鍋爐爐膛清洗對新型奧氏體鋼焊接接頭腐蝕影響研究

尹剛，楊中明，徐龍，朱平

（1.神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧海315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

鍋爐爐膛清洗對新型奧氏體鋼焊接接頭腐蝕影響研究

尹剛1，楊中明1，徐龍1，朱平2

（1.神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧海315612；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004）

國內(nèi)超超臨界機(jī)組鍋爐受熱面高溫段采用新型奧氏體不銹鋼Super304H和HR3C，機(jī)組在停機(jī)檢修時通常采用消防水對受熱面外表面進(jìn)行清洗。為了檢驗(yàn)消防水中Cl-是否會引起新型奧氏體鋼焊接接頭腐蝕，通過模擬相似條件進(jìn)行多批次浸蝕試驗(yàn)，對試樣進(jìn)行外觀檢查、表面滲透、金相檢驗(yàn)、電鏡掃描等檢測與分析，未發(fā)現(xiàn)較高濃度Cl-溶液引起Super304H和HR3C不銹鋼焊接接頭腐蝕現(xiàn)象，為超超臨界鍋爐爐膛內(nèi)部采用消防水清洗提供了有力的試驗(yàn)依據(jù)。

新型奧氏體不銹鋼；焊接接頭；浸蝕試驗(yàn)；應(yīng)力腐蝕；表面局部腐蝕

Super304H和HR3C新型奧氏體不銹鋼在超超臨界機(jī)組中用作過熱器和再熱器高溫段的材料，其高溫抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變斷裂等性能表現(xiàn)出色[1]。但在較高濃度Cl-（氯離子）的環(huán)境中，Cl-易引起奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和表面局部腐蝕[2]，導(dǎo)致早期失效，影響機(jī)組安全運(yùn)行。本文主要針對超超臨界機(jī)組停機(jī)檢修時利用消防水對鍋爐受熱面外表面清洗操作的情況，進(jìn)行模擬條件下的Super304H和HR3C新型奧氏體焊接接頭腐蝕試驗(yàn)研究，特制備多批Super304H/Super304H，Super304H/HR3C，HR3C/HR3C焊接接頭，在20～35℃條件下于不同的介質(zhì)中進(jìn)行不同時間的浸蝕試驗(yàn)。

1 試樣制備

1.1 水樣配制

引起新型奧氏體不銹鋼腐蝕的元素主要為介質(zhì)中的氯離子和氧離子，因此模擬鍋爐受熱面清洗的水質(zhì)，選用消防水、灰水（消防水+鍋爐灰粉，體積比3∶1）分別進(jìn)行浸蝕試驗(yàn)，并檢測2種水質(zhì)的Cl-含量，得出消防水（清水）的Cl-含量為10.5 mg/ L，灰水（消防水+灰粉）的Cl-含量為16.5 mg/L。

2種水質(zhì)中的Cl-含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新建鍋爐化學(xué)清洗前水沖洗時對除鹽水Cl-含量小于0.2 mg/L的要求[3]。

1.2 試樣成分

試樣的焊接接頭為3種形式：Super304H/ Super304H，HR3C/HR3C，Super304H/HR3C，母材化學(xué)成份見表1。

1.3 試樣狀態(tài)

試樣采用2段各200 mm的新管焊接而成，4組共12只，其中3只為原始試樣，6只為浸蝕5天試樣，3只為浸蝕90天試樣。接頭信息及相應(yīng)的浸蝕條件見表2和表3，所有試樣均處于自由狀態(tài)。

表1 Super304H、HR3C母材化學(xué)成分含量

表2 接頭試樣基本條件

表3 接頭試樣編號

2 檢驗(yàn)與分析

2.1 試樣外觀檢查

腐蝕易發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)，但焊縫區(qū)域也不能排除，可能發(fā)生在管圓周的任何位置，因此借助放大鏡和手電筒對每個焊接接頭進(jìn)行宏觀目視檢查，檢查區(qū)域包括焊縫、焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)、母材區(qū)，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋和表面局部腐蝕。

2.2 表面滲透檢驗(yàn)

應(yīng)力腐蝕裂紋和表面局部腐蝕基本在接觸腐蝕介質(zhì)的表面產(chǎn)生[4]，為了準(zhǔn)確檢驗(yàn)焊接接頭表面是否存在裂紋特征，采用PT檢測方法逐個檢測焊接接頭的內(nèi)、外表面。

2.2.1 接頭外表面滲透檢查

對全部12只接頭的外表面接頭以焊縫為中心寬度50 mm的范圍進(jìn)行清洗，然后逐個進(jìn)行著色、顯影、檢查。發(fā)現(xiàn)消防水中浸蝕編號為X3的接頭焊縫出現(xiàn)可疑裂紋點(diǎn)，對可疑區(qū)域進(jìn)行二次著色檢查時，原有的可疑現(xiàn)象消失。檢查顯示：12只不銹鋼焊接接頭區(qū)域外表面滲透檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋特征。

2.2.2 接頭內(nèi)表面滲透檢查

將12只接頭對稱剖開，先對接頭內(nèi)表面以焊縫為中心寬度50 mm的范圍進(jìn)行清洗，然后逐個進(jìn)行著色、顯影、檢查。檢查顯示：12只不銹鋼焊接接頭區(qū)域內(nèi)表面經(jīng)滲透檢查均未發(fā)現(xiàn)裂紋特征。

2.3 金相檢驗(yàn)

2.3.1 取樣位置

微觀取樣位置如表4所示。

2.3.2 檢驗(yàn)結(jié)果

（1）焊縫截面宏觀檢查：對截取的13只試樣進(jìn)行研磨拋光，為防止實(shí)驗(yàn)室條件下的腐蝕溶液對試樣造成影響，解剖試樣未進(jìn)行浸蝕，用放大鏡對橫截面和環(huán)截面進(jìn)行詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋特征和表面腐蝕坑特征。

表4 微觀檢驗(yàn)取樣位置

（2）焊縫截面微觀檢驗(yàn)：對13只截面試樣利用金相顯微鏡逐個區(qū)域進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查內(nèi)/外表面區(qū)域，均未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋特征和表面腐蝕坑特征。檢查中發(fā)現(xiàn)H2靠內(nèi)壁區(qū)域出現(xiàn)深度約20 μm的缺口，如圖1所示，經(jīng)進(jìn)一步腐蝕拋光檢查后，證實(shí)是切斷后留下的空隙。

圖1 H2靠內(nèi)壁區(qū)域出現(xiàn)深度約20 μm的缺口

2.4 電鏡掃描

用捷克TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡對13只試樣的切截面進(jìn)行高倍電鏡觀察，對接頭橫截面觀察接頭焊縫、熱影響區(qū)內(nèi)/外壁，對環(huán)切面重點(diǎn)觀察內(nèi)/外壁區(qū)域。采用宏觀和1 000高倍率交替觀察整個接頭區(qū)域，環(huán)截面整圈全范圍掃描。

檢查結(jié)果顯示：W2試樣中發(fā)現(xiàn)的孔洞是由于原有的夾雜研磨后脫落造成的，如圖2所示。13只接頭試樣截面均未觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋和表面腐蝕坑特征，如圖3所示。

2.5 分析討論

應(yīng)力腐蝕的發(fā)生需要同時滿足敏感性材質(zhì)、應(yīng)力和腐蝕環(huán)境3個基本要素。而Super304H和HR3C鋼經(jīng)受焊接熱循環(huán)，導(dǎo)致部分區(qū)域經(jīng)歷高溫敏化，使焊接接頭區(qū)域應(yīng)力腐蝕敏感性增強(qiáng)。而焊接熱循環(huán)即使在自由狀態(tài)下仍然存在焊接殘余應(yīng)力。消防水和灰水作為試驗(yàn)中的腐蝕環(huán)境，存在較高濃度的Cl-，且不可避免地溶解了氧離子，因此具備試驗(yàn)中應(yīng)力腐蝕的3個基本要素。本次試驗(yàn)中Cl-最大濃度為31 mg/L，如圖4所示，鋼材在該濃度的Cl-介質(zhì)中裂紋敏感性是比較高的。但在火電機(jī)組用鋼及介質(zhì)環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕多發(fā)生在高溫水中，即介質(zhì)溫度對其有很大的影響，Cl-應(yīng)力腐蝕敏感的臨界溫度一般在70℃以上[5]，而本次試驗(yàn)中介質(zhì)的溫度未處于腐蝕敏感溫度區(qū)間。通過從宏觀目視觀察到微觀光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡高倍觀察，且試驗(yàn)中重點(diǎn)觀察了經(jīng)過敏化溫度區(qū)間的焊接熱影響區(qū)，均未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕跡象。

圖2 W2試樣掃描電鏡形貌

圖3 H6試樣掃描電鏡形貌

圖4 水中氯離子含量對應(yīng)力腐蝕破裂的影響

而機(jī)組停機(jī)檢修時消防水沖洗時間較短，僅約12 h。管子使用全壽命時間范圍內(nèi)浸蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試樣90天的浸蝕量。沖洗后管壁表面水分在鍋爐余熱和爐膛負(fù)壓共同作用下很快蒸干，較高濃度的Cl-腐蝕環(huán)境被破壞，腐蝕能力大為降低。沖洗消防水溫度接近大氣環(huán)境溫度，新型奧氏體鋼表面溫度為60℃左右，均低于應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)間，因此實(shí)際停機(jī)消防水沖洗條件下不銹鋼管及接頭應(yīng)力腐蝕敏感性比試驗(yàn)條件更低。

3 結(jié)論

（1）新型奧氏體不銹鋼焊接接頭在室溫下的不同浸蝕溶液中，最長90天浸蝕時未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕和表面局部腐蝕特征。

（2）用室溫下的消防水沖洗溫度不超過60℃的超超臨界鍋爐受熱面管，不會引發(fā)新型奧氏體不銹鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕和表面局部腐蝕。

[1]唐利萍.超超臨界鍋爐用鋼的發(fā)展[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2007（10）∶20-21.

[2]李順華，李鵬云.SUPER304H鍋爐鋼管局部腐蝕分析及其防護(hù)對策[J].熱力發(fā)電，2011，44（1）∶87-90.

[3]DL/T 794-2012火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2012.

[4]鄭海生.奧氏體不銹鋼晶間腐蝕問題的研究及防止[J].機(jī)電工程技術(shù)，2004，33（1）∶46-47.

[5]張振杰.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂探討[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2006（2）∶48-50.

（本文編輯：徐晗）

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Study on Influence of Furnace Cleaning on the Corrosion of New-type Austenitic Stainless Steel Welded Joints for Ultra Supercritical Boiler

YIN Gang1，YANG Zhong ming1，XU Long1，ZHU Ping2
（1.Shenhua Zhejiang Guohua Zheneng Power Generation Co.，Ltd.，Ninghai Zhejiang 315612，China；2.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215004，China）

The new-type austenitic stainless steel Super304H and HR3C have been used in the high-temperature section of the heating surface for domestic ultra supercritical boilers.The outer surface of the heating surface is usually cleaned by fire water during shutdown of the units.In order to test whether the Cl-of fire water can cause stress corrosion of the new-type steel welded joints.Through batches of etch test under simulating similar conditions，the sample has been analyzed by using macroscopic examination，surface penetration，metallographic detection，electron microscope scanning and etc.It is not found that higher concentration Clsolution can cause the corrosion of Super304H or HR3C welded joints.It provides a strong test basis that the furnace internal cleaning by fire water is feasible for ultra supercritical boilers.

new-type austenitic stainless steel；welded joints；etch tests；stress corrosion；local surface corrosion

TK224.9

：B

：1007-1881（2013）10-0047-04

2013-04-11

尹剛（1971-），男，吉林公主嶺人，工程碩士，工程師，主要從事鍋爐設(shè)備檢修技術(shù)管理工作。