300MW汽轮机A小机B列管式冷油器铜管泄漏剖析
 

 某发电公司列管式冷油器铜管投运不久即发生大面积泄漏，给电厂安全经济运行带茶极大威胁。通过化学成分分析、宏观检査、渗透探伤和金相分析得出结论:此泄漏为应力腐蚀所致，并提出防止应力腐蚀的合理化建议。
1概述
某发电公司2号机于2015年1月29日投产,1号机于2015年5月2日投产。1、2号机列管式冷油器黄铜管在运行中经常泄漏，破坏抗燃油油质，造成极大的经济损失,更重要的是对电厂经济安全运行带来极大威胁。2016年2月1~5日，1号机调停中,将上汽厂原铜管列管式冷油器换为不锈钢管列管式冷油器。该列管式冷油器为开式循环水,长江水含盐量为183.30mg/L,水的流速为0.46m/so铜管设计材质为HSn70-lA,规格为x2060mm,根数为448根。经测量，铜管尺寸为＜M5.0xL02nun,符合要求。公司随机从1号机A小机B冷油机4根黄铜管(非后文提到的堵管)上抽样4段,每段长350mm,用作泄漏分析。
2化学成份分析
对4段铜管样进行编号，分别为1号、2号、3号、4号，对其进行化学成份分析，结果见表10
表1化学成份分析(Wt%)结果
编号7\ Fe Pb Sb Bi As Mn Cu Sn Ni Zn 杂质总和
1# 0.0062 0.0016 <0.001 <0.001 0.044 <0.001 61.17 不高 (38.5) 
2* 0.011 0.0016 <0.001 <0.001 0.041 <0.001 61.85 不高 (37.7) 
GB/T5231-2OO1
HSn70-lA 0.10 0.05 / / 0.03~0.06 / 69.0-71.0 0.8~1.3 0.5 紐 0.3
GB/T5231-2011
HSn62-l 0.10 0.10 / / ./ / 61.0T63.0 0.7~1.1 0.5 余量 0.3
GB/T5231-2011
H68 0.10 0.03 / / / / 67.0~70.0 / 0.5 余量 0.3
注:1.受分析仪器精度限制，分析单位对Sn的舍量没把握给准，在此仅作为参考。从定性角度讲，黄铜管中含Sn。括号中Zn含量为计算所得，而非化验结果。化验时遵照GB/T5231-1985,而新标准中没要求Sb、Bi、Mn。由表1可知,1号、2号铜管样成份基本符合锡黄铜HSn62-l,与设计材质HSn70-lA不符。
3渗透探伤检查和线切割内壁检查
对4段铜管样外壁进行着色渗透(PT)检査,3号管子外壁有一线状显示，经粗砂纸打磨消失，为浅表性裂纹。对4段铜管样线切割剖开，放大镜检查内壁,未见明显的腐蚀坑点和腐蚀产物，但内壁有断续轴向裂纹(约40~60mm不等)。
4金相试验
对1号、2号铜管取环形试样，用镶嵌机镶嵌后制样，发现其内壁均有沿晶腐蚀裂纹(见金相图片)，几乎整个周向都有，轻者1~2个晶粒深，重者7~8个晶粒深。为防止化学分析取样导致沿晶裂纹，对3号铜管(未做化验)再取环形试样，再镶嵌制样，检查结果与1号、2号样相同，由此可判定该黄铜管内壁确有沿晶腐蚀裂纹。3个试样管内壁侧均有一条易受腐蚀，可能与管内壁受循环水冲刷和预腐蚀有关。铜管显微组织为a单相固溶体，局部有李晶，是HSn62-l黄铜的正常组织,
晶粒度G=0.010~0.015级，符合该材料组织要求。详细试验结果叙述如下：
1号样，沿周向有内壁晶间微裂纹（图1）,微裂纹里有腐蚀产物渗入，管内壁受腐蚀较重，可能与管内壁受循环水冲刷和预腐蚀有关。
2号样，沿周向有内壁晶间微裂纹，微裂纹里有腐蚀产物渗入，图2表现出微裂纹已在局部连成孔洞，且有滑移线和变形流线,滑移线及变形流线均为黄铜管塑性变形的结果。a黄铜塑性很大。
3号样，沿周向有内壁晶间微裂纹（图3）,微裂纹里有腐蚀产物渗入，管内壁侧易受腐蚀，可能与管内壁受循环水冲刷、预腐蚀有关。
5管式冷油器原因分析
（1）黄铜有良好的机械性能和耐蚀性,容易铸造和压力加工，与紫铜和其它铜合金比较,价格低、重量轻、色泽美观，是应用非常广泛的有色合金。黄铜按成份分为简单黄铜和复杂黄铜。铜锌二元合金称简单黄铜，也叫普通黄铜;除了铜和锌之外,还含有少量其他元素的合金称为复杂黄铜或特殊黄铜，如含Sn称锡黄铜，含Al称铝黄铜。含Zn＞20%的黄铜管有内应力存在时，加上介质的浸蚀,时间一久便产生沿晶腐蚀裂纹,造成管子损坏,这种腐蚀破裂现象称为“应力腐蚀”。实验证明，在应力存在的情况下，水中存在O2.NH3.H2S等物质是造成腐蚀破裂的重要因素。从某发电公司的长江水质全分析报告知道,水中有NH；、酸根及Ct等（常规不化验O2.H2S等），而1号样含Zn量为38.5%,2号样含Zn量为37.7%,具备发生应力腐蚀的充要条件。
（2）应力腐蚀裂纹都是沿晶粒边界发生的,实验结果也说明这点，腐蚀疲劳裂纹则是穿晶的，所以该铜管泄漏非腐蚀疲劳。应力腐蚀裂纹沿晶是由其破坏机理决定的，与下列因素也不无联系:晶界上原子排列不规则，存在很多缺陷，杂质也多在这里集聚,因而易被腐蚀。
（3）Cu-Zn状态图如图4所示，是由五个包晶反应所构成的。Cu-Zn合金在固态下可形成六种相：a、B、图4铜锌状态图a相是Zn溶解于Cu中的固溶体，溶解度随温度下降而增加。在400Y左右时固溶体内有39%的Zn,但在平衡状态下温度低于400%：后，溶解度又略减小。工业用黄铜的含Zn量一般均小于45%~47%。根据Cu-Zn状态图，可知，其显微组织是由a相或（a+P）相组成的。a相的晶格与纯铜一样，亦为面心立方晶格，塑性良好，适用冷热压力加工。实践证明，a单相黄铜比（a+。）二相黄铜的耐蚀性好。这是因为a黄铜是单相固溶体，在介质中电化学作用较缓慢。从金相试验的结果可知，某发电公司管式冷油器铜管的显微组织是带挛晶的a?相,所以其显微组织是理想的。
（4）据某发电公司介绍，该厂1号、2号机组共堵管154根,1号机64根,2号机90根。在运行一年左右的时间里，黄铜管泄漏数量之巨令人震惊。有资料介绍,水的含盐量＜2010mg/L时，视为淡水。含盐量＜400mg/L的江河水，当管内流速＜2m/s时,可选用H68普通黄铜。从概述中可知，某发电公司的列管式冷油器循环水符合这个条件，应该可选用H68黄铜管。但为何该厂列管式冷油器铜管在运行不到一年（2号机）或一年多（1号机）的时间内发生大量泄漏呢？这显然与含Zn量关系甚密,H68含Zn量约为30.0%,HSn62-l含Zn量约为37.2%。含Zn量愈高，应力腐蚀倾向愈大。所以可用普通黄铜H68的场合,选用海军黄铜HSn62-l,依然会很快发生应力腐蚀。海军黄铜HSn70-lA含Zn量约为27.9%,所以,其耐应力腐蚀的能力远强于HSn62-l。故该厂管式冷油器铜管材质用错,导致铜管大量泄漏，造成极大的经济损失。
（5）H68的冷热塑性都很好，价格便宜，但有应力腐蚀倾向，在氨溶液和蒸汽作用下尤其明显，而且脱锌腐蚀较严重。从脱锌角度考虑，加0.02%~0.05%的呻就能抑制黄铜脱Zn,且HSn62-l耐应力腐蚀能力过差，因此,推荐使用原设计材质HSn70-lAo加Sn可以防止脱Zn,提高铜管的耐腐蚀性，但作用不及As好，含Sn黄铜价格较贵，仍有应力腐蚀倾向。所以，即使使用HSn70-lA黄铜管，也要注意防腐保护。
（6）对某发电公司长江水的化验结果进行取证,2015年俊根离子浓度大值为0.76（四季度）,小值为0.40（一季度）。因为循环水中含NHZ、C1-等,所以黄铜管有应力腐蚀破坏的可能。
（7）金相随机检验三只黄铜管样，内壁100%晶间微裂纹，且几乎整个周向都有,有的地方已连成孔洞。因而推断，某发电公司列管式冷油器黄铜管已全部发生应力腐蚀，只是腐蚀程度有异，非同时泄漏。
（8）火电厂用黄铜管在使用过程中经常发生腐蚀和破裂。腐蚀形式有均匀腐蚀和局部腐蚀。发生均匀腐蚀时，黄铜极缓慢地溶解，铜管的使用寿命较长。对铜管来说，主要危险是局部腐蚀,常遇到的局部腐蚀有:脱锌腐蚀、冲击腐蚀、沉积腐蚀、应力腐蚀。在以上四种腐蚀形式中，脱锌腐蚀是常见的。脱锌腐蚀与应力腐蚀微观特征有许多相似之处,且含Zn量大于30%时，在酸性或盐类溶液中易发生脱锌腐蚀，但该黄铜管破坏不是脱锌腐蚀。这是为什么呢?从前面的金相分析可知，该黄铜管显微组织为挛晶a单相固溶体,有资料介绍，a黄铜的“脱锌”问题可用加入少量As（0.02%~0.06%）防止，从表1可知，1号、2号样含As量均在0.02%~0.06%范围内，因而该厂列管式冷油器铜管不会发生脱锌腐蚀,而且线切割内壁检査也未发现腐蚀坑点和腐蚀产物,这也就证明了该黄铜管泄漏为应力腐蚀所致。
6管式冷油器结论及建议
（1）该黄铜管泄漏原因为应力腐蚀破裂。与黄铜管中存在内应力及工作应力，与介质中有NH/、氯化物等密切相关。应力腐蚀裂纹为沿晶界的网络状裂纹，使金属强度大大下降。如构件承受不了工作应力，将会造成突发性破坏事故。
（2）管式冷油器设计材质为HSn70-lA,而实际材质为HSn62-l,耐应力腐蚀能力大大降低，所以投运不久即发生应力腐蚀泄漏。
（3）根据1号机黄铜管的分析结果及1号、2号机的堵管情况介绍推测,1号、2号机列管式冷油器黄铜管发生了100%应力腐蚀。
（4）对循环水质加强监督，严格控制循环水中NH4\C1-和。2、成浓度。
（5）新管使用时，重要的一点是先使管子表面生成良好的保护膜。一个是自然形成，即让清洁的循环水与铜管接触，让其自然形成;二是人工造膜，即将冷却水进行硫酸亚铁处理。
（6）新购置的黄铜管在安装前应进行压扁试验、扩口试验及检查内应力试验,若有残余应力，应进行退火消除应力：400乞采用蒸汽退火15分钟，或内表面镀锌保护;使用前检查其质保书和理化分析报告，必要时进行成份分析和金相检验。
（7）管式冷油器停用时，应尽量将管内的水排净。