SUS304不锈钢换热管内壁缺陷形成原因分析及检测措施

SUS304不锈钢换热管内壁缺陷形成原因分析及检测措施

房菲李鑫夏玉娟张喆

中国核电工程有限公司北京100840

摘要：采用OM，SEM，XRD研究了SUS304不锈钢钢管内壁腐蚀缺陷的形成原因，结果表明：酸性环境下换热管内壁Cl-离子富集是导致腐蚀产生的根本原因，Fe在氧气氛围下与Cl-离子发生电化学反应形成腐蚀形貌。φ16×1SUS304不锈钢管内壁腐蚀面呈溃疡状和腐蚀孔直径约为3～4mm、深度约为0.15mm，其主要由单质Fe相、FeCr合金相，（Cr，Fe）2O3、NiCr2O4、Fe2O3的氧化物和FeCl2的铁的氯化物组成。换热管使用前进行内窥镜检测，换热器水压后对换热管进行通塞检查，提高检测标准可有效保证换热器质量。

关键词：SUS304不锈钢；换热管；腐蚀

引言

SUS304不锈钢钢管因其具有良好的热塑性、焊接性、耐腐蚀性、组织稳定性、导热性及经济性，广泛用于制造锅炉用过热器、再热器、蒸汽管道及石油化工和核电热交换器中[1]。在核电系统中，热交换器设备占据着很大的比例，而换热管质量是决定热交换器质量的关键因素。目前，换热器失效的原因主要是在使用介质中换热管、焊接部位的腐蚀失效[2-3]。某核电站用换热器于水压结束后发现换热管内壁存在凹坑缺陷，导致换热管更换，影响设备工期及核电站的调试。本文以该批换热管为研究对象，采用金相显微镜、扫面电镜和X射线衍射仪等方法分析其内壁腐蚀缺陷形成原因，为后续换热器用换热管的制造、检验等提供参考依据。

1材料及方法

材料为φ16×1mm的SUS304不锈钢无缝钢管，其成分为（wt%）：0.016C、0.002S、0.021P、1.52Mn、0.28Si、18.27Cr、10.20Ni、Fe余量。

对不锈钢管采用纵剖后，通过光学显微镜观察钢管内壁显微组织。采用扫描电镜观察内壁表面及内壁腐蚀孔形貌，分析内壁表面及凹坑元素分布，采用X-射线衍射仪分析内壁腐蚀孔成分。

2结果

图1为SUS304不锈钢管内壁形貌，由图1（a）不锈钢纵剖面图可知，该不锈钢内壁失去金属光泽、锈蚀严重，管内局部出现黄褐色疏松和不连续的腐蚀层，腐蚀层处表面粗糙、凹凸不平、呈溃疡状，存在大量腐蚀孔（见图1（b）、（c））。对黄褐色疏松和腐蚀孔处进行pH值测量，其值约4.5～5.0，为酸性环境。对腐蚀孔尺寸进行测量，其直径d约为0.3～0.4mm的蚀孔。同时，对图1（c）处腐蚀孔进行A-剖面观察腐蚀孔深度，如图1（d）所示。可知，不锈钢钢管壁厚约为1.14mm，腐蚀坑深度L约为0.15mm，腐蚀孔内壁凹凸不平。

图2为SUS304不锈钢管腐蚀孔形貌和成分。由图2（a）可知，内壁呈现局部腐蚀孔状特征，对腐蚀孔进行X射线衍射分析，结果如图2（b）所示。可知，内壁腐蚀面处组织成分主要有Fe相、FeCr合金相、（Cr，Fe）2O3、NiCr2O4、Fe2O3和FeCl2相组成。

图1φ16×1SUS304不锈钢钢管内壁形貌

（a）纵剖面内壁宏观形貌；（b）（c）内壁、腐蚀孔形貌；（d）A-A截面腐蚀孔形貌

3讨论

3.1SUS304不锈钢换热管内壁缺陷形成原因分析

由图2可知，内壁腐蚀面和孔主要成分为铁的氧化物和氯化物，其反应如下[4]：

Fe+2HCl=FeCl2+H2

Fe2+→FeO，Fe3O4?2H2O，Fe2O3

由于环境中Cl-离子的影响，使得Fe2+不能形成钝化膜，从而形成铁的氧化物锈蚀，且该锈蚀呈现疏松片层。同时，Cl-离子的存在导致不锈钢的自腐蚀电位和腐蚀电流下降，易发生点蚀，形成点蚀孔，如图1所示。

不锈钢表面钝化膜损坏或存在粘附杂质时，抗Cl-氯离子能力较差，该区域常作为阳极区首先遭受腐蚀，且在Cl-氯离子的作用下，不锈钢表面的钝化膜易受到破坏且无法及时修复。可见，Cl-氯离子的存在破坏了不锈钢表面的钝化膜，从而导致不锈钢内壁出现锈蚀孔，且由于生成的金属氯化物的水解，结果导致局部pH值下降，进而促进了不锈钢的腐蚀。

图2φ16×1SUS304不锈钢管腐蚀孔成分（a）腐蚀孔形貌；（b）腐蚀孔成分

3.2换热管缺陷检测措施

该不锈钢钢管在生产过程中虽进行了在线UT检测，但其存在局限性，点孔状腐蚀坑无法准确检测。目前对于设备水压后奥氏体不锈钢换热管，非可见表面的检测标准为：通塞检查，即对小直径管子，用棉纱代替白布并在干净无油的压缩空气推动下穿过管子。清洁度等级A22设备的检查准则为白布应干净无污点，不允许存在因氧化物、油或外来物引起的污迹。清洁度等级B设备的检查准则为白布上有因氧化引起的锈斑，不允许有油或外来物引起的污迹。考虑到设备完工或引入核电站后，若因换热管质量问题而重新更换对于设备制造工期及厂房的破坏影响较大。因此，建议对清洁度等级B以上换热器，换热管使用前对其进行内窥镜检查，以防止换热管生产过程遗留物导致换热管内壁形成的腐蚀坑。同时，设备水压后，对清洁度等级B换热器进行通塞检查，检测标准建议与清洁度A22级设备相同。

4结论

4.1该批钢管内壁存在直径约为3～4mm、深度约为0.15mm的腐蚀孔。锈蚀主要由单质Fe相、FeCr合金相，（Cr，Fe）2O3、NiCr2O4、Fe2O3的铁的氧化物和FeCl2组成。

4.2换热管使用前进行内窥镜检测，换热器水压后对换热管进行通塞检查，检测标准均提高至白布应干净无污点，不允许存在因氧化物、油或外来物引起的污迹。可有效保证换热器质量。

参考文献

[1]孙泓.我国凝汽器换热管材料的发展趋势[J].电站辅机，2009，30（2）：1-4

[2]马龙翔.冷凝管的腐蚀及防腐[J].沈阳电力高等专科学校学报，2004，6（4）：9-11

[3]宋文明，杨贵荣，郭志军，等.固定管板换热器管板泄露失效分析[J].材料热处理学报，2014，35（12）：107-113

[4]A?约翰?赛德莱克斯著.不锈钢的腐蚀[M].北京：机械工业出版社，1986