摘 要:采用體視顯微鏡、金相顯微鏡、電子探針等分析測試方法對腐蝕穿孔失效的 BFe10-1.6-1 銅鎳合金管進行失效分析。結果表明:失效管的內壁存在不同程度的劃痕,且腐蝕坑內壁顯微組織 呈現(xiàn)“波紋”狀,符合海水沖刷腐蝕的特征;腐蝕區(qū)的顯微組織呈現(xiàn)“冰糖塊”狀,符合晶間腐蝕的特 征;腐蝕坑內的泥沙沉積致使管道發(fā)生點蝕。結合船用銅鎳合金管的使用工況,確認該失效管腐蝕 穿孔失效的主要原因是海水沖刷腐蝕、晶間腐蝕及點蝕。

關鍵詞:銅鎳合金;腐蝕穿孔;沖刷腐蝕;晶間腐蝕;點蝕

中圖分類號:TG172.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)02-0053-05

船舶海水冷卻系統(tǒng)起著消防、換熱、冷卻等作 用,其長期傳輸海水,必然會發(fā)生海水腐蝕問題[1-2]。 隨著金屬材料的不斷發(fā)展,海水冷卻系統(tǒng)管道也從 黃銅管和不銹鋼管發(fā)展到目前廣泛使用的銅鎳合金 管,因其具有良好的耐腐蝕性能。

目前國內多家造船廠反饋,船舶海水冷卻系統(tǒng) 使用的 BFe10-1.6-1銅鎳合金管的耐蝕性不穩(wěn)定, 交付使用的多艘船舶銅鎳合金管發(fā)生嚴重腐蝕現(xiàn) 象,這類問題主要出現(xiàn)在船舶各處的海水管路中,包 括消防管路、機電設備海水冷卻管路、船底疏排水管 路等。這些管路一旦發(fā)生腐蝕,就會威脅整船的安 全[3]。

目前,國內外學者對銅鎳合金的腐蝕問題研究 較多[4-8],但都主要集中在浸泡腐蝕條件下分析其腐 蝕機理。銅鎳合金耐腐蝕性能的影響因素很多,其 微觀結構與耐蝕性之間的關系、影響銅鎳合金管耐 腐蝕性能的因素及其影響規(guī)律還有待研究[9-11]。通過失效分析找到銅鎳合金管材腐蝕失效的原因及機 理,不僅對解決行業(yè)內普遍存在的銅鎳合金管海水 管路的腐蝕問題具有重要意義。筆者采用體視顯微 鏡、金相顯微鏡、電子探針等分析測試方法對腐蝕穿 孔失 效 的 BFe10-1.6-1銅 鎳 合 金 管 道 進 行 失 效 分 析,得到船用銅鎳合金管材腐蝕失效的原因,并對其 腐蝕機理進行了研究。

穿孔銅鎳合金管宏觀形貌如圖1所示,其牌號 為 BFe10-1.6-1,直徑為45mm,壁厚為1.5mm,其 成型工藝為鑄料擠壓成型,失效管路為船機艙板式 冷卻器進出口管。

為了便于檢查管道內壁的腐蝕情況,將該穿孔 管樣品剖開,發(fā)現(xiàn)在管道內壁有明顯的腐蝕坑(見 圖2,圖中 A,B,C為剖開面)。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

從管道的管體上截取塊狀樣品,使用等離子體發(fā) 射光譜儀對穿孔管進行化學成分分析,結果如表1所 示。可見該試樣的化學成分符合標準 GB/T26291— 2010《艦船用銅鎳合金無縫管》的技術要求。

1.2 拉伸性能試驗

在穿孔管上沿縱向截取全壁厚拉伸試樣,并進 行室 溫 拉 伸 試 驗,試 樣 寬 度 為 12 mm,標 距 為 50mm,試驗結果如表2所示?？梢娫摯┛坠艿睦?伸性能符合 GB/T26291—2010 《艦船用銅鎳合金 無縫管》標準的技術要求。

1.3 低倍宏觀形貌

采用體視顯微鏡對圖2d)中方框標記的腐蝕坑 及其周邊區(qū)域進行宏觀形貌觀察,結果如圖3所示。由圖3可知,在穿孔管內壁的腐蝕坑及其周邊光滑 區(qū) 域 均 存 在 不 同 程 度 的 劃 痕,劃 痕 寬 度 約 為 200mm,劃痕方向為管道的軸向,該劃痕可能是管 道中的泥沙對管道沖刷造成的。由圖3可知,管道 內壁存在紅綠相間的腐蝕產物,該腐蝕產物的成分 將通過電子探針進行測定。

1.4 金相檢驗

在穿孔管上沿橫向和縱向切取金相樣品[見圖 2a)的A,B,C 面],經研磨和拋光后,用腐蝕劑腐 蝕,然后對其金相組織進行觀察,結果如圖4~6所 示。由圖4可知,腐蝕管內壁為α單相再結晶組織, 且其晶粒度具有顯著的不均勻性,組織中的晶界處 沒有明顯的夾雜物。同時,發(fā)現(xiàn)其金相組織內存在 大量加工變形條紋組織,且越靠近內壁,變形條紋越 加明顯。尤其是圖5a)中顯微組織形貌非常符合沖 刷腐蝕機 理 中 的 “擠 出-鍛 打”理 論[12]。該 理 論 認 為,試樣表層受“擠出-鍛打”形成形變金屬“小盤”, 其更容易受到機械損傷,在隨后的顆粒沖擊中更容 易脫落,形成腐蝕表面的小凹坑,導致材料磨損,進 而形成劃痕,這與體視顯微鏡的分析結果一致。

1.5 微觀分析

采用電子探針(EPMA)對圖2b)中光滑內壁區(qū) 的腐蝕產物、圖2c)中的腐蝕穿孔區(qū)和圖2d)中的腐 蝕坑區(qū)進行電子顯微形貌觀察和成分分析,結果如 圖7所示,可見穿孔管內表面被大量腐蝕產物覆蓋, 且分布較為疏松。

采用專用清洗劑對管內壁表面進行清洗后,對 上述相同 區(qū) 域 的 顯 微 組 織 形 貌 進 行 觀 察,結 果 如 圖8所示。由圖8可知,試樣的腐蝕穿孔區(qū)域及腐 蝕坑區(qū)域均有較為嚴重的活性溶解,并表現(xiàn)出晶間 腐蝕的特征,即“冰糖塊”狀的形貌,還存在因流動沖 刷腐蝕導致的方向性,呈現(xiàn)“波紋”狀,在該試樣的組 織結構中,晶界是其薄弱環(huán)節(jié),可以看到有部分“冰 糖塊”顆粒脫落,這種現(xiàn)象是由海水的沖刷作用造成的。管內壁光滑區(qū)域的腐蝕痕跡不明顯,在高倍顯 微鏡下觀察,其存在一定的沿晶界腐蝕特征,但尚處 于腐蝕的早期。

為了研究腐蝕產物及銅鎳合金管的成分,對圖 7,8中的各個區(qū)域進行能譜(EDS)分析,結果如表3 所示。由表3可知:區(qū)域1~3中含有大量的硅、氧、 碳元素,少量的氯、鉀、鈣等元素;區(qū)域4中含有較多 的鐵、氯、氧、銅等元素;區(qū)域5中則含有較多的氧、 銅元素;區(qū)域6~8的成分符合標準 GB/T26291— 2010《艦船用銅鎳合金無縫管》的技術要求。

2 綜合分析

理化性能測試結果表明,該銅鎳合金管的化學 成分和拉伸性能均符合標準 GB/T26291—2010的 技術要求,管體及腐蝕坑處的顯微組織沒有發(fā)現(xiàn)異 常,所以材料性能并不是此次失效事故的主要原因。

對于銅鎳合金管,在沒有泥沙沉積的情況下,在 溶解氧充足的海水中銅鎳合金表面很快生成 Cu2O 膜,其具有腐蝕防護作用[4]。雖然在海水沖刷下管道 會發(fā)生少量腐蝕,但在海水中氧充足的情況下,會不 斷生成新的保護膜,防止腐蝕的進一步加深。從管內 壁光滑區(qū)域的EDS分析可以看出,其有較多的氧、銅 元素,其生成的腐蝕產物是Cu2O,故其管內壁光滑區(qū) 域的腐蝕痕跡并不明顯,僅在高倍下能觀察到存在一 定的沿晶界腐蝕特征,尚處于腐蝕的早期階段,進一 步驗證了Cu2O膜對銅鎳合金的保護作用。

該銅鎳合金管的腐蝕穿孔失效主要是由海水沖 刷腐蝕、晶間腐蝕和點蝕共同造成的。其腐蝕破壞 過程為:在海水沖刷、腐蝕浸泡及泥沙顆粒的作用 下,銅鎳合金管的腐蝕產物保護