電除塵器極線腐蝕失效原因分析

王東柱, 李 明(. 上海齊耀動力技術(shù)有限公司, 上海 003; . 上海金藝檢測技術(shù)有限公司, 上海 00940)

電除塵器極線腐蝕失效原因分析

王東柱1, 李 明2
(1. 上海齊耀動力技術(shù)有限公司, 上海 201203; 2. 上海金藝檢測技術(shù)有限公司, 上海 200940)

某電除塵器在使用過程中極線發(fā)生嚴重的氧化腐蝕，影響電除塵器的除塵效果。采用宏觀檢驗、化學成分分析、腐蝕產(chǎn)物分析和金相檢驗方法，分析了電除塵器極線的腐蝕失效原因。結(jié)果表明：電除塵器極線在高溫下發(fā)生了氧化；由于有氯元素的存在，覆蓋在材料表面的氧化膜遭到破壞，加速了活性區(qū)的金屬溶解，降低了腐蝕的阻滯作用，造成電除塵器極線表面的氧化腐蝕產(chǎn)物剝落，使極線的氧化腐蝕速率增大，最終導致電除塵器極線的減薄失效。

電除塵器；極線；氧化腐蝕；氧化膜

隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，社會對環(huán)境保護的要求不斷提高。電除塵器作為一種治理大氣粉塵污染的設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。電除塵器的工作原理是使含塵氣體中的粉塵顆粒荷電，在電場力的作用下驅(qū)使帶電塵粒沉降在收塵極板的表面，從而使氣體得到凈化。許多電除塵器都采用帶尖刺的陰極線，這種陰極線起始電暈電壓低、放電強烈、電風大、除塵效率高。

圖1 電除塵器極線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of the polar line of the electric precipitator

電除塵器所處的工作環(huán)境通常較為惡劣，服役一段時間后除塵效果明顯下降。某廠電除塵器中使用的極線是鋸齒線，材料為X10CrA17耐熱鋼(德國牌號)結(jié)構(gòu)如圖1所示。服役2 a(年)后，將電除塵器拆解發(fā)現(xiàn)，極線發(fā)生嚴重的氧化腐蝕，腐蝕產(chǎn)物大量剝落，極線變薄失效。據(jù)了解，該極線所處的工作環(huán)境為煤氣、二氧化碳、氧氣、氧化鐵粉塵等，溫度為150 ℃以上。筆者通過對電除塵器極線進行宏觀檢驗、化學成分分析、腐蝕產(chǎn)物分析、金相檢驗，判斷其腐蝕失效的機理和原因，以尋找改進方案。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)，電除塵器極線發(fā)生嚴重的氧化腐蝕(圖2)，呈深褐色和紅棕色，腐蝕產(chǎn)物剝落，極線的寬度、齒高和厚度發(fā)生明顯變化。實際測得電除塵器極線的寬度為1.2～1.3 mm，齒高為0.6～0.8 mm，最厚處的厚度約為2.8 mm，最薄處的厚度約為0.65 mm。

圖2 電除塵器極線的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the polar line of the electric precipitator

1.2 化學成分分析

電除塵器極線的化學成分分析結(jié)果如表1所示，可見該極線的化學成分符合德國DIN標準對X10CrAl7耐熱鋼成分的要求。

表1 極線的化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the polar line (mass) %

1.3 腐蝕產(chǎn)物分析

將電除塵器極線的截面拋光處理后在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，極線表面存在氧化腐蝕層，厚度約為0.030 mm。另外還有一條向內(nèi)部擴展的裂紋，深度約為0.060 mm。對級線上的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，分析位置和結(jié)果如圖3和表2所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化腐蝕層中存在氧、氯等氧化腐蝕性元素。元素的面掃描分析結(jié)果如圖4所示，由結(jié)果可見：裂紋中富集氧元素；緊靠基體表面主要含鉻、鐵的氧化物，相對較均勻；外面一層富集氯、鉀元素；最表面存在分布不連續(xù)的含鉻、鐵氧化物。

圖3 能譜分析位置示意圖Fig.3 Sketch diagram of the energy spectrum analysis positions: (a) position 1; (b) position 2; (c) position 3

%

圖4 極線截面的元素面分布Fig.4 Area distribution of elements of cross section of the polar line:(a) electron image; (b) O element; (c) Cr element;(d) Fe element; (e) Cl element; (f) K element

1.4 金相檢驗

從失效電除塵器極線上截取截面試樣進行金相檢驗，結(jié)果如圖5～6所示。電除塵器極線中的非金屬夾雜物含量為：A0，B0，C0，D2；顯微組織為奧氏體，奧氏體晶粒粗大(大于1級)；極線表面存在沿奧氏體晶界向內(nèi)擴展的裂紋。

圖5 極線截面拋光態(tài)形貌Fig.5 Polished appearance of cross section of the polar line

圖6 極線截面腐蝕態(tài)形貌Fig.6 Corroded appearance of cross section the polar line

2 分析與討論

一般來說，奧氏體晶粒在較高溫度下會長大，由于晶粒長大，晶界也變得相對粗大。從試驗結(jié)果來看，電除塵器極線服役現(xiàn)場的溫度可能相當高。粗大的奧氏體晶粒在氧化腐蝕環(huán)境中容易發(fā)生開裂，因而極線表面局部區(qū)域出現(xiàn)沿奧氏體晶界向內(nèi)擴展的裂紋。

失效的電除塵器極線所使用的材料為X10CrAl7耐熱不銹鋼，含鉻不銹鋼的氧化是首先在金屬表面生成較致密的Fe(Fe2-x)CrxO4，然后在外層形成Fe3O4和Fe2O3[1]。隨著氧化腐蝕層厚度的增加，腐蝕介質(zhì)擴散(傳送)到金屬表面和腐蝕產(chǎn)物朝相反方向的擴散比較困難，引起腐蝕作用的阻滯[2]。

由于電除塵器極線的氧化腐蝕產(chǎn)物中存在氯元素，而氯離子會破壞腐蝕產(chǎn)物膜在試樣表面的覆蓋，加速活性區(qū)金屬溶解[3]。氯離子對不銹鋼耐蝕性的影響主要是引起鈍化膜的局部破壞[4]，材料表面的氧化膜往往會因為與固態(tài)鹽發(fā)生反應(yīng)而被破壞，同時釋放出氣態(tài)的氯。釋放出的氣態(tài)氯能擴散到氧勢較低的氧化膜-基體界面處，與基體發(fā)生反應(yīng)生成易揮發(fā)的金屬氯化物。在通過氧化膜內(nèi)的缺陷向外擴散的過程中，該氯化物隨氧勢的升高又重新向氧化物轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變會在氧化膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，破壞氧化膜的致密性及其與基體的黏附性，從而導致腐蝕進一步加速。氯化物向氧化物轉(zhuǎn)變時釋放出的部分氯氣將重新返回到基體表面繼續(xù)參與反應(yīng)，直到氯鹽被全部消耗。在此過程中，氯氣起到一種自催化作用[5]，因而電除塵器極線外層的氧化產(chǎn)物遭到嚴重破壞，造成氧化皮剝落，而內(nèi)層較致密的氧化膜尚未受到破壞，這時氧化腐蝕層的腐蝕阻滯作用降低，氧化腐蝕速率加大，結(jié)果導致電除塵器極線不斷變薄并失效。

3 結(jié)論

(1) 氯元素對電除塵極線的氧化腐蝕產(chǎn)物造成破壞，降低腐蝕的阻滯作用，加大氧化腐蝕速率，結(jié)果導致電除塵器極線表面發(fā)生嚴重的氧化腐蝕，極線不斷變薄。

(2) 現(xiàn)場工作環(huán)境溫度較高，電除塵器極線材料中的奧氏體晶粒發(fā)生長大，晶界也相對較粗，在氧化腐蝕環(huán)境中發(fā)生開裂并失效。

4 建議與措施

(1) 查明電除塵器現(xiàn)場工作環(huán)境中氯元素的來源，采取合適的措施排除或控制氯元素的破壞作用，延長極線的使用壽命。

(2) 鉻鋼中的鉻含量在4%～6%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，其在空氣中的耐熱溫度最高為650 ℃；而要承受1 050～1 100 ℃的高溫，鉻含量則需要達到27%[6]。因此需要根據(jù)電除塵器的實際工況溫度，選擇合適的極線材料。

(3) Fe-Cr合金經(jīng)預氧化處理后，其表面會生成一層致密的Cr2O3氧化膜，能明顯改善其抗高溫氧化性能，因此可考慮對電除塵器極線采取預氧化處理，延緩其氧化腐蝕進程。

[1] 艾萬思.金屬的腐蝕與氧化[M].華保定,譯.1版.北京：機械工業(yè)出版社,1976:49.

[2] 托馬曉夫.金屬腐蝕理論[M].余柏年,譯.1版.北京:科學出版社,1962:7.

[3] 陳長風,路民旭,趙國仙,等.溫度、C1-濃度、Cr元素對N80鋼CO2腐蝕電極過程的影響[J].金屬學報,2003,39(8):848-854.

[5] 劉曉亮,馬海濤,王來,等.Fe-Cr合金預氧化后涂覆KCl鹽膜的熱腐蝕行為[J].材料保護,2009,42(9):12-15.

[6] 蘭州化學工業(yè)公司化工機械研究所.金屬腐蝕基本理論[M].1版.北京:燃料化學工業(yè)出版社,1974:1-84.

Reason Analysis on Corrosion Failure for the Polar line of the Electric Precipitator

WANG Dong-zhu1, LI Ming2
(1. Shanghai Micro Powers Co., Ltd., Shanghai 201203, China; 2. Shanghai Jin Yi Inspection Technology Co., Ltd., Shanghai 200940, China)

Serious oxidation corrosion happened to the polar line of the electric precipitator during use process, and it affected the dedusting effect of the electric precipitator. The corrosion failure reasons of the polar line of the electric precipitator were analyzed by macrographic examination, chemical composition analysis, corrosion product analysis and metallographic examination. The results show that: the polar line of the electric precipitator was oxidized under superheated condition; the oxidation coatings on the material surface were destroyed by the chloride element, so the metal dissolution in the reaction areas was accelerated, and the retarded effect of the oxidation coatings was reduced, which led to the corrosion product desquamation on the surface of the polar line of the electric precipitators; the oxidation corrosion rate of the polar line increased, and finally the polar line was getting thinner to failure.

electric precipitator; polar line; oxidation corrosion; oxide film

2016-05-02

王東柱(1985-)，男，助理工程師，主要從事金屬材料的應(yīng)用研究，wangdongzhu@micropowers.com。

10.11973/lhjy-wl201703012

TG142.73

B

1001-4012(2017)03-0201-03