循环冷却水系统不锈钢管道腐蚀穿孔原因探究

循环冷却水系统不锈钢管道腐蚀穿孔原因探究
吕闯;耿曼
【摘要】西北地区某项目循环冷却水系统投入运行不到六个月,就出现304不锈钢管道内部结垢积盐,腐蚀,导致多处穿孔漏水,给系统稳定运行带来非常不利的影响,通过扫描电镜、能谱仪、离子色谱等方法进行分析,结果表明,循环冷却水中含有大量的对304不锈钢具有强烈腐蚀特性的氯离子和硫酸根离子,导致了水冷系统304不锈钢管道焊接焊缝热影响区域加速腐蚀,进而穿孔漏水失效.
【期刊名称】《浙江化工》
【年(卷),期】2019(050)004
【总页数】6页(P44-49)
【关键词】循环冷却水;304不锈钢;腐蚀;氯离子;硫酸根离子
【作者】吕闯;耿曼
【作者单位】广州高澜节能技术股份有限公司, 广东广州 510663;广州高澜节能技术股份有限公司, 广东广州 510663
【正文语种】中文
西北地区某项目水冷系统由内冷水循环系统和外冷水循环系统两部分构成，内冷水循环系统以恒定压力和流量的冷却水流经板式换热器进行热交换，冷却水降温后再进入被冷却器件，与被冷却器件进行热交换，带走热量，温升水回至主循环泵的进口。

外冷取工业用水池，自然散热作为开式冷却循环系统。

为适应大功率电力电子设备在高电压条件下的使用要求，防止在高电压环境下产生漏电流，内冷水要求具备极低的电导率。

因此在内冷水循环系统中设计了去离子水处理回路。

预设一定流量的冷却水流经离子交换器，不断净化管路中可能析出的离子，保证内冷水水质满足使用要求。

水冷系统设计参数：
内冷水：纯水，流量：9 m3/h，pH：6～9，DD：≤0.3 μs/cm，进水温度：
≤45 ℃，出水温度：≤53 ℃，系统压力：4～6 bar。

外冷水：工业用水，流量：10 m3/h，进水温度：≤35 ℃，系统压力：0.2～0.4 MPa。

该项目经过不到半年时间的运行，外循环水冷系统不锈钢管道出现多处不同程度的腐蚀穿孔漏水问题，为电力设备的正常的运行带来巨大安全隐患，同时也造成了很大的经济损失。

1 失效分析方法
利用现场提供的工业用水和漏水失效的304不锈钢管道切片取样进行失效分析，
利用离子色谱对水样进行成分分析，通过观察管道样品的整体外观，漏点及周边情况，确认304材质化学元素含量，分析腐蚀产物及管道附着物的化学元素，进一
步分析腐蚀起始侧、泄露性质及机理，综合分析样品失效的原因并提出后期的改进办法。

1.1 外观分析
图1 水冷系统工艺图
经对失效样品的全面外观检查，失效样品仅外循环主管道发生泄露，泄露位置均在焊缝附近且靠一侧圆周。

泄露位置可见一些红褐色锈迹。

将外循环主管道沿纵向对半剖开后进一步观察，管内壁整体呈黑褐色，泄露点均离焊缝较近但却未在焊缝上，泄露点处可见大量红褐色锈斑及一些腐蚀坑。

除泄露点外，焊缝附近其他位置也存
在不同程度的腐蚀特征。

根据以上特征，基本可以确认泄露是由于腐蚀所致，且腐蚀源于内壁。

对外循环主管道内壁各典型位置用浸润无水乙醇的棉花进行擦拭，擦拭后的管内壁均呈光亮金属色，可见拉丝纹，这说明管内壁发黑是由于表面附着一层深色污垢所致，管基材并未出现明显腐蚀。

内循环主管道内壁呈光亮金属色，可见拉丝纹。

1.2 工业用水水质分析
图2 管道内外表面对比
表1 外冷水成分分析序号项目浓度/（mg/L）1钠离子 1875.1 2镁离子 10.3 3铝离子 28.0 4钾离子 28.5 5钙离子 10.5 6亚硝酸根离子 N.D.7硝酸根离子
N.D.8磷酸根离子 N.D.9硫酸根离子 405 10 氯离子 2127 11 pH 8.29
从表1中可以明显看出，外冷水中含有大量的碱金属阳离子以及对不锈钢就有强烈腐蚀特性的氯离子和硫酸根离子。

曲秀华研究指出：冷却水中如果不含氯离子，硫酸根对点蚀影响微小，如果存在氯离子，硫酸根则明显抑制氯离子的吸附[2]，减小了304不锈钢的腐蚀敏感性。

而氯离子浓度一定时，氯离子与硫酸根离子的质量比越小，304不锈钢的耐腐蚀性越强。

304不锈钢在低硬度循环冷却水中点腐蚀更具敏感性，冷却水温度与点蚀敏感性呈正相关。

1.3 管壁污垢成分分析
图3 管壁污垢能谱图
表2 管壁污垢成分/%谱图 C O Na Mg Al Si P S Cl K Ca Ti Cr Fe 合计1 11.26 55.64 1.52 0.54 7.93 15.33 0.17 0.17 0.49 0.69 1.03 0.31 0.32 4.59 100 2 9.59 49.68 1.34 0.52 7.31 15.18 0.14 0.18 0.78 0.83 1.40 0.42 3.21 9.42 100
1.4 管道成分分析
表3 外冷管道材质分析序号项目失效样品 SUS304 备注1 碳（C） 0.0396
≤0.08 合格2 硅（Si）0.3771 ≤1.00 合格3 铬（Cr） 18.62 18.00～20.00 合格
4 锰（Mn）1.048 ≤2.00 合格
5 镍（Ni） 8.020 8.00～11.00 合格
6 磷（P）
0.0378 ≤0.045 合格7 硫（S）0.0034 ≤0.030 合格8 铁（Fe）基材余量合格
从表3可以明显看出，失效的304不锈钢管道符合标准牌号的要求。

1.5 管道漏点形貌分析
将泄露点及其周边切取成小块，通过无水乙醇超声将内壁表面的附着物去除后对泄露点位置进行观察。

（可能会将大部分腐蚀产物及一些可溶性元素去除，但是不去除附着物，无法观察到实际腐蚀情况）。

管内壁泄露点周边可见大量红褐色锈迹，但均可以较轻松地刮除，刮除后的表面呈金属色，说明锈迹仅仅是附着在表面，基材未发生严重腐蚀/锈蚀。

在泄露点侧整个圆周及焊缝另一侧类似距离的整个圆周
上均可见不同程度的腐蚀带。

对泄露点位置进一步光学放大观察，管内壁泄露点位置可见一些深度较深、尺寸较大的点蚀坑，还可见大量深度较浅、尺寸较小的点蚀坑；管外壁仅可见单一的较大尺寸的、呈灰黑色的腐蚀坑。

因此可以进一步确认主管道是由于源自内壁的点蚀穿孔导致的泄露。

进一步SEM放大观察，较深点蚀坑主要呈皮下型，腐蚀坑的垂直度较高或外窄内宽，腐蚀坑内腐蚀产物呈泥纹花样状，腐蚀产物存在大面积掉落，腐蚀产物掉落位置，整体较平坦，可见明显的晶界特征；较浅、尺寸较小的点蚀坑呈椭圆形，内部可见大量腐蚀产物。

管内壁正常位置附着的污垢去除后，表面仅存在轻微的晶间腐蚀，表面的拉丝痕迹仍然清晰可见。

图4 泄露点内/外表面光学放大形貌
1.6 泄漏点能谱分析
腐蚀坑内的腐蚀产物中除氧元素外，还含有大量磷及硫元素。

管内壁正常位置并未发生明显腐蚀。

未过水及无水乙醇的管内壁上刮下的污垢除包含大量氧及少量磷，硫元素外，还含有一定量的轻金属元素：钠，镁，铝，硅，钾，钙及容易导致不锈钢发生点蚀的氯元素。

腐蚀产物的扫描电镜照片和能谱图（Mass%）：
图5 腐蚀点能谱图
表4 腐蚀点能谱分析/%谱图 C O Mg Al Si P S Ca Cr Mn Fe Ni 总的1 5.31
38.12 0.45 0.27 0.83 8.83 1.38 3.68 13.93 / 25.18 2.02 100 2 5.92 39.52 0.54 0.33 0.74 8.58 2.23 3.62 16.41 / 20.40 1.71 100 3 1.24 5.49 / / 0.44 0.49 / / 18.95 0.88 64.98 7.52 100
1.7 金相分析
经对泄露点位置的截面金相观察，腐蚀坑呈典型的点蚀特征，为皮下型凹坑，外窄内宽，坑底较圆滑。

焊缝熔合线附近的热影响区温度超过固溶温度，晶粒明显长大，再往远处未超过固溶温度的区域金相组织无明显变化。

泄露位置与正常位置金相组织无明显差异，均为奥氏体+少量δ铁素体。

管内壁正常位置表面附着一层污垢，基材未见明显腐蚀。

图6 泄露点界面低倍金相形貌
水冷系统用304不锈钢焊接接头在电焊过程中受到热、力、温度的综合影响，不
同位置微观组织发生了差异性变化，导致了不同区域存在不同的电化学腐蚀活性[3]。

母材耐腐蚀性均良好，焊缝区域次之，热影响区域由于承受大量热量的影响，金相组织晶粒长大，大小不规则，耐腐蚀性明显下降，尤其是焊缝周边热影响区因α铁素体的析出，导致晶界贫铬[4]，导致发生最强烈的腐蚀。

1.8 硬度分析
失效样品泄露位置硬度稍稍低于正常位置，应是焊接受热所致。

维氏硬度测试结果（HV1）
表5 硬度对比测试位置 1 2 3 平均值泄露位置 191.3 193.2 190.7 191.7正常位置194.5 195.4 196.3 195.4
2 分析与讨论
（1）外循环主管道的材质及金相组织均正常。

（2）首先，从失效样品外观来看，内、外循环主管道外壁表面均主要呈金属色，仅泄露点位置可见一些锈迹。

外循环主管道内壁整体呈黑褐色，泄露点位置可见大量锈迹及一定数量腐蚀坑；内循环主管道内壁整体仍呈光亮金属色。

内、外循环主管道的材料及加工工艺均相同，外部环境相同，仅内部流通的冷却水存在差异（内循环冷却为纯水，外循环冷却水为工业用水，水质不稳定），由此已经可以确认是由于外冷水导致的不锈钢管道腐蚀穿孔泄露。

（3）其次，由泄露点腐蚀坑的表面形貌及截面形貌特征可知，穿孔及腐蚀坑为典型的点蚀，腐蚀产物中含有大量的磷、硫元素。

另外，管内壁表面整体附着一层污垢，污垢中含有一定量的金属元素，及一些氯、磷、硫等腐蚀性元素；通过对冷却水的成分分析，内部含有大量金属离子及硫酸根及氯离子，这些污垢及冷却水的成分均表明，外循环主管道内流通的冷却水具有电解质液的特征，且存在一些腐蚀性元素，长期接触会使得金属发生腐蚀。

（4）由泄露点及腐蚀坑的分布规律可知，腐蚀基本位于焊缝附近但又未在焊缝上，管内壁其他位置表面仅附着一层污垢，无明显腐蚀。

根据焊接热量的分布情况及304不锈钢材料的特征，分析认为，这是由于焊缝附近由于焊接热量的影响产生
敏化现象，导致该区域的耐蚀性下降，因此在外界不良环境的影响下易于发生腐蚀。

综合以上几点，失效产品外循环主管道由于内部环境恶劣，加上焊接过程中局部区域受热敏化，从而发生点蚀穿孔。

3 改进措施
3.1 焊接工艺改进
为降低电焊对不锈钢晶粒的热力影响以及焊接接头耐蚀性能的下降，一般采取以下几种方法进行改善：（1）选用小的热输入焊接参数和较小直径的焊接材料。

（2）利用窄焊缝技术和快速拉焊的方式进行多层多道焊。

不可以在焊接时进行摆动施焊[5]。

（3）在多层焊时，还要严格控制层间温度在150℃上下，容易进行焊接。

（4）对焊缝进行强制冷却，通氩冷却或通水冷却、加铜垫板等，通过减少焊头的高温脆化和475℃脆性，用以减少焊接接头的热影响区过热。

3.2 工业用水改进
为降低工业水对不锈钢管道的腐蚀，一般采用的絮凝+沉淀+过滤+精处理除盐的
水处理工艺，对冷却水进行深度除盐处理[6]，直至满足工业循环冷却水设计规范
或设计要求；如果难以实现工业水的深度处理，则通过试验的方法研究[7]，投加
一定量的合适的缓蚀阻垢剂用来降低和延缓冷却水对管道的腐蚀。

【相关文献】
[1] 窦晓英.工业水处理及实例精选[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2] 曲秀华.304不锈钢在含氯离子循环冷却水中腐蚀敏感性的影响[D].北京：北京化工大学，2008.
[3] 樊栋，邢燕江，王海英，等.高铁车体结构不锈钢焊接接头的腐蚀行为[J].材料保护， 2016，
49（6）：73-75.
[4] 姜爱华，陈亮，丁毅，等.焊接工艺对304不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响[J].铸造技术，2012，33（9）：1097-1098.
[5] 张安明.不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 [D].兰州：兰州理工大学，2011.
[6] 张琴.宁夏农村饮水安全水质净化工艺选择及技术研究[D].银川：宁夏大学，2014.
[27 王荣.火电厂循环冷却水阻垢缓蚀的试验分析与应用研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2010.。