燃燒器噴嘴的腐蝕原因分析與改進

李 益，王紅濤，楊 維，洪 軍(中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200)

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燃燒器噴嘴的腐蝕原因分析與改進

李 益，王紅濤，楊 維，洪 軍
(中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安 710200)

為了查明燃燒器噴嘴過快腐蝕的原因，通過物理金相觀察和腐蝕原理分析，從零件表面腐蝕狀態(tài)、腐蝕機理、腐蝕形式相繼對噴嘴噴頭進行了推斷。最終確定噴頭的工藝缺陷、材料選擇、燃料使用等因素是導(dǎo)致零件失效的誘因，并做了相應(yīng)的改進與調(diào)整。結(jié)果表明：改進方案可行、有效，不但使零件質(zhì)量問題得到了徹底解決，而且提高了設(shè)備工作效率。

燃燒器噴嘴；腐蝕；金相法；馬氏體不銹鋼

0 引 言

噴嘴是燃油燃燒器總成關(guān)鍵零部件之一，它的作用是控制燃油噴射量和實現(xiàn)燃油霧化，其工藝設(shè)計、使用性能直接影響著燃燒器霧化效果[1]。近年來，隨著中國市場對燃燒器需求量的增大，許多國內(nèi)企業(yè)開始研發(fā)制造燃燒器，但受國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)水平制約，國產(chǎn)燃油燃燒器仍存在著諸多問題，如產(chǎn)品零部件匹配性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、安全性能較低、環(huán)境污染等；國外進口設(shè)備雖然沒有以上問題，但價格十分昂貴[2-7]。本文針對國產(chǎn)燃燒器噴嘴使用壽命短、腐蝕失效過快的現(xiàn)狀，從某公司瀝青混合料攪拌設(shè)備燃燒器噴嘴入手，對零件的腐蝕現(xiàn)狀、腐蝕機理及各影響因素分別進行探究與分析，采用材料更換、工藝改進等手段解決燃燒器噴嘴的質(zhì)量問題。

1 失效概況

燃燒器噴嘴(噴射頭部分)表面腐蝕狀態(tài)如圖1所示，噴射頭內(nèi)腔表面腐蝕嚴重，呈暗紅色，Ф3 mm油孔周邊存在明顯的點狀腐蝕坑。噴嘴設(shè)計材料為馬氏體不銹鋼95Cr18，熱處理工藝為淬火處理，硬度為58～62 HRC。

通過物理金相法在顯微狀態(tài)下可觀察到噴嘴橫向剖面的點腐蝕微觀形態(tài)，如圖2所示。其中Ф3 mm油孔周邊橫向分布著大小不同的黑色孔洞，即點蝕坑，較大的直徑約為0.8 mm。沿油孔的縱向截面進行切割制樣觀察，發(fā)現(xiàn)油孔內(nèi)部腐蝕狀況更為嚴重，腐蝕坑從表層向深度方向擴展延伸，最大深度約3.0 mm，如圖3所示，更嚴重時甚至貫穿整個截面。

2 腐蝕原理

燃油噴嘴和調(diào)風(fēng)器共同構(gòu)成燃燒器，在高壓高溫環(huán)境中，燃油高速通過噴頭形成霧化蒸汽；燃油蒸汽中的雜質(zhì)會在噴嘴噴射頭內(nèi)表面凹槽處和油孔位置形成沉積物，引起通道變窄，改變噴嘴的基本線型，導(dǎo)致汽流擾離、油孔處磨損和腐蝕頻率增加[8-10]。除此之外，由于噴嘴零件設(shè)計工藝存在缺陷，未對機加工后的Ф3 mm油孔進行除屑清理和孔位磨削，造成零件表面光潔度差和部分油孔堵塞，引起汽流不均，熱磨損增大；噴嘴的霧化效率差，導(dǎo)致液滴滯留，從而加快腐蝕。

因此可知，噴嘴的腐蝕機理主要是磨損和沉積物腐蝕。其中，沉積物為腐蝕環(huán)境提供了土壤，而蒸汽中的水蒸氣和硫化物則是造成噴嘴噴射頭嚴重腐蝕的根源，且隨著各自含量的增加，對設(shè)備的腐蝕越嚴重；低溫時燃油中的H2S能形成各種H2S-H2O型腐蝕物，而在240 ℃以上時硫或硫化物常產(chǎn)生典型的高溫硫腐蝕物[11]。

由微觀形態(tài)可見，噴嘴的主要腐蝕形式為局部腐蝕環(huán)境下的點腐蝕。不銹鋼的耐腐蝕性主要是依靠表面鈍化薄膜的作用，如果薄膜的破壞是集中在某個特定部位，從而產(chǎn)生腐蝕孔，其他部分還保持鈍化狀態(tài)，則這種腐蝕稱作點腐蝕[12]。噴嘴因使用性能要求需加工一系列的Ф3 mm油孔，這必然導(dǎo)致該處位置的表面鈍化薄膜被破壞，容易形成腐蝕，最終產(chǎn)生點腐蝕現(xiàn)象。

3 影響因素

3.1 熱處理工藝

95Cr18不銹鋼噴嘴的淬火加熱溫度為1 030 ℃～1070 ℃，淬火介質(zhì)為油。對于這類高碳高鉻馬氏體不銹鋼噴嘴，若用箱式加熱爐淬火，會因零件太小和可控氣氛的影響引起零件表層脫碳，形成一定的脫碳層，使不銹鋼鈍化薄膜受到破壞，零件表層及油孔周圍強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性降低；若采用鹽浴爐加熱淬火，又會因含有大量氯離子介質(zhì)，對零件表面產(chǎn)生腐蝕。零件淬火后要進行回火，當回火溫度過低時，由于內(nèi)應(yīng)力存在，零件容易發(fā)生開裂或變形；回火溫度過高又會形成過多的鉻碳化合物，降低基體組織的鉻含量，影響零件的耐蝕性、硬度、強度和耐磨性[13]。所以，95Cr18噴嘴熱處理工藝的設(shè)計和控制存在一定的缺陷和難度。

3.2 加工缺陷

機加零件一般熱處理后需進行精加工或精磨，以消除其表面氧化、脫碳層等缺陷。對于燃燒器噴嘴，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，零件表面內(nèi)、外兩周Ф3 mm油孔與垂直方向分別呈44°和22°角，且孔位小而密集，受國內(nèi)技術(shù)條件所限，油孔內(nèi)徑表面精磨較難實施；因此，油孔內(nèi)表面粗糙度較大，常伴有毛刺、鐵屑，容易沉積雜物結(jié)焦或堵塞，產(chǎn)生腐蝕坑。

3.3 材料選擇

95Cr18鋼屬于高碳高鉻馬氏體不銹鋼，淬火后具有高硬度、高耐磨性和一定的耐蝕性。馬氏體不銹鋼的耐蝕性主要取決于鉻含量 ，但碳和鉻的親和力很強，不銹鋼中的碳會與鉻形成穩(wěn)定的碳化鉻，消弱鉻的存在；鋼中碳含量越高，形成的碳化鉻就越多，固溶體中的鉻含量就越少，鋼的耐蝕性就會降低，間接影響鋼的耐蝕性[14-15]。對于耐蝕性要求較高的不銹鋼材料，一般碳含量要求不超過0.4%，而95Cr18材料的碳含量為0.90%～1.00%，其耐蝕性必然受到一定的制約與影響。

3.4 油料混雜

燃燒器應(yīng)用過程中油料混雜，柴油、重油、渣油均在使用，各類燃油的黏度、水分、硫含量、機械雜質(zhì)、熱值等技術(shù)指標差別很大。當燃油雜質(zhì)較多時，噴射口會高速磨損；燃油黏度過大或過小不利于油的霧化，往往隨著使用時間的延長常有黏度增加、沉積、變質(zhì)等現(xiàn)象；另外，燃油霧化噴燃過程中伴有的水、硫與空氣中的氧氣高溫燃燒生成H2SO4和H2SO3，會加速燃燒器噴嘴內(nèi)腔、油孔的腐蝕磨損。

4 改進方案

(1)將馬氏體不銹鋼95Cr18更換為30Cr13材料。30Cr13較95Cr18碳含量低，碳與鉻結(jié)合的傾向小，可以最大限度地保持鋼中固溶體的鉻含量，增強材料自身的耐蝕性，熱處理過程零件脫碳幾率小。所以，30Cr13不銹鋼材料常被用于制造腐蝕介質(zhì)環(huán)境中的磨損件。2種馬氏體不銹鋼化學(xué)成分對照見表1。

表1 兩種馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分對照 %

(2)用低溫離子滲氮工藝代替整體熱處理淬火[16]。離子滲氮是提高零件硬度、耐磨性、疲勞強度及耐蝕性最有效的手段之一，它利用氨氣作為滲氮介質(zhì)，使活性氮原子催滲到工件表面，滲入速度快，零件變形小，滲層深度易于控制。350 ℃低溫離子滲氮零件表面硬度和耐腐蝕性均明顯高于常規(guī)高溫離子滲氮(500 ℃～570 ℃)零件，所以選擇該工藝，不但可以使零件獲得更高的表面硬度、疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，避免熱處理淬火形變問題，同時也可增加零件的表面光潔度，促進燃料油霧化效果。

(3)嚴格控制燃油質(zhì)量。燃油種類不同，成分差異很大，不同的燃油霧化溫度要求也不盡相同，使用前應(yīng)控制好燃油的成分、性能和熱值，具體參數(shù)見表2；避免油料盲目使用或混用的現(xiàn)狀，對使用情況不明確時嚴禁隨意亂用。

對改進后的30Cr13燃燒器噴嘴進行了質(zhì)量跟蹤，通過3年來的用戶反饋，零件表面并未發(fā)現(xiàn)任何明顯的腐蝕、磨損等不良現(xiàn)象，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，霧化燃燒效果更優(yōu)。

5 結(jié) 語

(1)以某瀝青混合料攪拌設(shè)備燃燒器噴嘴為例，對國產(chǎn)燃燒器噴嘴使用壽命短、腐蝕失效過快的現(xiàn)狀進行分析；采用物理金相法觀察、推斷腐蝕機理，并對腐蝕嚴重的噴嘴進行了全面的診斷分析。

表2 燃油的主要技術(shù)指標

(2)通過對該類型噴嘴腐蝕微觀形態(tài)的分析，判定其為局部點狀腐蝕，腐蝕機理主要是沉積物腐蝕和磨損；加速腐蝕的有害物質(zhì)為蒸汽中的水蒸氣和硫化物。導(dǎo)致零件不耐腐蝕的最根本原因是工藝設(shè)計過程中的選材、熱處理工序不當，以及制造過程的加工缺陷和燃油質(zhì)量成分管控不規(guī)范等。

(3)將原來噴嘴的95Cr18材料更換為更耐腐蝕的30Cr13材料，用低溫離子滲氮新工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱處理淬火工藝，避免了熱處理過程中淬火形變、開裂和零件表面脫碳、氧化等問題，且工藝更易控制；同時在燃油的質(zhì)量成分控制方面也提供了一些技術(shù)指標依據(jù)。最終，噴嘴零件獲得了更高的表面硬度、疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，表面光潔度也得到了很大改善。

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[責(zé)任編輯:杜敏浩]

Corrosion Cause Analysis and Improvement of Burner Nozzle

LI Yi, WANG Hong-tao, YANG Wei, HONG Jun
(CCCC Xi’an Road Construction Machinery Co., Ltd., Xi’an 710200, Shaanxi, China)

In order to find out the reasons for the premature corrosion of the burner nozzle, the nozzle was analyzed in aspects of corrosion state of the surface, the corrosion mechanism and the corrosion form by physical metallographic observation and analysis of the corrosion principle. The failure of parts were attributed to the process defects, material selection, fuel use and other factors, and corresponding improvement and adjustment was made. The results show that the improvement scheme is feasible and effective, which not only solves the quality problem of the parts, but also improves the working efficiency of the equipment.

burner nozzle; corrosion; metallographic method; Martensitic stainless steel

1000-033X(2017)06-0095-03

2016-12-20

楊 維(1980-)，男，陜西戶縣人，工程師，研究方向為金屬材料理化檢測與失效分析。

U415.5

B