5種換熱管耐低溫腐蝕性能的研究

王　崢， 李　祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

?

5種換熱管耐低溫腐蝕性能的研究

王崢， 李祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

摘要：為了找到相對(duì)耐低溫腐蝕且性?xún)r(jià)比較高的材料，在西南地區(qū)某電廠進(jìn)行了實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)運(yùn)行后各種材料的腐蝕情況做了評(píng)估。結(jié)果表明：材料的腐蝕速率隨著工質(zhì)溫度的降低而加快，1Cr18Ni9Ti鋼的腐蝕速率相對(duì)其他材料較慢，但ND鋼的性?xún)r(jià)比較高。

關(guān)鍵詞：低溫腐蝕； 工質(zhì)溫度； 耐腐蝕材料

節(jié)能減排是當(dāng)今世界的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。在發(fā)電過(guò)程中由煤、油等一次能源所轉(zhuǎn)化出來(lái)的熱能只有一部分得到了有效的利用，還有一部分余熱被浪費(fèi)了，所以在燃煤或燃油發(fā)電廠，為了降低熱能的消耗，采用了一些新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備[2]，如空氣預(yù)熱器、低溫省煤器和余熱鍋爐等。但燃煤、燃油產(chǎn)生的煙氣對(duì)金屬表面產(chǎn)生酸性腐蝕，又叫做低溫腐蝕，對(duì)設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重的危害[3]。防止低溫腐蝕的方法主要有兩種：(1)采用有限腐蝕的低溫系統(tǒng)；(2)選用合適的耐腐蝕材料[4]。因此對(duì)于易發(fā)生低溫腐蝕的部件，找到發(fā)生低溫腐蝕換熱管內(nèi)允許的最低工質(zhì)溫度，以及找到一種能夠在硫酸露點(diǎn)腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期使用的鋼材，對(duì)提高鍋爐低溫部件使用壽命、減少能耗至關(guān)重要[5]。

為了找到低溫腐蝕速率相對(duì)較小的溫度環(huán)境，找到一種相對(duì)來(lái)說(shuō)耐低溫腐蝕且性?xún)r(jià)比較高的材料，在西南地區(qū)某電廠(此電廠使用高硫煤作為燃料)進(jìn)行了實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)運(yùn)行后各種材料的腐蝕情況做了評(píng)估。

1試驗(yàn)材料

設(shè)計(jì)并制造的試驗(yàn)管排的宏觀形貌見(jiàn)圖1。

該試驗(yàn)管排由5圈U形管組成，每圈U形管由5種不同材料牌號(hào)的鋼管組成，每圈U形管在相同位置的材料相同，見(jiàn)圖2。其中20鋼、ND鋼(09CrCuSb)和滲層管外帶有翅片(滲層管是以普通碳鋼管為原件，在焊接翅片處通過(guò)鎳基合金滲層技術(shù)制備的鎳基滲層管，主要是為了提高換熱系數(shù)[6])，翅片材質(zhì)與鋼管材質(zhì)相同，采用高頻焊接焊在鋼管外表面；其余2種材質(zhì)鋼管為光管。

每圈U形管內(nèi)的工質(zhì)溫度不同，最高溫度為90 ℃，最低溫度為20 ℃，各圈管間的溫度至少相差10 K，按圖1中箭頭指示方向依次降低。試驗(yàn)時(shí)，每圈U形管的進(jìn)、出口工質(zhì)溫度基本相同，可以認(rèn)為同一圈U形管上不同材料牌號(hào)的鋼管溫度是接近的。

試驗(yàn)管排在電廠進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)的時(shí)間為2個(gè)月。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀檢查結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)后鋼管進(jìn)行了宏觀檢查，結(jié)果表明：鋼管和翅片的外表面都粘有灰色的附著物，有明顯的銹蝕跡象；同種材質(zhì)在不同溫度下，腐蝕情況相差較大，隨著溫度的降低，腐蝕情況逐漸加?。欢环N溫度下，各種材質(zhì)的腐蝕情況相似，在第五檔溫度下，5種材質(zhì)的鋼管都腐蝕得非常嚴(yán)重，外表帶翅片的鋼管，翅片已經(jīng)變得很薄，滲層管翅片一些地方已經(jīng)被完全腐蝕；不帶翅片的鋼管，壁厚嚴(yán)重減薄，甚至已經(jīng)穿孔。

圖1和圖3是實(shí)驗(yàn)完畢后換熱器剛拆下時(shí)彎管的外貌圖，彎管處可能由于應(yīng)力集中導(dǎo)致穿孔。

2.2 樣管表面顯微分析及尺寸測(cè)量結(jié)果

去除部分帶有翅片鋼管上的翅片，在每個(gè)鋼管的長(zhǎng)度方向上截取約20 mm厚的試塊，將所有試塊進(jìn)行超聲波清洗，取試塊的橫截面方向，制備金相檢查試樣，然后在金相顯微鏡上進(jìn)行顯微分析，觀察其外表面的腐蝕狀況。圖4為腐蝕較嚴(yán)重試樣的金相顯微照片，可以看出有一部分鋼管腐蝕較為嚴(yán)重，外表面不平整。

對(duì)試樣的壁厚進(jìn)行尺寸測(cè)量，具體測(cè)量方法見(jiàn)圖5。

表1為各試樣通過(guò)圖5的測(cè)量方法測(cè)出的壁厚，并根據(jù)損失壁厚算出腐蝕速率。

表1　壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)及其腐蝕速率

由表1可得：在第一檔溫度下，各種材料的腐蝕速率均在0.3 mm/a以上；而在第二檔溫度下，滲層管及15MnV的腐蝕速率已稍低于0.3 mm/a，其余各材料腐蝕速率仍在0.3 mm/a以上；當(dāng)溫度再繼續(xù)降低，此時(shí)材料的腐蝕速率急劇加速；到第五檔溫度時(shí)，大部分材料的腐蝕速率已在2 mm/a以上。這說(shuō)明管內(nèi)工質(zhì)溫度低于90 ℃時(shí)，工質(zhì)溫度越高鋼管的抗腐蝕性能越好，并且工質(zhì)的溫度最好能夠在第二檔溫度以上。

3分析討論

材料的腐蝕速率隨著工質(zhì)溫度的降低而加快，可能是由于在90 ℃左右時(shí)，鋼管是單純的硫酸露點(diǎn)腐蝕，而當(dāng)溫度繼續(xù)降低到50～70 ℃時(shí)，已經(jīng)到達(dá)了鹽酸的露點(diǎn)溫度，這樣就同時(shí)存在著硫酸露點(diǎn)腐蝕和鹽酸露點(diǎn)腐蝕，材料的腐蝕速率必然會(huì)急劇加速。

相對(duì)于其他材料，1Cr18Ni9Ti鋼的腐蝕速率較慢，主要是由于1Cr18Ni9Ti鋼中合金元素鉻的含量較高，而鉻元素能夠細(xì)化晶粒，與鋼中銅和硫合理匹配，在未燃燒的活性炭的催化下會(huì)出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象[7]；鉻的電極電位較低，也具有鈍化傾向的作用，從而提高了抗腐蝕性能[8]。

ND鋼的腐蝕速率之所以較慢，是因?yàn)镹D鋼中的合金元素銅和雜質(zhì)元素硫結(jié)合,在鋼的表面形成Cu2S鈍化膜,起到了抗低溫腐蝕的作用。合金元素Sb的加入也對(duì)阻止低溫腐蝕起明顯作用[9]。

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)5種材料在不同溫度下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)管內(nèi)工質(zhì)溫度低于90 ℃時(shí)，材料的腐蝕速率隨著工質(zhì)溫度的降低而加快，當(dāng)工質(zhì)溫度降低到一定溫度時(shí)，材料的腐蝕速率急劇加速。

(2)管內(nèi)工質(zhì)溫度相同的情況下，1Cr18Ni9Ti鋼的腐蝕速率相對(duì)其他材料較慢。

(3)工質(zhì)溫度較高的情況下，ND鋼與1Cr18Ni9Ti鋼的腐蝕速率相當(dāng)，但其性?xún)r(jià)比較高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏子萱. 節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)與應(yīng)用[D]. 保定：華北電力大學(xué)，2014.

[2] 叢海濤. 加熱爐余熱回收設(shè)備煙氣露點(diǎn)腐蝕及其抑制[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2001,18(3)：1-5.

[3] 徐軍，張慰生. 耐酸露點(diǎn)腐蝕用NSI鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J]. 特殊鋼,1998,19(6)：40-43.

[4] 吳金星，許思龍，鄧洪生. 火力發(fā)電廠低溫?zé)煔庥酂崂醚芯縖C]//2014年江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集. 南昌：江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2014：86-92.

[5] 張武，馬玉平，劉永剛，等. 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼的研究與應(yīng)用綜述[J]. 安徽冶金,2009,25(3)：9-12.

[6] 王乃華，李淑英，駱仲泱，等. 鎳基滲層管表面實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)的研究[J]. 動(dòng)力工程，2002,22(3)：1804-1807.

[7] Ichiro H，彭曼輝. 轉(zhuǎn)爐的噴濺預(yù)報(bào)和抑制[J]. 首鋼科技，1989(1)：38.

[8] 黃志勇，顏根發(fā)，徐廣治，等. MnO基無(wú)氟復(fù)合造渣劑應(yīng)用的試驗(yàn)研究[J]. 鋼鐵研究，2007,35(2)：48-52.

[9] 蔡昊. 09CrCuSb鋼在鍋爐制造中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)鍋爐，2005,93(5)：22-25.

Research on Low-temperature Corrosion Resistance of 5 Heat Exchanger Tubes

Wang Zheng, Li Qi

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：To find a material that is relatively resistant to low-temperature corrosion with high price-to-performance ratios, a field test was conducted in a power plant in southwest China to evaluate the corrosion resistance of materials. Assessment results show that the corrosion rate of materials would accelerate with decreasing fluid temperature, the corrosion rate of steel 1Cr18Ni9Ti is slower than other materials, but steel ND has a higher price-to-performance ratio.

Keywords：low-temperature corrosion; fluid temperature; corrosion-resistant material

收稿日期：2015-12-21

作者簡(jiǎn)介：王崢(1982—)，女，工程師，主要從事材料及試驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail: wangzheng@speri.com.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TK225

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0173-04