素。采用化学分析方法分析材料中可能含有的元素成分，结果见表 1。
由于散热片厚度很薄，化学分析很难将焊接材料与基体材料分开，故散热片的分析结果中包
含了焊接材料的成分。从材料成分分析的结果判断换热器材料为工业纯铝。
也会向晶间腐蚀转化。
结论
综上分析表明，所分析换热器的失效是由于压缩空气中所含腐蚀性气体对材料的腐蚀造
6
成的。换热器选择材料和结构内防腐工艺不能满足使用条件要求是导致换热器早期失效的原 因。
主要分析人员及单位
朱衍勇 教授级高工
中董毅 工程师
国家钢铁材料测试中心 国家钢铁材料测试中心
国 资料整理人：王冬梅
记录号：JS-AL-工艺设备（换热器）-001
铝质换热器破裂失效原因分析
摘要：某公司的换热器在使用过程中发生破裂，该换热器用于该公司的压缩空气生产装置。
中本工作解剖观察了换热器结构，对其失效形态特征、断口显微特征、材料成分和金相组织进 行了分析，结果表明，换热器的失效是由于压缩空气中所含硫化物量较高对材料的腐蚀造成 的。换热器选择材料和结构内防腐工艺不能满足使用条件要求是导致换热器早期失效的原 国 因。 关键词：换热器；铝合金 ；压缩空气；晶间腐蚀；内压力；鼓胀破裂 材料种类/牌号：铝合金；工业纯铝 应 概述 某公司的换热器在使用过程中发生破裂，该换热器用于该公司的压缩空气生产装置。换 热器外观形状如图 1，从其外形和重量判断为铝质换热器，换热器散热区的尺寸接近为：长 急 1440mm，宽 570mm，厚度 150mm。外表面上涂有黑漆。需要分析导致换热器破裂失效的原因。 分 析 图 1 换热器外观形状 测试过程与结果 网 失效形态分析 对换热器散热片区域进行解剖后见到，换热器热交换结构如示意图 2 所示，压缩空气沿 由散热片组成的纵方向通道流动，鼓风机鼓动的室内空气沿由散热片组成的厚度方向的通道 流动。 图 1 和图 3 所示是换热器的外观形状和破裂位置，图示左上角位置出现三条裂口，裂口 长度在 220~360mm 范围。从图可以看出，破裂处结构有明显鼓胀变形，最外面的强度厚板（厚 度约 3.5mm）局部鼓胀成龟背状，裂口也发生张开，最大张开宽度达 10mm，张口附近的通风 道有的发生挤压变形，如图中箭头所指。由换热器裂口处的鼓胀形态可以判断结构的鼓胀变 形是在受到内压的作用而发生。
表 1 材料化学成分分析结果（W/%）
中铝板
Si 0.14
Mn 1.10
Fe 0.51
Cu 0.079
Al 余量
散热片
1.58
0.70
0.38
0.17
余量
国 剖面金相分析 沿横方向作剖面金相，观察加强筋、散热片及连接区的材料和焊缝组织，如图 8。各部 分材料的基体组织相近，都是由α（Al）相再结晶基体组织和沿轧向分布的点状破碎化合物
2
中
国 断口分析
图4
解剖换热器所见压缩空气通道的状况
应 截取与压缩空气接触的碎裂的散热片在 SEM 中观察，如图 5。看出，碎裂断口几乎全部
为严重的低应力沿晶断口，人工断口仍为韧性断口，在人工断口上局部能看到有沿晶的缺陷， 如图 6。散热片表面的形态如图 7，局部有腐蚀产物沉积形成的泥状花样。在断口和表面的
焊接铸态组织
图 8 散热片的结构和组织
应 在剖面组织中观察到网状的晶间腐蚀裂纹，如图 9。
急
分
析 图 9 层间隔片表面的应力腐蚀裂纹
讨论
网 从换热器失效后的宏观性貌分析，结构是在受到内压的作用下而发生鼓胀变形的。解剖
结构看出，与压缩空气接触的散热片发生严重的腐蚀和脱落，压缩空气和冷空气之间的层间
隔片也发生腐蚀、鼓胀和开裂。看来首先是因为压缩空气通道的散热片大量腐蚀失效脱落，
校核人： 吴伯群
国家钢铁材料测试中心 国家钢铁材料测试中心
应
急
分
析
网
7
急 腐蚀产物中分析出，主要有硫和氧等杂质，同时多含有铁。
分
析
层间隔片的断口
网
压缩空气通道散热片的断口 图 5 散热片断口形态
3
中
国焊接区缺陷
基材区正常断口 图 6 人工断口的形态
应
急
分
析
网
图 7 与压缩空气接触的散热片表面的腐蚀产物和分析 从断口形态和腐蚀产物成分来看，散热片是属于在高温高压下的晶间腐蚀断裂，压缩空 气中硫化物含量较高是引起腐蚀的主要原因。 与常压大气接触的层间散热片腐蚀不严重，仍具有变形能力，压缩空气通道发生胀裂的 同时，常压空气通道层间散热片发生压缩弯折变形。 材料化学成分 分别从失效换热器的强度厚板和散热片取样，在 SEM 内用 EDS 方法分析材料成分，表明
应 相组成。散热片与层间隔片粘焊连接区的基体组织α（Al）中分布较多的条状和块状共晶硅
相，如图 8，腐蚀有沿焊缝组织区域扩展的趋势。层间隔片本身也是由散热片材料经粘焊而 成，故隔片的厚度约为散热片厚度的两倍多，如图 8。
急
分
析
散热片结构
网
焊区组织
散热片与层间隔片的焊接界面
5
中
国层间隔片中部的焊接组织
造成层间隔片承受的应力增大，同时层间隔片本身的腐蚀也使其强度降低，从而造成层间隔
片在内压作用下破裂，和最外层的强度厚板鼓胀变形。
从腐蚀产物中分析出很高含量的硫，表明压缩空气中存在较高含量的硫化物（如 SO2、
H2S）腐蚀性介质，是造成散热片发生腐蚀的原因。从断口分析见到，散热片和隔片都是沿
晶断裂，这是材料发生晶间腐蚀的结果。普通铝合金在温度和压力升高的条件下，腐蚀特征
1
中
国
应图 2 换热器散热片结构示 后面
裂口张开 图 3 破裂位置和宏观形貌
前面
从鼓胀位置剖开换热器，看到压缩空气通道的状况如图 4 所示，通道中层间连接的散热
片金属严重破碎和脱落，所剩无几。压缩空气与外部空气之间的层间隔片，鼓胀变形，并发
生开裂，如图中箭头所指。与压缩空气接触的材料表面有明显的氧化腐蚀现象。
强度厚板和散热片皆为铝质材料，除铝外只分析出很低含量的硅、锰、铁，没有分析出镁、
铜、锌等常见合金元素。采用化学分析方法分析材料中可能含有的元素成分，结果见表 1。
由于散热片厚度很薄，化学分析很难将焊接材料与基体材料分开，故散热片的分析结果中包
含了焊接材料的成分。从材料成分分析的结果判断换热器材料为工业纯铝。
也会向晶间腐蚀转化。
结论
综上分析表明，所分析换热器的失效是由于压缩空气中所含腐蚀性气体对材料的腐蚀造
6
成的。换热器选择材料和结构内防腐工艺不能满足使用条件要求是导致换热器早期失效的原 因。
主要分析人员及单位
朱衍勇 教授级高工
中董毅 工程师
国家钢铁材料测试中心 国家钢铁材料测试中心
国 资料整理人：王冬梅
记录号：JS-AL-工艺设备（换热器）-001
铝质换热器破裂失效原因分析
摘要：某公司的换热器在使用过程中发生破裂，该换热器用于该公司的压缩空气生产装置。
中本工作解剖观察了换热器结构，对其失效形态特征、断口显微特征、材料成分和金相组织进 行了分析，结果表明，换热器的失效是由于压缩空气中所含硫化物量较高对材料的腐蚀造成 的。换热器选择材料和结构内防腐工艺不能满足使用条件要求是导致换热器早期失效的原 国 因。 关键词：换热器；铝合金 ；压缩空气；晶间腐蚀；内压力；鼓胀破裂 材料种类/牌号：铝合金；工业纯铝 应 概述 某公司的换热器在使用过程中发生破裂，该换热器用于该公司的压缩空气生产装置。换 热器外观形状如图 1，从其外形和重量判断为铝质换热器，换热器散热区的尺寸接近为：长 急 1440mm，宽 570mm，厚度 150mm。外表面上涂有黑漆。需要分析导致换热器破裂失效的原因。 分 析 图 1 换热器外观形状 测试过程与结果 网 失效形态分析 对换热器散热片区域进行解剖后见到，换热器热交换结构如示意图 2 所示，压缩空气沿 由散热片组成的纵方向通道流动，鼓风机鼓动的室内空气沿由散热片组成的厚度方向的通道 流动。 图 1 和图 3 所示是换热器的外观形状和破裂位置，图示左上角位置出现三条裂口，裂口 长度在 220~360mm 范围。从图可以看出，破裂处结构有明显鼓胀变形，最外面的强度厚板（厚 度约 3.5mm）局部鼓胀成龟背状，裂口也发生张开，最大张开宽度达 10mm，张口附近的通风 道有的发生挤压变形，如图中箭头所指。由换热器裂口处的鼓胀形态可以判断结构的鼓胀变 形是在受到内压的作用而发生。
表 1 材料化学成分分析结果（W/%）
中铝板
Si 0.14
Mn 1.10
Fe 0.51
Cu 0.079
Al 余量
散热片
1.58
0.70
0.38
0.17
余量
国 剖面金相分析 沿横方向作剖面金相，观察加强筋、散热片及连接区的材料和焊缝组织，如图 8。各部 分材料的基体组织相近，都是由α（Al）相再结晶基体组织和沿轧向分布的点状破碎化合物
2
中
国 断口分析
图4
解剖换热器所见压缩空气通道的状况
应 截取与压缩空气接触的碎裂的散热片在 SEM 中观察，如图 5。看出，碎裂断口几乎全部
为严重的低应力沿晶断口，人工断口仍为韧性断口，在人工断口上局部能看到有沿晶的缺陷， 如图 6。散热片表面的形态如图 7，局部有腐蚀产物沉积形成的泥状花样。在断口和表面的
焊接铸态组织
图 8 散热片的结构和组织
应 在剖面组织中观察到网状的晶间腐蚀裂纹，如图 9。
急
分
析 图 9 层间隔片表面的应力腐蚀裂纹
讨论
网 从换热器失效后的宏观性貌分析，结构是在受到内压的作用下而发生鼓胀变形的。解剖
结构看出，与压缩空气接触的散热片发生严重的腐蚀和脱落，压缩空气和冷空气之间的层间
隔片也发生腐蚀、鼓胀和开裂。看来首先是因为压缩空气通道的散热片大量腐蚀失效脱落，
校核人： 吴伯群
国家钢铁材料测试中心 国家钢铁材料测试中心
应
急
分
析
网
7
急 腐蚀产物中分析出，主要有硫和氧等杂质，同时多含有铁。
分
析
层间隔片的断口
网
压缩空气通道散热片的断口 图 5 散热片断口形态
3
中
国焊接区缺陷
基材区正常断口 图 6 人工断口的形态
应
急
分
析
网
图 7 与压缩空气接触的散热片表面的腐蚀产物和分析 从断口形态和腐蚀产物成分来看，散热片是属于在高温高压下的晶间腐蚀断裂，压缩空 气中硫化物含量较高是引起腐蚀的主要原因。 与常压大气接触的层间散热片腐蚀不严重，仍具有变形能力，压缩空气通道发生胀裂的 同时，常压空气通道层间散热片发生压缩弯折变形。 材料化学成分 分别从失效换热器的强度厚板和散热片取样，在 SEM 内用 EDS 方法分析材料成分，表明
应 相组成。散热片与层间隔片粘焊连接区的基体组织α（Al）中分布较多的条状和块状共晶硅
相，如图 8，腐蚀有沿焊缝组织区域扩展的趋势。层间隔片本身也是由散热片材料经粘焊而 成，故隔片的厚度约为散热片厚度的两倍多，如图 8。
急
分
析
散热片结构
网
焊区组织
散热片与层间隔片的焊接界面
5
中
国层间隔片中部的焊接组织
造成层间隔片承受的应力增大，同时层间隔片本身的腐蚀也使其强度降低，从而造成层间隔
片在内压作用下破裂，和最外层的强度厚板鼓胀变形。
从腐蚀产物中分析出很高含量的硫，表明压缩空气中存在较高含量的硫化物（如 SO2、
H2S）腐蚀性介质，是造成散热片发生腐蚀的原因。从断口分析见到，散热片和隔片都是沿
晶断裂，这是材料发生晶间腐蚀的结果。普通铝合金在温度和压力升高的条件下，腐蚀特征
1
中
国
应图 2 换热器散热片结构示 后面
裂口张开 图 3 破裂位置和宏观形貌
前面
从鼓胀位置剖开换热器，看到压缩空气通道的状况如图 4 所示，通道中层间连接的散热
片金属严重破碎和脱落，所剩无几。压缩空气与外部空气之间的层间隔片，鼓胀变形，并发
生开裂，如图中箭头所指。与压缩空气接触的材料表面有明显的氧化腐蚀现象。