杨晓洁 李 明 张继斌 张勇亭 孙海勇 袁兴栋

（山东省产品质量监督检验研究院) （山东建筑大学材料科学与工程学院）

中央空调用钢管失效分析

杨晓洁*李 明 张继斌 张勇亭 孙海勇 袁兴栋

（山东省产品质量监督检验研究院) （山东建筑大学材料科学与工程学院）

研究了中央空调用钢管的失效。中央空调用钢管在安装使用一段时间后，出现泄漏。通过宏观检查、金相组织分析、化学成分检测、扫描电子显微镜及能谱分析等方法，分析了中央空调用钢管泄漏的机理和原因。结果表明，钢管泄漏的主要原因是氯离子吸附在钢管内表面形成点蚀核，并逐渐向深处扩展，最终在自催化作用下造成钢管被腐蚀穿透。

钢管 点腐蚀 失效分析 中央空调

0 前言

某中央空调用钢管在安装使用一段时间后，出现泄漏。该钢管材质为Q235B，表面经镀锌处理。

1 理化检验

1.1 宏观分析

泄漏钢管的实物形貌见图1(a)。钢管外壁直径42 mm，内壁直径36 mm，管壁厚3 mm。通过观察发现，蚀孔的尺寸长约2.5 mm，宽约1 mm，蚀孔附近无胀粗变形现象，见图1(b)。钢管内部有厚约15 mm的淤泥沉积，焊缝位于淤泥的下方，见图2。将钢管从纵向剖开，去除内部淤泥，发现钢管内壁泄漏点周围的氧化腐蚀现象很严重，由钢管内壁向外壁发展，直至蚀穿管壁而泄漏，而钢管外壁平整，无腐蚀现象。将钢管内壁清洗干净，发现焊缝及钢管基体内壁表面均存在腐蚀凹坑，大小不等、深浅不同，且主要集中在焊缝处，见图3。另外从钢管外壁观察泄漏部位，发现腐蚀穿孔只发生在焊缝处。

1.2 化学成分分析

对中央空调用钢管进行化学成分检测，结果见表1。由表1可知，该中央空调用钢管符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》标准中钢号为Q235B碳素结构钢的规定。这说明泄漏原因不是由于材料问题导致的。

1.3 金相检验

在钢管泄漏处横向及未泄漏处横、纵两个方向上分别截取试样，并依次标记为试样1、试样2和试样3。按GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》制备试样。试样经镶嵌、磨制、抛光后，在金相显微镜下观察，发现存在非金属夹杂物，见图4。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》标准，评定为硅酸盐类细系3级。

试样经4%硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜下观察。试样1因取自腐蚀穿孔处，只观察到部分热影响区，显微组织见图5。试样2的焊接接头由焊缝+热影响区组成，基体组织为F+P，组织正常，见图6。

图1 泄漏钢管的实物形貌

图2 钢管内沉积的淤泥

图3 钢管纵剖面

表1 钢管的化学成分 （%）

图4 试样3非金属夹杂物

图5 试样1显微组织

图6 试样2显微组织

1.4 扫描电镜及能谱检测

对焊缝腐蚀穿孔处及钢管基体内壁腐蚀处分别进行扫描电镜及能谱检测，发现蚀坑周围有氯和硫的富集。氯分别约为0.15%和0.20%，硫分别约为0.62%和0.79%，表明蚀坑周围含与氯相关的腐蚀产物，其能谱图见图7、图8。

图7 焊缝腐蚀穿孔处周围腐蚀物能谱图

图8 钢管基体内壁蚀坑周围腐蚀物能谱图

2 分析与讨论

2.1 腐蚀性质分析

通过对蚀孔宏观形貌的观察可知，蚀孔尺寸小且深，它在金属表面的分布，有些较分散 （如管壁处），有些较密集 （如焊缝处），孔口有腐蚀产物覆盖。依据文献 [1]中对金属发生点腐蚀时具有特征的描述，并结合扫描电镜及能谱检测结果，可知该钢管基体内壁及焊缝处发生的腐蚀穿孔现象其实质为点腐蚀。

2.2 腐蚀原因分析

由文献 [1]可知，尽管钢管腐蚀物中氯离子浓度较低，但在阳极极化条件下，介质中只要含有氯离子便可使金属发生点腐蚀。氯离子吸附在钢管表面，破坏了金属表面的钝化膜，达到发生点腐蚀的临界离子浓度后，形成点蚀核，蚀核继续长大形成蚀孔。此时蚀孔内的金属表面处于活态，电位较负，成为阳极；蚀孔外的金属表面处于钝态，电位较正，成为阴极。这样构成一个小阳极-大阴极的微电池，造成阳极电流密度很大，致使蚀孔很快加深。此外，锈层与淤泥在孔口沉积形成一个闭塞电池，蚀孔内、外物质交换困难，蚀孔内金属氯化物浓缩，蚀孔高速度深化，致使钢管蚀穿。

并不是所有的蚀孔都蚀穿钢管，因为蚀核形成后，该点仍具有再钝化的能力，再钝化阻力较小，蚀核就不再长大。由于焊缝处存在焊接应力，应力引起金属晶格的扭曲，降低了金属的电位，加速了腐蚀过程，所以蚀穿都发生在焊缝处。

另外，夹杂物的存在对钢材耐蚀性也会产生不利影响。从文献 [2]可知，钢中非金属夹杂物与基体的电极电位不同，在分界处会引起电化学腐蚀，造成点腐蚀多产生在夹杂物所在处。腐蚀产物中还发现S元素的富集。关于含硫离子对点腐蚀的影响，费志强[3]认为，Cl-和SO42-在有氧存在时将产生加速点腐蚀的倾向，其中SO42-的催化作用更显著。姜涛等[4]研究了含硫阴离子对低碳钢孔蚀的影响， 结果表明， CNS-、 SO32-、 SO42-、 S2O32-等离子促进碳钢孔蚀形核，而S2-、S2O32-、SO32-等离子促进小孔生长。

3 结论及改进措施

结论：

（1）氯离子吸附在钢管内表面形成点蚀核，并逐渐向深处扩展，最终在自催化作用下造成钢管被腐蚀穿透，发生泄漏。

（2）含硫离子和夹杂物的存在加速了点腐蚀倾向。

改进措施：

在金属表面施加涂覆层，采用阴极保护，或在腐蚀介质中加入少量缓蚀剂，是防止点腐蚀发生的有效措施。

致谢：

特别盛谢金属材料失效分析专家周英勤老师给予的悉心指导。

[1]魏宝明.金属腐蚀理论及应用 [M].北京:化学工业出版社,1984:148-151,214.

[2]机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验 [M].上海:上海科学普及出版社,2003:77.

[3]费志强.锅炉受热面管子腐蚀成因分析 [J].工业锅炉,

[4]2003(1):55-56.姜涛,左禹,熊金平.含S阴离子对低碳钢孔蚀的影响[J].腐蚀科学与防护技术,2001,13 (15):249-253.

Failure Analysis of Steel Pipe Used in Central Air Conditioning

Yang Xiaojie Li Ming Zhang Jibin Zhang Yongting Sun Haiyong Yuan Xingdong

In this paper,the failure of steel pipe used in central air conditioning was investigated.Leakage was observed in the pipeline during operation.Macroscopic analysis,metallurgical structure inspection,chemical composition analysis,scanning electron microscope (SEM)and energy dispersion spectrum (EDS)analysis were carried out to investigate the leakage mechanism and cause.The results revealed that the adsorption of chloride ion on the internal surface of steel pipe caused the nucleation of pitting.The corrosion cell leaded to deepening of the pitting.Finally,the self-catalyzed reaction leaded to the leakage failure of the steel pipe.

Steel pipe;Pitting corrosion;Failure analysis;Central air conditioning

TQ 050.9

*杨晓洁，女，1982年生，工程师，硕士。济南市，250100。

2011-08-08）