電熱水器用電加熱管腐蝕原因分析

王維思 劉 波 陳 立 馮 皓 彭敦誠 石海濤

（1.威凱檢測技術有限公司 廣州 510663；2.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510663）

引言

隨著人民生活水平的提高，熱水器已經(jīng)成為家中必不可少的電器，其中電熱水器需求比例較大。金屬管狀電熱元件俗稱電加熱管是電熱水器中最關鍵的部件之一，作為熱水器的加熱部件長期處于水介質(zhì)中，工作環(huán)境溫度高、自身成型結(jié)構復雜，具備了腐蝕的促進條件[1]，其工作的可靠性決定了熱水器的可靠性。在熱水器加熱使用過程中，電加熱管散發(fā)的絕大部分熱能均由被加熱的介質(zhì)帶走，電加熱管的功率密度和通過的介質(zhì)流速相互交配，介質(zhì)流速越高，交換系數(shù)越大，電加熱管表面溫度就越低，這樣就延長了加熱管的使用壽命。本文選取了最為常用的兩種材質(zhì)的加熱管：800Mo和840Mo，額定功率為3 000 W，螺旋彎管，分析了加速結(jié)垢試驗后電加熱管的腐蝕失效機理。

加速結(jié)垢試驗是評估電加熱管耐久性的常規(guī)性試驗，水垢附近和水垢中的Cl-和SO42-產(chǎn)生聚集、濃度增大，促進點蝕和應力腐蝕的發(fā)生[2]。應力腐蝕是金屬在腐蝕介質(zhì)和一定方向的應力作用下產(chǎn)生的腐蝕，應力腐蝕裂紋會沿晶界的活性通道發(fā)展形成沿晶的應力腐蝕裂紋，也會由于應力的作用產(chǎn)生貫穿晶粒的穿晶應力腐蝕裂紋[1]。電加熱管在成型過程中由于焊接和冷彎成型會帶入應力，如果加熱的水質(zhì)中含有Cl-離子，電加熱管金屬管體在應力和熱水的共同作用下就有可能發(fā)生應力腐蝕，如果應力腐蝕裂紋貫穿管體表面，管體外的水接觸到加熱絲，電加熱管就會發(fā)生短路失效。

1 試驗材料及方法

1.1 樣品描述

本試驗所選用的電加熱管管體材質(zhì)為非標800Mo和840Mo，是一種高鎳奧氏體不銹鋼，化學成分見表1。管體通過直縫焊接成細長的焊管，管體的金相組織見圖1、圖2。

表1 800Mo不銹鋼管體和840Mo不銹鋼管體基材成分組成

圖1 800Mo材質(zhì)金相組織

圖2 840Mo材質(zhì)金相組織

材質(zhì)800Mo和840Mo都含有較高含量的鉻（Cr）和鎳（Ni）。鉻具有鈍化最用，可在不銹鋼表面形成一層氧化膜，常稱鈍化膜；鈍化膜致密且可自我修復。鉻不但可提高不銹鋼的抗氧化性，還可提高不銹鋼的電阻和強度。鎳對于強堿介質(zhì)具有優(yōu)良的耐腐蝕性，可提高不銹鋼的可塑性、可焊接性、韌性等屬性。但含鎳不銹鋼容易出現(xiàn)帶狀組織和白色缺陷，在成型加工中需注意。

1.2 實驗方法

加速結(jié)垢試驗是指將電加熱管置于專用的試驗裝置[3]內(nèi)進行試驗，試驗溶液用分析純試劑和蒸餾水配制，試驗7天。試驗過程中如果發(fā)生電加熱管不能加熱的現(xiàn)象即判定為失效。加速結(jié)垢試驗的試驗參數(shù)見表2。

表2 結(jié)垢實驗參數(shù)

用德國徠卡公司生產(chǎn)的S8AP0型號立體顯微鏡對電加熱管表面腐蝕形貌進行初步觀察，用DM6000金相顯微鏡和德國蔡司生產(chǎn)的EVO MA18掃描電子顯微鏡對失效的電加熱管樣品進行顯微分析。加速結(jié)垢試驗后去除電加熱管表面水垢，選取電加熱管表面點蝕嚴重的部位，截取截面對截面金相組織和應力腐蝕裂紋生長、擴展情況進行觀察，判斷裂紋產(chǎn)生的原因。

2 試驗結(jié)果與分析

結(jié)垢試驗結(jié)束后的電加熱管表面可見明顯的腐蝕斑，腐蝕嚴重的部位主要集中在直管和彎管距離比較近的彎管內(nèi)側(cè)，如圖3。在立體顯微鏡下已經(jīng)可以觀察到腐蝕斑已經(jīng)向加熱管管體表面向管體內(nèi)發(fā)展。對管體截面的顯微分析發(fā)現(xiàn)電加熱管焊接熱影響區(qū)部分相較于基體晶粒有明顯長大，且有明顯的Sigma（σ）相等脆性相生成見圖4、圖5。

圖3 電加熱管表面銹蝕情況

圖4 800Mo材質(zhì)電加熱管銹蝕部位金相組織圖

電加熱管管體截面發(fā)現(xiàn)了大量的應力腐蝕裂紋，裂紋從管體表面萌生，向內(nèi)發(fā)展，形成粗大的裂紋，有的甚至貫穿管體造成電加熱管的漏水短路，從而失效。在粗大的裂紋上還發(fā)現(xiàn)了大量的二次裂紋的萌生和發(fā)展。

3 結(jié)果與討論

結(jié)果表明，800Mo和840Mo不銹鋼管體由于焊接和冷彎成型，在管體內(nèi)形成了大量的粗大的奧氏體晶粒和脆性相[4,5]。由于冷彎成型后的殘余應力較大，再附加焊接中存在的熱應力，在腐蝕環(huán)境條件下， 造成電加熱管管體發(fā)生嚴重的穿晶腐蝕，大量的裂紋貫穿管體造成電加熱管的腐蝕穿孔導致短路失效。

應力腐蝕過程包括金屬、介質(zhì)環(huán)境和應力三個因素，缺一不可。應力腐蝕具有環(huán)境選擇性，像不銹鋼等一般認為優(yōu)良的耐腐蝕材料，卻在通常人們認為腐蝕不嚴重的環(huán)境中破裂，例如含Cl-的溶液中[6]。該種電加熱管的加工成型方式不僅造成了管體的殘余應力過大，應力腐蝕敏感性增強；而且在直管和彎管靠近的部位溫度更高，局部腐蝕嚴重，在使用過程中部僅僅具備了環(huán)境條件同時也具備了應力條件，進一步促進了局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，加速了電加熱管的腐蝕穿孔。

4 電加熱管質(zhì)量提升建議

1）焊接管焊接部位及熱影響區(qū)均為晶間腐蝕敏感帶極易發(fā)生晶間腐蝕，電加熱管不建議使用焊管。

2）電加熱管在彎曲成型后，需通過熱處理工藝消除加工帶來的內(nèi)應力，避免與組織中的脆性相是引發(fā)管體應力，加快腐蝕進行。

3）不建議使用額定功率過高的電加熱管；當水垢逐漸形成并堆積后，流水不暢并伴隨電加熱管功率密度過高，會影響電熱管的使用壽命。