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        電熱水器用電加熱管腐蝕原因分析

        2023-03-03 05:58:36王維思彭敦誠石海濤
        日用電器 2023年1期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼裂紋

        王維思 劉 波 陳 立 馮 皓 彭敦誠 石海濤

        (1.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663;2.中國電器科學(xué)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(guān)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(gòu)復(fù)雜,具備了腐蝕的促進(jìn)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(yàn)后電加熱管的腐蝕失效機(jī)理。

        加速結(jié)垢試驗(yàn)是評估電加熱管耐久性的常規(guī)性試驗(yàn),水垢附近和水垢中的Cl-和SO42-產(chǎn)生聚集、濃度增大,促進(jìn)點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生[2]。應(yīng)力腐蝕是金屬在腐蝕介質(zhì)和一定方向的應(yīng)力作用下產(chǎn)生的腐蝕,應(yīng)力腐蝕裂紋會沿晶界的活性通道發(fā)展形成沿晶的應(yīng)力腐蝕裂紋,也會由于應(yīng)力的作用產(chǎn)生貫穿晶粒的穿晶應(yīng)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(yīng)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(yīng)力和熱水的共同作用下就有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕,如果應(yīng)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(yàn)材料及方法

        1.1 樣品描述

        本試驗(yàn)所選用的電加熱管管體材質(zhì)為非標(biāo)800Mo和840Mo,是一種高鎳奧氏體不銹鋼,化學(xué)成分見表1。管體通過直縫焊接成細(xì)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(fù)。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(qiáng)度。鎳對于強(qiáng)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(shí)驗(yàn)方法

        加速結(jié)垢試驗(yàn)是指將電加熱管置于專用的試驗(yàn)裝置[3]內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)溶液用分析純試劑和蒸餾水配制,試驗(yàn)7天。試驗(yàn)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(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)見表2。

        表2 結(jié)垢實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行顯微分析。加速結(jié)垢試驗(yàn)后去除電加熱管表面水垢,選取電加熱管表面點(diǎn)蝕嚴(yán)重的部位,截取截面對截面金相組織和應(yīng)力腐蝕裂紋生長、擴(kuò)展情況進(jìn)行觀察,判斷裂紋產(chǎn)生的原因。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        結(jié)垢試驗(yàn)結(jié)束后的電加熱管表面可見明顯的腐蝕斑,腐蝕嚴(yán)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(yīng)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(yīng)力較大,再附加焊接中存在的熱應(yīng)力,在腐蝕環(huán)境條件下, 造成電加熱管管體發(fā)生嚴(yán)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(dǎo)致短路失效。

        應(yīng)力腐蝕過程包括金屬、介質(zhì)環(huán)境和應(yīng)力三個(gè)因素,缺一不可。應(yīng)力腐蝕具有環(huán)境選擇性,像不銹鋼等一般認(rèn)為優(yōu)良的耐腐蝕材料,卻在通常人們認(rèn)為腐蝕不嚴(yán)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(yīng)力過大,應(yīng)力腐蝕敏感性增強(qiáng);而且在直管和彎管靠近的部位溫度更高,局部腐蝕嚴(yán)重,在使用過程中部僅僅具備了環(huán)境條件同時(shí)也具備了應(yīng)力條件,進(jìn)一步促進(jìn)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(yīng)力,避免與組織中的脆性相是引發(fā)管體應(yīng)力,加快腐蝕進(jìn)行。

        3)不建議使用額定功率過高的電加熱管;當(dāng)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。

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