20碳鋼在腐蝕性氣流環(huán)境中飛灰沖蝕磨損試驗(yàn)研究

趙憲萍，朱崇武，葉桂林，孫堅(jiān)榮，潘衛(wèi)國(guó)

（上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海200090）

燃煤鍋爐的煙氣中含有大量的飛灰顆粒，并且含有一定的腐蝕性氣體，氣流攜帶飛灰沖刷對(duì)流受熱面的管束，使管壁表面受到?jīng)_蝕磨損，其中既有沖刷磨損，也有腐蝕性氣流的腐蝕，磨損和腐蝕交互進(jìn)行，加劇了金屬管壁的失效.很多鍋爐事故都是由于對(duì)流受熱面受飛灰磨損以及腐蝕產(chǎn)生泄漏、爆管等而被迫停爐檢修，甚至造成安全事故，對(duì)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性造成很大影響.因此，關(guān)于飛灰沖蝕磨損的研究一直是電力行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題.文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］中針對(duì)不同鍋爐常用金屬材料在壓縮空氣氣流中的熱態(tài)磨損特性進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究與分析，而有關(guān)沖刷氣流中的腐蝕性氣體對(duì)沖蝕磨損的影響研究尚未深入進(jìn)行.

沖蝕磨損是一種系統(tǒng)工程，是多種磨損機(jī)制綜合作用的結(jié)果，影響因素眾多.它與粒子沖刷速度、灰粒粒度、沖刷角度、環(huán)境溫度、被沖刷材料的性能、高溫下金屬表面氧化層的厚度、致密度、元素成分以及氣流的氣氛等諸多因素都有很大的關(guān)系，其中任何一個(gè)因素的變化都會(huì)引起材料磨損量的改變［1-3］.由于其復(fù)雜性，因此對(duì)金屬材料沖蝕磨損性能的研究大多通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)行.由于受沖蝕的金屬材料往往在一定高溫且腐蝕性氛圍的環(huán)境下工作，人們逐漸開(kāi)始重視金屬材料的腐蝕問(wèn)題，并認(rèn)識(shí)到磨損與腐蝕的交互作用對(duì)金屬材料的性能有很大影響.金屬材料沖蝕磨損的研究逐漸從“重磨損輕腐蝕”發(fā)展到重點(diǎn)研究材料磨損與腐蝕的交互作用上來(lái)［4-10］.有研究表明高溫下金屬表面產(chǎn)生的氧化膜對(duì)金屬的磨損性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響［11］，不同氣體氛圍環(huán)境下金屬的抗氧化性并不同，因此混合氣體氛圍下的高溫氧化腐蝕是一個(gè)非常重要的值得研究的課題［12-17］.

燃煤在鍋爐中燃燒后，煙氣中的主要成分包括CO2、H2O（g）、N2、O2和SO2等.其中CO2氣體含量較大，硫和氧的同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)致硫化物和氧化物的形成，嚴(yán)重影響了金屬的耐沖蝕性能，不可忽視其對(duì)鍋爐金屬材料沖蝕磨損的影響.20碳鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，在530℃以下具有較好的抗氧化性能，常應(yīng)用于鍋爐低溫段受熱面.受飛灰沖蝕磨損嚴(yán)重的省煤器的制造材料大多為20碳鋼.趙憲萍等［1］在壓縮空氣流中對(duì)20碳鋼的磨損性能進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)研究，得到了一些有價(jià)值的規(guī)律.然而，煙氣中的腐蝕性氣體會(huì)對(duì)金屬壁面產(chǎn)生腐蝕作用，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物較容易被灰粒沖刷掉，露出新的金屬表面，又再次被腐蝕.因此，磨損和腐蝕交替進(jìn)行，使總的管子磨損速度大大加快［18］.但目前在這一領(lǐng)域的定量研究還很少，一些高腐蝕性煙氣下（如燃用高硫煤產(chǎn)生的煙氣）的腐蝕磨損問(wèn)題尚需深入探討.筆者在熱態(tài)飛灰磨損試驗(yàn)裝置上對(duì)20碳鋼進(jìn)行250～500℃溫度段的試驗(yàn)研究.試驗(yàn)氣流參照一般燃煤電廠鍋爐煙氣中SO2和CO2的含量比例，摻入SO2、CO2氣體分別進(jìn)行不同腐蝕性氣氛下的沖蝕磨損試驗(yàn)，分析SO2、CO2氣體對(duì)20碳鋼沖蝕磨損性能的影響.

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)研究目的，在只有壓縮空氣氣源的試驗(yàn)臺(tái)上增加SO2和CO2氣源管道及流量計(jì)，以使試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要混入各種氣體，形成含有腐蝕性氣體氣流的環(huán)境.

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.該試驗(yàn)系統(tǒng)工作過(guò)程如下：根據(jù)試驗(yàn)需要的氣流環(huán)境，可以有3種氣體按試驗(yàn)前計(jì)算的混合比例經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的計(jì)量后，一起進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)，在預(yù)熱段加熱后進(jìn)入混合室.試驗(yàn)用的灰粒子經(jīng)稱量后裝入灰斗，灰斗下的碟閥控制給灰量.灰落入混合室后與氣流混合形成氣固兩相流體進(jìn)入加速段，粒子則加速到最大可能的速度.加速段用加熱氣流電爐使氣固兩相流體同時(shí)加熱至所需溫度后，由加速管噴射出來(lái)進(jìn)入試驗(yàn)段，以一定速度并以30°的沖刷角沖刷試件，造成磨損效果.之后，氣固兩相流體進(jìn)入水冷卻沉降式除塵器，由于氣流流動(dòng)方向改變，在慣性力及重力的作用下，大部分的灰留在該除塵器內(nèi)，氣流攜帶少部分灰經(jīng)布袋式除塵器除塵后排向大氣.

試件采用專門(mén)設(shè)計(jì)的加熱試件電爐進(jìn)行加熱，以保證其達(dá)到試驗(yàn)工況要求的溫度，試件中心設(shè)有溫度測(cè)點(diǎn).試驗(yàn)溫度根據(jù)不同的試驗(yàn)工況確定，在對(duì)應(yīng)的速度下完成試驗(yàn).沖刷試驗(yàn)后的試件均放在干燥器皿中冷卻至常溫時(shí)才取出稱重，以免空氣中水分的凝結(jié)使質(zhì)量增加.另外，還考慮了試驗(yàn)過(guò)程中試件在熱態(tài)下被氧化而導(dǎo)致質(zhì)量增加對(duì)稱重的影響，使得數(shù)據(jù)的測(cè)取更為準(zhǔn)確.試件用1／10 000g精度的全自動(dòng)天平稱重，相對(duì)磨損量ΔⅠ＝Δm／M（mg／g），即相對(duì)每克灰沖刷掉的材料質(zhì)量，其中Δm為磨損的絕對(duì)質(zhì)量，M為用掉的灰質(zhì)量.

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)，大氣溫度為20℃，大氣壓力為0.101 2 MPa，氣流壓力為0.30 MPa.試件材料為20碳鋼，將其加工成直徑為50mm、厚度為4mm 的圓片.

通過(guò)在壓縮空氣流中混入SO2或CO2氣體，分別在壓縮空氣＋SO2、壓縮空氣＋CO2以及壓縮空氣＋SO2＋CO23種不同的腐蝕性氣流環(huán)境中進(jìn)行飛灰沖蝕磨損試驗(yàn).氣流中SO2氣體的含量根據(jù)電廠幾種常用動(dòng)力煤種的含硫量經(jīng)燃燒計(jì)算后按比例摻入，由全煙氣分析儀測(cè)量SO2氣體的質(zhì)量濃度為3 200～4 600mg／m3.同理，根據(jù)電廠幾種常用煤種的含碳量，計(jì)算出煙氣中CO2的含量比例，氣流中摻入CO2的體積流量為0.77～1.11m3／h.

不同氣流環(huán)境下的氣流速度均為100 m／s.壓縮空氣＋SO2和壓縮空氣＋CO22 種氣流環(huán)境下，試件及氣流溫度控制在250～450 ℃，每50K 一個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)，每個(gè)氣流環(huán)境下共有5個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn).壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環(huán)境下，試件及氣流溫度控制在250～500℃，每50K 一個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)，共6個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn).

試驗(yàn)所用灰樣均取自某電廠電除塵器，經(jīng)篩分，計(jì)算求得灰的平均粒徑為101μm，每個(gè)試驗(yàn)工況用灰量為2 000g.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到20碳鋼在3種腐蝕性氣流環(huán)境下相對(duì)磨損量與試件溫度（以下簡(jiǎn)稱溫度）的關(guān)系，如圖2～圖4所示.試件在3種腐蝕性氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量均隨著溫度的升高先減小后增大，存在一個(gè)臨界溫度點(diǎn).這種磨損規(guī)律與非腐蝕性壓縮空氣流中熱態(tài)規(guī)律相同［1］.

對(duì)相對(duì)磨損量ΔⅠ與溫度t的關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，3種腐蝕性氣流環(huán)境下對(duì)應(yīng)的回歸方程分別為：

（1）壓縮空氣＋SO2氣流環(huán)境.

擬合式（1）的相關(guān)系數(shù)R2＝0.952 6，擬合曲線如圖2中曲線所示.20碳鋼在該氣流環(huán)境下的臨界溫度點(diǎn)在375 ℃左右.

（2）壓縮空氣＋CO2氣流環(huán)境.

擬合式（2）的相關(guān)系數(shù)R2＝0.975 2，擬合曲線如圖3中曲線所示.20碳鋼在該氣流環(huán)境下的臨界溫度點(diǎn)在370 ℃左右.

圖2 20碳鋼在壓縮空氣＋SO2 氣流環(huán)境下相對(duì)磨損量與溫度的關(guān)系Fig.2 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus SO2

圖3 20碳鋼在壓縮空氣＋CO2 氣流環(huán)境下相對(duì)磨損量與溫度的關(guān)系Fig.3 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus CO2

（3）壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環(huán)境.

擬合式（3）的相關(guān)系數(shù)R2＝0.983 5，擬合曲線如圖4中曲線所示.20碳鋼在該氣流環(huán)境下的臨界溫度點(diǎn)在360 ℃左右.

圖4 20碳鋼在壓縮空氣＋SO2＋CO2 氣流環(huán)境下相對(duì)磨損量與溫度的關(guān)系Fig.4 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus SO2and CO2

將20碳鋼在含腐蝕性氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量與壓縮空氣中熱態(tài)磨損試驗(yàn)的相對(duì)磨損量ΔⅠ′［1］進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1.由表1 可以看出，SO2和CO2氣體的摻入增大了相對(duì)磨損量.由圖5中各工況擬合曲線明顯看出，20碳鋼在各氣流環(huán)境下的熱態(tài)磨損特性是一致的，即相對(duì)磨損量均隨著溫度的升高先減小后增大.在壓縮空氣＋SO2、壓縮空氣＋CO2、壓縮空氣＋SO2＋CO2的3種氣流環(huán)境下，相對(duì)磨損量依次增大.與壓縮空氣流中的熱態(tài)磨損試驗(yàn)相比，壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量最大，平均增大2.75倍；壓縮空氣＋CO2氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量次之，平均增大2.59倍；壓縮空氣＋SO2氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量較小，平均增大1.65倍.

表1 腐蝕性氣流環(huán)境與非腐蝕性氣流環(huán)境下20碳鋼相對(duì)磨損量的比值Tab.1 Comparison of relative erosion rate for carbon steel 20＃in corrosive and non-corrosive environment

圖5 20碳鋼在不同氣流環(huán)境下相對(duì)磨損量的比較Fig.5 Comparison of relative erosion rate for carbon steel 20＃in different airflow environments

2.2 分析與討論

加入SO2和CO2氣體能夠明顯加速20碳鋼的沖蝕磨損損耗，分析其原因，主要與它們?cè)斐傻囊欢ǜg性因素以及混合氣氛下金屬的氧化有關(guān).理論上講，干燥的CO2并不具有腐蝕性，但由于CO2微溶于水，任何水滴或表面水層都能吸附CO2氣體，而且高溫下CO2在一定濕度的氣流中溶解會(huì)發(fā)生電離，產(chǎn)生碳酸根離子，因而造成了一定的腐蝕性因素.一定高溫下，煙氣流中的O2、SO2能與金屬壁面的氧化鐵層以及飛灰作用產(chǎn)生SO3，對(duì)金屬壁面產(chǎn)生硫酸鹽性腐蝕.SO3也是一種極易吸濕的物質(zhì)，研究表明：當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，只要煙氣中存在8%左右的水分，99%的SO3都會(huì)轉(zhuǎn)化為硫酸蒸氣［18］.酸露點(diǎn)溫度隨著煙氣中酸氣濃度的增大而升高，露點(diǎn)溫度越高，越容易造成低溫下的露點(diǎn)腐蝕［19］.酸性腐蝕產(chǎn)物膜一般表面附著性較差，容易被沖刷掉，加速了材料損耗.

除了SO2、CO2氣體與水分作用會(huì)產(chǎn)生腐蝕性因素外，不同氣體氛圍對(duì)金屬的氧化影響也有很大差別.已有研究表明，金屬在含SO2、CO2氣氛下與純空氣氣氛下的抗氧化性能并不相同，SO2、CO2氣體的存在能夠顯著加速碳鋼的氧化［16］.研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)沖蝕、腐蝕引起的金屬材料高溫退化是由于表面氧化膜的形成和去除，沖蝕、腐蝕是2個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程的綜合效應(yīng).隨著溫度的升高，氧化腐蝕形成的氧化膜或多或少地為金屬提供了保護(hù)，使得反應(yīng)速率隨膜厚度的增大而下降；沖蝕率在350 ℃左右達(dá)到最小，這和在這個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)碳鋼發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象也有一定的關(guān)系.當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于氧化膜與金屬基體分離剝落，使得磨損量又有所增加.根據(jù)氧化膜的厚度及其保護(hù)性能不同，氧化速度取決于界面反應(yīng)速度或反應(yīng)物通過(guò)膜的擴(kuò)散速度.在壓縮空氣＋CO2＋SO2氣流環(huán)境下能促進(jìn)氧通過(guò)氧化物結(jié)構(gòu)中的孔洞傳輸，明顯增大金屬的氧化速率.SO2、CO2能夠穿過(guò)生長(zhǎng)的氧化膜傳輸，作為第二氧化劑滲入，導(dǎo)致保護(hù)膜開(kāi)始失效.其中，CO2引起的碳化反應(yīng)會(huì)顯著改變金屬的反應(yīng)速率.金屬在CO2氣氛中經(jīng)過(guò)一段孕育期后會(huì)發(fā)生“失穩(wěn)”氧化，加速氧化與碳在氧化膜中的沉積有關(guān).CO2穿過(guò)金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜，導(dǎo)致碳在金屬機(jī)體中溶解，隨后碳在膜中的沉積破壞氧化膜，使得體系處于快速“失穩(wěn)”氧化狀態(tài).硫滲入氧化膜也能引發(fā)反應(yīng)加速并最終導(dǎo)致氧化膜的失效［17］.沖刷磨損使氧化形成的表面膜損耗或減薄，抑制了其保護(hù)作用.當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物被持續(xù)沖蝕去除時(shí)，金屬表面的氧化物以更快的速率生成，這樣的交互作用導(dǎo)致材料在腐蝕性環(huán)境下的總體退化流失速率增大.

由于SO2、CO2氣體的密度大于空氣密度，加入SO2、CO2氣體后增大了氣流的密度，也在一定程度上增加了試件被沖刷程度.試驗(yàn)中SO2、CO2氣體的量是按常用動(dòng)力煤種燃燒計(jì)算后的比例摻入的，CO2的含量遠(yuǎn)大于SO2的含量，其所造成的氧化氛圍也更強(qiáng).因此，試驗(yàn)結(jié)果也表明，在同樣工況下，壓縮空氣＋CO2氣流環(huán)境下20碳鋼的相對(duì)磨損量比壓縮空氣＋SO2氣流環(huán)境下的相對(duì)磨損量明顯大得多（見(jiàn)圖5）.當(dāng)2種氣體一起加入時(shí)，其相對(duì)磨損量明顯高于只含其中一種腐蝕性氣體時(shí)的相對(duì)磨損量.

3 結(jié) 論

（1）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的腐蝕性氣流環(huán)境下，20碳鋼的熱態(tài)特性不變，即在某臨界溫度之前相對(duì)磨損量隨溫度升高而減?。辉谂R界溫度之后，相對(duì)磨損量隨溫度升高而增大.臨界溫度隨所在氣流環(huán)境的不同而不同.

（2）加入SO2或CO2氣體后，20碳鋼的相對(duì)磨損量明顯增大.

（3）由于煙氣流中CO2的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SO2的含量，CO2對(duì)沖蝕磨損的影響大于SO2的影響.

（4）在含腐蝕性氣流環(huán)境下，磨損和腐蝕存在交互作用，彼此加速使得金屬損耗增大.

［1］趙憲萍，孫堅(jiān)榮，鄒輝榮.20碳鋼熱態(tài)飛灰沖刷磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（6）：90-93.

ZHAO Xianping，SUN Jianrong，ZOU Huirong.An experimental study on the hot flying-ash erosion of 20 carbon steel［J］.Proceedings of the CSEE，2001，21（6）：90-93.

［2］趙憲萍，孫堅(jiān)榮.電廠鍋爐常用鋼材熱態(tài)飛灰磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（21）：117-120.

ZHAO Xianping，SUN Jianrong.An experimental study on the hot flying-ash erosion of steel used in boilers of power station［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（21）：117-120.

［3］趙憲萍，孫堅(jiān)榮.15CrMo合金鋼熱態(tài)飛灰沖刷磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，2000，20（2）：645-649.

ZHAO Xianping，SUN Jianrong.An experimental study of the hot flying-ash erosion of 15CrMo alloy［J］.Journal of Power Engineering，2000，20（2）：645-649.

［4］WATSON S W，MADSEN B W，CRAMER S D.Wear-corrosion study of white cast irons［J］.Wear，1995，181／183／183（2）：469-475.

［5］ANTONOV M，VEINTHAL R，HUTTUNENSAARIVIRTA E，etal.Effect of oxidation on erosive wear behaviour of boiler steels［J］.Tribology International，2013，68：35-44.

［6］SUNDARARAJAN G.An analysis of the erosion-oxidation interaction mechanisms［J］.Wear，1991，145（2）：251-282.

［7］姜曉霞，李詩(shī)卓，李曙.金屬的腐蝕磨損［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：196-221.

［8］WATSON S W，F(xiàn)RIEDERSDORF F J，MDSEN B W，etal.Methods of measuring wear-corrosion synergism［J］.Wear，1995，181／182／183（2）：476-484.

［9］STACK M M，ABDELRAHMAN S M，JANA B D.A new methodology for modelling erosion-corrosion regimes on real surfaces：gliding down the galvanic series for a range of metal-corrosion systems［J］.Wear，2010，268（3／4）：533-542.

［10］RAJAHRAM S S，HARVEY T J，WOOD R J K.Evaluation of a semi-empirical model in predicting erosion-corrosion［J］.Wear，2009，267（11）：1883-1893.

［11］趙憲萍，徐開(kāi)義，蔣偉元，等.不同溫度下金屬氧化膜對(duì)灰磨損性能的影響［J］.華東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18（1）：73-79.

ZHAO Xianping，XU Kaiyi，JIANG Weiyuan，etal.Effect of metal oxide film at different temperature on fly ash erosion［J］.Journal of East China University of Technology，1996，18（1）：73-79.

［12］NORLING R，NAFARI A，NYLUND A.Erosioncorrosion of Fe-and-Ni-based tubes and coatings in a fluidized bed test rig during exposure to HCl and SO2containing atmospheres［J］.Wear，2005，258（9）：1379-1383.

［13］李辛庚，王學(xué)剛，傅敏，等.噴丸與沉積稀土薄膜對(duì)TP304H 鋼在SO2-O2氣氛中高溫腐蝕的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：214-219.

LI Xingeng，WANG Xuegang，F(xiàn)U Min，etal.Effect of shot blasting and deposited Re coating on corrosion behavior of TP304Hsteel in SO2-O2［J］.Proceedings of the CSEE，2004，24（6）：214-219.

［14］ZHANG Yucheng，PANG Xiaolu，QU Shaopeng，et al.Discussion of the CO2corrosion mechanism between low partial pressure and supercritical condition［J］.Corrosion Science，2012，59（3）：186-197.

［15］GAO M，PANG X，GAO K.The growth mechanism of CO2corrosion product films［J］.Corrosion Science，2011，53（2）：557-568.

［16］劉秀成，安成強(qiáng)，崔作興，等.金屬腐蝕學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002：281-297.

［17］BIRKS N，MEIER G H，PETTIT F S.金屬高溫氧化導(dǎo)論［M］.辛麗，王文，譯.北京：高等教育出版社，2010：153-175.

［18］肖雨亭，賈曼，徐莉，等.煙氣中三氧化硫及硫酸霧滴的分析方法［J］.環(huán)境科技，2012，25（5）：43-48.

XIAO Yuting，JIA Man，XU Li，etal.The analytic method of sulfur trioxide and sulfuric acid mist in flue gas［J］.Environmental Science and Technology，2012，25（5）：43-48.

［19］趙欽新，張知翔，杜文智，等.模擬氣氛下硫酸露點(diǎn)的腐蝕試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，32（5）：421-423.

ZHAO Qinxin，ZHANG Zhixiang，DU Wenzhi，etal.Experimental study on sulfuric acid dewpoint corrosion in simulated atmospheric conditions［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32（5）：421-423.