海水冷卻循環(huán)水泵泵殼材料及選用分析

陳沈偉

(浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司， 浙江 嘉興 314201)

表1 沿海電廠循環(huán)水泵泵殼材料及使用情況統(tǒng)計(jì)表

0 引言

某電廠2×1 000 MW 機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用海水作為冷卻水，共配置6臺(tái)立式循環(huán)水泵，泵殼材料為雙相不銹鋼 2205(00Cr22Ni5Mo3N)。在機(jī)組運(yùn)行不到 7 000 h 時(shí)，6臺(tái)循環(huán)水泵泵殼均發(fā)現(xiàn)多處裂紋缺陷，有的已經(jīng)破裂。在當(dāng)前循環(huán)水泵泵殼選用材料當(dāng)中，雙相不銹鋼是耐海水腐蝕最優(yōu)、價(jià)格最貴的一種材料，在如此短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞性失效，造成人們對(duì)該材料在安全運(yùn)行上的擔(dān)憂，并對(duì)泵殼選材的合理性提出了質(zhì)疑。為此，對(duì)周邊其他電廠不同材料的泵殼使用情況進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)各種材料的性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較，并對(duì)泵殼材料的選用進(jìn)行了分析，為設(shè)備選材提供參考。

1 在役循環(huán)水泵泵殼材料情況

通過調(diào)研周邊5家沿海電廠，對(duì)循環(huán)水泵泵殼材料的使用和防腐情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1。從表中可以看出，循環(huán)水泵泵殼的材料根據(jù)耐海水腐蝕性能由低到高大致可分3檔。

(1)碳鋼和低合金鑄鐵如 Q235A 、HT250Ni2、HT200Ni2Cr。

(2)奧氏體鋼如 SUS321(1Cr18Ni9Ti)、 SUS316L(00Cr17Ni14Mo2)。

(3)雙相不銹鋼如 2205(00Cr22Ni5Mo3N)等。

2 泵殼常用材料的成分及性能

泵殼在一臺(tái)泵上的作用是匯集液體及將液體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)為靜壓能，故要求泵殼材料具有良好的力學(xué)性能。而海水中含有較多的氯離子，其吸附于金屬表面，使得金屬表面難以鈍化，且氯離子具有很強(qiáng)的穿透能力，能穿透金屬表面的鈍化層， 故要求海水中的泵殼材料又要有良好的防腐性能。金屬的耐腐蝕性取決于金屬本身的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，合金元素鉻、鉬、氮、鎳、硅、釩等能夠防腐。收集了上述常用循環(huán)水泵泵殼材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2及表3。

表2 泵殼常用材料的化學(xué)成分 %

表3 泵殼常用材料的力學(xué)性能

3 泵殼常用材料的性能特點(diǎn)分析

3.1 Q235A

碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度較低，其韌性和塑性較好，并具有良好的熱加工性能和焊接性能[1]。其最大缺點(diǎn)是耐海水腐蝕性差，需要采取很好的防腐涂料及陰極保護(hù)措施[2]。焊接修復(fù)比較容易，材料價(jià)格便宜但防腐要求高。

3.2 HT250Ni2、HT200Ni2Cr

合金鑄鐵，強(qiáng)度比Q235A還低，其脆性較大，焊接性能也差。由于加入2%左右的Ni，比Q235A的耐海水腐蝕性能有較大改善，但殼體仍需要采取很好的防腐涂料[3]及陰極保護(hù)措施。由于脆性大，其抗沖擊載荷和抗機(jī)械疲勞性能差，材料價(jià)格相對(duì)較便宜，焊接修復(fù)較困難，易產(chǎn)生冷裂紋。

3.3 SUS321

18-8型奧氏體不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度比前面的鋼種要高得多，具有良好的韌性和塑性，并具有良好的焊接性能。由于Cr含量達(dá)到18%，因此耐腐蝕性能也得以大大提高。由于鋼中含有Ti元素，能形成穩(wěn)定的TiC，一定程度上可避免在晶界上析出Cr23C6引起的晶間腐蝕，故抗腐蝕性能比不含Ti的SUS304好，不過仍然需要采取較好的防腐措施。其價(jià)格適中，焊接修復(fù)時(shí)要重點(diǎn)考慮防止熱裂紋和采取防止接頭產(chǎn)生晶間腐蝕措施。

3.4 SUS316L

超低碳奧氏體不銹鋼，其強(qiáng)度比SUS321稍低，具有良好的韌性和塑性，并具有良好的焊接性能[4]。由于鋼中加入了2%～3%左右的Mo，其耐酸蝕和點(diǎn)蝕性能顯著提高，是針對(duì)海水介質(zhì)中使用開發(fā)的鋼種，其耐海水腐蝕性能比SUS321好，但價(jià)格比SUS321貴15%左右。316L盡管具有良好的耐海水腐蝕性能，但為確保長期使用的可靠性，仍需要采取一定的防腐措施。焊接修復(fù)時(shí)也要重點(diǎn)考慮防止熱裂紋和采取防止接頭產(chǎn)生晶間腐蝕措施。

3.5 00Cr22Ni5Mo3N

雙相不銹鋼，其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體不銹鋼相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性， 耐晶間腐蝕性能顯著提高；與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。另外，雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕性能。耐海水腐蝕性能比316L還好，不需采取防腐措施，但價(jià)格比316L高20%左右。雙相不銹鋼焊接過程對(duì)于線能量和層間溫度的控制要求很高[5]，工藝掌握不當(dāng)，導(dǎo)致接頭的雙相組織比例得不到保證，會(huì)影響其耐蝕性能。另外，雙相不銹鋼對(duì)氫致裂紋比較敏感。焊接修復(fù)時(shí)要重點(diǎn)考慮焊縫和熱影響區(qū)的兩相比例，確保奧氏體組織數(shù)量，同時(shí)要做好防止氫致裂紋措施。

4 循環(huán)水泵殼體失效原因分析

該電廠2臺(tái)機(jī)組6臺(tái)循環(huán)水泵在投產(chǎn)后不到7 000 h就發(fā)現(xiàn)各臺(tái)泵泵殼(材質(zhì)為雙相不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N)均出現(xiàn)多處裂紋，最大的破口達(dá)到1 300×1 500 mm。根據(jù)循環(huán)泵廠方提供的分析報(bào)告得知：對(duì)筒體母材和焊縫進(jìn)行檢查、分析和取樣試驗(yàn)，結(jié)果表明母材質(zhì)量符合規(guī)范要求，而焊縫中出現(xiàn)凝固裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，另外存在鐵素體與奧氏體相的不平衡現(xiàn)象；對(duì)頻率進(jìn)行了校核計(jì)算，結(jié)果表明筒體固有頻率(31.58 Hz)與水泵壓力脈動(dòng)頻率(31.00 Hz)非常接近，表明運(yùn)行過程不可避免地存在共振。由此分析泵殼失效原因有存在共振現(xiàn)象，導(dǎo)致筒體的應(yīng)力水平大大增加；筒節(jié)之間呈“V”字形的結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步集中；筒節(jié)法蘭焊縫缺陷的存在。以上為疲勞源產(chǎn)生的3個(gè)方面原因。

5 循環(huán)水泵材料選用分析

從以上情況看，早期投產(chǎn)的循環(huán)水泵泵殼選用HT250Ni2，HT200Ni2Cr材料較多，如果防腐措施做得好，也能保障其長期運(yùn)行。但如果陰極保護(hù)裝置投用不正常也容易出現(xiàn)腐蝕剝落現(xiàn)象。目前，新建機(jī)組海水循環(huán)水泵泵殼較多地采用了雙相不銹鋼，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不需采取防腐措施。但均有電廠發(fā)生雙相不銹鋼材料的泵殼破裂或斷裂失效事件，已引起大家的高度關(guān)注。

對(duì)于循環(huán)水泵的葉輪、葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)軸等關(guān)鍵部件應(yīng)采用耐海水腐蝕性能優(yōu)良的雙相不銹鋼。這些部件不僅重要性高，且難以采取防腐措施，另外基本上沒有焊接接頭。

循環(huán)水泵殼體選材分析：因循環(huán)水管道普遍使用 Q235A 或 10CrMoAl，閥門使用帶襯膠的鑄鋼，因此從循環(huán)水整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備用材情況看，循環(huán)水泵殼體使用鑄鐵合金也能匹配。 以下是循環(huán)水泵殼體3檔備選材料的簡(jiǎn)要分析。

(1)采用低檔材料(碳鋼或鑄鐵合金)。最大優(yōu)點(diǎn)是材料價(jià)格低廉、初投資少，但對(duì)防腐要求高，如果陰極保護(hù)措施失靈，材料很容易被腐蝕。另外，鑄鐵合金由于材料較脆，抗沖擊載荷和機(jī)械疲勞性能較差，如果要修復(fù)，其焊接難度大。

(2)采用中檔材料(奧氏體鋼)。SUS316L 或 SUS321 是性價(jià)比和可靠性都較高的奧氏體鋼材料。用于海水環(huán)境下，SUS316L的抗腐蝕性能更好，應(yīng)優(yōu)先考慮。相對(duì)于雙相不銹鋼，奧氏體鋼是更加成熟的鋼種，同時(shí)其焊接工藝也容易把握。當(dāng)然，奧氏體鋼的防腐措施仍需做好。

(3)采用高檔材料(雙相不銹鋼)。從近幾年新投產(chǎn)的海水循環(huán)水泵來看，泵殼基本上都使用 00Cr22Ni5Mo3N 雙相不銹鋼。該材料除了比奧氏體鋼具有更好的抗腐蝕性能外，強(qiáng)度要高一些，因此用材可以省一些。但雙相不銹鋼的價(jià)格要比奧氏體鋼高。從失效的案例來看，材料本身應(yīng)該沒有什么問題，但在執(zhí)行焊接工藝和焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)上需要提高。從該廠2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水泵泵殼失效情況看，焊接缺陷成為產(chǎn)生疲勞裂紋的疲勞源。另外焊縫質(zhì)量差仍然會(huì)產(chǎn)生殼體腐蝕問題，因此仍然有防腐的需要。

6 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，雖然雙相不銹鋼具有更好的耐海水腐蝕性能，且強(qiáng)度也更高一些，但在焊接工藝和焊接質(zhì)量方面提出了更高的要求，正是焊縫的質(zhì)量差造成了泵體腐蝕開裂，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。碳鋼或鑄鐵合金等低檔材料雖然價(jià)格低廉，但防腐要求高，一旦陰極保護(hù)失效就很容易產(chǎn)生腐蝕，故也影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。綜合考慮材料化學(xué)性能、力學(xué)性能、工藝性能和防腐措施等因素，建議采用中等偏上的材料SUS316L 作為循環(huán)水泵殼體材料，完全可以滿足機(jī)組使用壽命的需求。