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换热器腐蚀失效分析

文档作者：荆洪阳１２尚进１２徐连勇１２韩永典１２文档来源：１．天津大学材料科学与工程学院２．天津市现代连接技术重点试验室，		点击数：	更新时间： 2025年08月25日
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第３ ７ 卷第９ 期
２ ０ １ ６ 年９ 月
焊 接 学 报
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．９
Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１６
收稿日期： ２０１４ -１０ -２２
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（５１４７５３２６）
换热器腐蚀失效分析
荆洪阳１，２， 尚 进１，２， 徐连勇１，２， 韩永典１，２
（１．天津大学材料科学与工程学院，天津 ３００３５０； ２．天津市现代连接技术重点试验室，天津 ３００３５０）
摘 要： 在换热器定期检查的过程中，发现在换热器表面出现明显的缺口，从而导致换热器失效，为了研究换热器
失效的原因，并防止此类事件再次发生，故采用金相分析、ＳＥＭ 和电化学方法对产生腐蚀穿孔的换热器Ｅ-７１５ 管板
焊缝进行失效分析，研究了其腐蚀机理．结果表明，换热器腐蚀穿孔是由于电化学腐蚀造成的，焊缝电极电位较低，
母材电极电位较高，在服役介质中形成原电池，对焊缝造成腐蚀，并最终穿孔．同时管程介质为烃类，碳含量较高，
管体表面产生了渗碳．
关键词： 腐蚀穿孔； 电化学； 渗碳
中图分类号： ＴＧ ４０１ 文献标识码： Ａ 文章编号： ０２５３ -３６０Ｘ（２０１６）０９ -０００１ -０４
０ 序 言
在各种换热器中，钢制管壳式换热器以其结构
坚固、可靠性高、适应性强等优点在换热器的生产和
使用中占据主导地位．管壳式换热器在食品、化工
和制药等领域广泛应用．但是由于其结构的复杂性
和使用条件的多样性，换热器常出现多种形式的失
效．据报道，换热器９０％的失效形式为腐蚀［１，２］ ．
国内换热器多采用焊接形式，管子与管板之间
存在间隙，壳程介质进入到间隙死角中，就会形成缝
隙腐蚀．缝隙腐蚀与介质在这些部位的滞留有
关［３］ ．主要通过宏观、微观和电化学检测方法，对由
于腐蚀产生的穿孔失效的换热器的腐蚀机理进行分
析，对比分析焊接接头各区域的耐腐蚀性，对后续的
焊接工艺的改进以提高换热器耐蚀性提供理论依据．
此次失效的换热器为Ｖ-ＢＥＭ 立式（固定管板换
热器），壳层介质为中压蒸气，操作温度为１８４ ℃，压
力１．０ ＭＰａ．管程介质为烃（Ｃ５ ～Ｃ９），操作温度为
１２１ ℃，压力０．１４ ＭＰａ．换热器材质：管体材料
１６ＭｎＲ，换热管材质１０ 号钢，管子与管板连接形式：
强度焊＋贴胀．
１ 试验方法
对失效换热器穿孔处进行剖分，观察穿孔失效
的宏观形貌，然后在换热器其它接头部位取样，在
ＯＬＹＭＰＵＳ-ＧＸ５１ 型金相显微镜上对母材、热影响区
和焊缝进行观察宏观分析，焊缝、热影响区和母材的
腐蚀试剂均为４％硝酸酒精溶液．利用Ｓ-４０００Ｎ 型
场发射扫描电镜对腐蚀穿孔形貌进行观察并分析，
之后对腐蚀产物进行ＥＤＸ 和ＸＲＤ 检测．分别在接
头焊缝和母材处取样，取样尺寸２ ｍｍ ×３ ｍｍ，电化
学测试采用Ｇａｍｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ１０００ 电化学综合测试仪
及三电极体系，参比电极为饱和Ａｇ／ＡｇＣｌ 电极，辅助
电极为铂电极，极化曲线测试电位范围： -３００ ～５００
ｍＶ（ｖｓ．Ｅｏｃ），扫描速率为０．１６７ ｍＶ／ｍｉｎ，测试温度
２５ ℃ ±２ ℃．所用腐蚀介质采用水介质．
２ 试验结果与讨论
2．1 宏观形貌
该换热器在检修过程中，发现换热器发生穿孔，
造成大量蒸气泄露，无法继续使用．将缺口沿纵向
剖开．由图１ 可以看出，腐蚀在焊缝处发生，并不断
延伸，最终造成穿孔．
图1 穿孔腐蚀形貌
Fig.1 Morphology of corrosion perforation 万方数据
２ 焊 接 学 报 第３７ 卷 2．2 金相组织
换热器焊接接头及母材的显微组织如图２ 所
示，管材的组织为铁素体和珠光体，焊缝组织为典型
的魏氏体组织，含有少量的贝氏体，在热影响区则发
现了少量的渗碳颗粒．
图2 换热器焊接接头及母材金相组织
Fig.2 Microstructure of welding joint and parent metal for
heat exchanger
2．3 微观分析
利用场发射电子扫描电镜对腐蚀造成的穿孔进
行分析，可以看到穿孔处表面被腐蚀产物所覆盖，如
图３ 所示，腐蚀产物多呈现球状，聚集在表层［４］ ．能
谱分析结果见表１，可以看出，覆盖物中含有Ｆｅ，Ｃ 和
Ｏ 元素，Ｆｅ 元素减少，Ｃ 和Ｏ 含量增加，说明Ｆｅ 元素
发生了阳极溶解，Ｃ 和Ｏ 元素参与了腐蚀过程［５］ ．
图3 接头腐蚀穿孔形貌
Fig.3 Morphology of corrosion perforation for welding
joints
表1 覆盖物EDS 分析结果
Table 1 EDS analysis of coating
元素质量分数w（％） 原子分数a（％）
Ｆｅ ９２．７６ ７５．７９ Ｃ ３．７６ １４．２７ Ｏ ３．７９ ９．９４ 总量 １００ １００ ＸＲＤ 结果显示腐蚀膜的主要成分是Ｆｅ２ Ｏ３ ，ＦｅＯ
和Ｆｅ３ Ｃ７ ，腐蚀产物主要是Ｆｅ 元素在腐蚀介质环境
下和Ｃ，Ｏ 元素形成的化合物，与电化学腐蚀的推测
相吻合．
2．4 电化学分析
图４ 为换热器焊接接头母材和焊缝在腐蚀介质
中动电位极化曲线． 分析可得，焊缝和母材的自腐
蚀电位分别是-７３６ 和-７０７ ｍＶ，焊缝低于母材，说
明在焊接接头中焊缝易作为阳极而首先腐蚀，而母
材作为阴极受到保护．对极化曲线的Ｔａｆｅｌ 直线段
进行拟合，自腐蚀电流焊缝大于母材，分别是５０．３
和３４．３ μＡ／ｃｍ２ ，焊缝腐蚀比较严重，母材具有相对
较好的耐腐蚀性．综上所述，在相同的试验条件下，
焊缝的耐局部腐蚀性和耐全面腐蚀性都比较差，母
材在此方面性能比较优越［５，６］ ．
图4 焊接接头极化曲线
Fig.4 Polarization curve of welding joints 万方数据
第 ９ 期 荆洪阳， 等：换热器腐蚀失效分析 ３ 2．5 表层渗碳
根据金相分析和ＸＲＤ 的结果，对焊缝接头进行
粗磨、细磨、抛光和腐蚀后（腐蚀剂为４％硝酸酒精
溶液），利用Ｘｆｌａｓｈ ６０００ 型能谱仪对其进行ＥＤＸ 分
析，结果见于图５ 和表２，由结果可以看出在焊接接
头中出现碳化物夹杂，Ｃ 元素含量增加，Ｆｅ 元素含量
减少，换热器服役介质为烃类，在管壁上附着，并逐
渐发生表面渗碳，文献［７］说明碳夹杂处更容易产
生点蚀，造成局部腐蚀加速，降低基体耐蚀性．
图5 焊接接头SEM 形貌
Fig.5 SEM morphology for welding joinst
表2 夹杂物EDS 分析结果
Table 2 EDS analysis of inclusion
元素质量分数w（％） 原子分数a（％）
Ｆｅ ４３．３９ １６．８１ Ｃ １４．７８ ２６．６２ Ｏ ４１．８３ ５６．５７ 总量 １００ １００ 2．6 讨 论
换热器所用１６Ｍｎ 钢是一种低碳中锰钢，Ｍｎ 元
素含量在１．４％左右，根据ＥＤＳ 的结果，焊缝中Ｍｎ
元素含量比较低．根据文献［８］介绍， Ｍｎ 元素可以
提高基体的耐蚀性，表现在Ｍｎ 元素能够减少微电
偶腐蚀，阻碍阴极反应过程，抑制析氢反应．从极化
曲线的结果可以认为（图４）Ｍｎ 元素含量高的区域
腐蚀电流密度较Ｍｎ 元素含量低的要小，并且Ｍｎ 元
素的加入主要对阴极极化行为有明显影响．不同
Ｍｎ 元素含量对合金的阳极过程没有太大的影响；但
把合金的阴极极化曲线的Ｔａｆｅｌ 区反向延长交于电
位轴得到阴极反应过程的理想平衡电位时，发现焊
缝（Ｍｎ 元素含量较低）电位约为-５００ ｍＶ，母材
（Ｍｎ 元素含量较高）电位约为-３００ ｍＶ，可见Ｍｎ 元
素含量的不同，主要影响阴极析氢过程．Ｍｎ 元素含
量高的合金阴阳极区的电位差减小，降低合金的微
电偶腐蚀，因此阴极极化曲线分支向腐蚀速率小的
方向移动，阴极反应过程受到有效地抑制．因此锰
能有效提高母材的耐蚀性．
考虑到组织对耐蚀性的影响，焊缝组织为魏氏
体组织，焊缝由高温以较快的速度冷却时，先共析的
铁素体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶
内生长，呈针状析出，形成魏氏体组织．在光学显微
镜下可以观察到从奥氏体晶界上生长出来的铁素体
近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的
组织．先共析铁素体在奥氏体晶界上形核并长大，
奥氏体晶界是原子排列较为疏松晶粒内部更为活泼
的界面，因而与其相邻的渗碳体形成微小的原电池，
当奥氏体中铁素体晶界较多时，形成大阴极小阳极
的腐蚀状态，大大加速了腐蚀速率，导致先共析铁素
体被腐蚀［９，１０］ ．
综上所述，由于合金元素和显微组织上的差异
导致了１６Ｍｎ 钢焊接接头在耐腐蚀性能上的差异．
究其原因，钢的腐蚀过程本质上是一个电化学过程，
不同的组织影响着不同的腐蚀机理，这就引起了不
同区域的耐蚀性差异．在１６ Ｍｎ 合金中，合金元素
和组织对合金耐蚀性都发挥了作用．因此在选择合
适的焊接材料的同时也要制定更为合理的焊接工
艺，以保证焊接接头各项性能的提高．
３ 结 论
（１） 换热器腐蚀穿孔主要是由于电化学腐蚀造
成的．水蒸气在焊接接头流速缓慢，构成电化学腐
蚀环境．根据极化曲线和电化学阻抗的分析结果，
焊缝区域作为阳极首先被腐蚀，母材作为阴极得到
保护．（
２） 换热器在服役过程中发生表层渗碳，基体
发生晶格畸变，力学性能减弱．
（３） 改善焊接工艺，或采用焊后热处理，减少魏
氏体组织，提高焊缝组织和热影响区的耐腐蚀性．
（４） 定期检查维护清理，减少渗碳．
参考文献：
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Ａｎａｌｙｓｉｓ， ２０１１， １８（３）： ８９０ -８９４．
作者简介： 荆洪阳，男，１９６６ 年出生，博士，教授．主要从事焊接结
构可靠性评价方面的研究．发表论文２００ 余篇．Ｅｍａｉｌ： ｈｊｉｎｇ＠ｔｊｕ．
ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者： 韩永典，男，副教授．Ｅｍａｉｌ：ｈａｎｙｏｎｇｄｉａｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
万方数据

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