蒸發(fā)器銅管泄漏原因分析

(上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院， 上?！?00062)

某制冷設備有限公司一臺蒸發(fā)器銅管發(fā)生泄漏，導致中央空調(diào)系統(tǒng)停運。蒸發(fā)器用銅管規(guī)格(外徑×厚度)為?9.52 mm×0.45 mm，型號為LWC-060-18-20。蒸發(fā)器用銅管產(chǎn)品技術要求為，硬度大于40HV，晶粒度0.015～0.040 mm。銅管外圓光滑，內(nèi)壁布有齒形槽，槽深0.25 mm，材料牌號為C1220T(JIS H3300)。蒸發(fā)器運行時，銅管內(nèi)通氟利昂制冷劑，管外介質(zhì)為自來水，工作溫度為-10～80 ℃。設備運行過程中發(fā)現(xiàn)銅管泄漏，泄漏的銅管在拆卸過程中繼發(fā)斷裂。文中采用多種檢測手段對蒸發(fā)器銅管泄漏并發(fā)斷裂的原因進行了分析，并提出了相應的建議。

1　蒸發(fā)器銅管檢驗檢測

1.1　宏觀檢測

無縫銅管斷后形貌見圖1。兩匹配斷面呈螺旋狀發(fā)展，斷面局部有矩形起伏，周邊區(qū)域未見明顯的塑性變形現(xiàn)象，也未見有與開裂相關的宏觀機械損傷等缺陷。斷面有可見擦傷，管內(nèi)外表面均呈深褐色氧化形貌，內(nèi)表面可見螺旋狀齒形細槽。

圖1　無縫銅管斷裂形貌

1.2　理化檢驗

(1)化學成分分析在銅管本體取樣進行化學成分分析[1-3]，結果見表1。由表1可知，材料化學成分符合JIS H3300—2006《銅及銅合金無縫管》[4]中C1220T的相關技術條件。

表1　銅管化學成分(質(zhì)量分數(shù))　 %

(2)硬度測定對銅管進行維氏硬度測量，測得銅管上3個點的硬度分別為83HV0.1、 87HV0.1、 90 HV0.1，均符合技術要求。

1.3　金相組織分析

1.3.1近斷面縱向截面區(qū)域

銅管近斷面的縱向截面區(qū)域低倍下形貌見圖2。圖2中下側的外圓表面可見幾處凹坑， A凹坑邊緣有垂直表面的裂紋，B凹坑表面毛糙。圖2中上側的內(nèi)壁表面可見與外表凹坑相應的內(nèi)壁表層開裂現(xiàn)象，如C箭頭所指。圖2中右側的斷面平直，近外表弧形斜向分布。

圖2　銅管近斷面縱向截面低倍形貌

斷面近外表區(qū)域可觀察到外表多處開裂并有明顯的流變，圖2中斷面中間擴展表層組織放大形貌見圖3。由圖3可觀察到斷面表層區(qū)有受擠壓變形流變現(xiàn)象，由外表向內(nèi)壁發(fā)展，次表層組織為單相α，并可見有孿晶[5-8]。

圖3　銅管斷面中間擴展表層組織形貌(500×)

圖2中外表A區(qū)域裂紋分布放大形貌見圖4，可觀察到有始于外表且垂直于表面、沿晶狀曲折擴展的裂紋，裂縫內(nèi)未見明顯的夾雜物[9-10]。圖2中內(nèi)壁表層C區(qū)可觀察到曲折斷續(xù)裂紋及孔隙，擬與內(nèi)壁槽的折疊裂紋相關。

圖4　銅管近斷面外表A區(qū)域裂紋形貌(500×)

1.3.2橫向(近內(nèi)表面)截面區(qū)域

銅管橫向(近內(nèi)表面)截面區(qū)域組織放大形貌見圖5。

圖5　銅管橫截面上內(nèi)壁表層組織形貌(125×)

圖5上側矩形凹坑為內(nèi)壁槽底，可觀察到槽的右側均布有斜向分布的折疊，槽底部均有斜向分布的折疊類缺陷。

1.4　掃描電鏡分析

掃描電鏡分析觀察到銅管斷面大部分區(qū)域受擦傷，隱約可見由外向內(nèi)的流變現(xiàn)象。在內(nèi)表面矩形槽根部可見斜向分布的表面裂縫，在槽側面上分布有螺旋狀且平行分布的加工痕跡。外表近斷面區(qū)域低倍下形貌見圖6，可觀察到斷面邊緣受擠壓呈渾圓狀并可見沿晶狀開裂現(xiàn)象，邊緣下方仍有沿晶狀損傷斑。凹坑內(nèi)有沿晶剝裂現(xiàn)象，外表沿晶開裂并有流變。

圖6　銅管近斷面邊緣外圓表面形貌(35×)

銅管近外圓表面斷面邊緣形貌見圖7，斷面起伏大，局部呈沿晶狀開裂，斷面有少量細小韌窩，呈脆性形態(tài)。斷面中層區(qū)呈受擠壓層狀分布，并可見平行分布的推進條紋及沿晶狀二次開裂。

圖7　銅管近外圓斷面邊緣形貌(1 300×)

銅管近內(nèi)壁的斷面邊緣區(qū)域形貌見圖8。

圖8　銅管近內(nèi)壁斷面邊緣區(qū)域形貌(160×)

圖8上側為內(nèi)壁的齒形槽，下側為斷面，可觀察到槽底的轉角處有裂縫沿45°方向發(fā)展，斷面呈由中層向內(nèi)壁的流變形貌[11-14]。

1.5　X射線能譜分析

對圖2中銅管斷面凹坑區(qū)進行X射線能譜分析，能譜曲線見圖9。

圖9　銅管斷面外表凹坑區(qū)X射線能譜曲線

由圖9可見，除了Cu元素主峰線外，還可以看到O(約2.52%)、S(約0.18%)、Cl(約0.27%)及Fe(約3.23%)等元素峰線，表明表面缺陷與S等腐蝕相關。

2　蒸發(fā)器銅管檢驗檢測分析與討論

化學成分分析結果表明，蒸發(fā)器銅管材料化學成分符合JIS H3300—2006《銅及銅合金無縫管》中C 1220T相關技術條件。

硬度測定結果表明，蒸發(fā)器銅管硬度符合產(chǎn)品技術要求。

金相組織及掃描電鏡分析表明，蒸發(fā)器銅管內(nèi)壁槽面存在加工溝槽及折疊類缺陷。

掃描電鏡分析、金相組織分析及X射線能譜分析表明，無縫銅管外表面有腐蝕開裂現(xiàn)象，并可進一步推斷出腐蝕與外表存在的凹坑相關。

3　結語

無縫銅管的斷裂過程為首先由腐蝕誘導開裂，裂紋繼而在使用過程中疲勞擴展，最后在檢查拆卸時的外力作用下斷裂。

腐蝕開裂的起因與銅管表面凹坑缺陷及銅管周邊介質(zhì)中含有S等離子有關[15-16]。表面凹坑容易使腐蝕物局部滯留，會形成異常電位，造成沿晶狀開裂并在振動等應力下擴展，進而引發(fā)泄漏。內(nèi)壁齒形槽的折疊類裂紋對開裂有明顯的負面作用。

建議對銅管外的水質(zhì)提出要求，控制水中的硫、氯離子含量。完善加工工藝，消除加工溝槽中的折疊類缺陷。加強對銅管的檢驗驗收和保管，在生產(chǎn)過程中避免外表面損傷。

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