李一民 魏子海 張楷*/成都電力機械廠

電站風機耐硫酸腐蝕材料的全浸試驗研究

李一民 魏子海 張楷*/成都電力機械廠

1 概述

排煙溫度每降低10℃，電站鍋爐的效率可增加0.61％左右，因此，推廣鍋爐煙氣余熱回收技術有利于節(jié)能減排，降低排煙溫度、增加發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟效益已成為發(fā)展趨勢。然而，隨著煙氣溫度的降低，當風機的金屬壁溫低于煙氣露點溫度時，燃煤中的硫在燃燒時，發(fā)生系列反應后所生成的硫酸蒸氣（S+O2→SO2、SO2+O2→SO3，SO3+H2O→H2SO4），會凝結(jié)在金屬的表面形成硫酸液體，導致嚴重的硫酸露點腐蝕，從而影響到發(fā)電機組的安全可靠運行[1]。圖1為某600MW發(fā)電機組的鍋爐動調(diào)軸流引風機葉輪，其葉片的葉柄部位受到硫酸露點腐蝕后的宏觀形貌。

圖1 風機葉片的葉柄受到硫酸露點腐蝕的宏觀形貌圖

2 樣本檢測及腐蝕性

2.1 樣本檢測

從某電廠350MW機組鍋爐引風機葉輪上采集的檢測樣本，系含硫煙塵和腐蝕產(chǎn)物形成的固態(tài)堆積結(jié)垢物。該機組燃煤煤種分析報告中含硫量較高為2.2％。采用INCA250 X-MAX50 X射線能譜儀對采集到的固態(tài)樣本進行元素定性和半定量檢測，結(jié)果見表1和圖2。

表1 固態(tài)樣本中的元素和重量百分比％

圖2 固態(tài)樣本能譜分析圖

由表1和圖2可見，固態(tài)樣本主要組成元素為O，S，F(xiàn)e，Si，Al，值得關注的是樣本中S元素峰值較高僅次于O元素。采用X'Pert ProMPD X射線衍射儀對固態(tài)樣本進行物相分析的結(jié)果表明，固態(tài)樣本的主要物相為水鐵礬FeSO4·H2O和針綠礬Fe2（SO4）3·9H2O，顯然煙塵中的硫是風機腐蝕的首要因素。

2.2 樣本腐蝕性驗證

由于工況條件的限制，在風機現(xiàn)場不可能采集到能滿足腐蝕試驗所需的原生態(tài)腐蝕溶液。將固態(tài)樣本粉碎細化，按粉、水質(zhì)量比1:1.5經(jīng)充分溶解后制成溶液樣本，由ICS-90離子色譜儀對溶液樣本進行酸根含量的測試，測試結(jié)果見表2。

表2 溶液樣本中的酸根含量mg/ml

采用廣泛試紙測試溶液樣本的PH值等于2，呈現(xiàn)強酸性。

為驗證溶液樣本的腐蝕性，參照JB/T 7901-1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》；GB/T 4434.6-2000《不銹鋼5％硫酸腐蝕試驗方法》進行腐蝕試驗。根據(jù)腐蝕條件和耐蝕性[2],選擇了8種材料進行腐蝕試驗，各材料的主要化學成分和編號詳見表3。

表3 試驗材料的主要化學成分和編號％

將裝有溶液樣本的燒杯放入SRJX-4-9型箱式恒溫電阻爐內(nèi)，按表4的試驗條件進行腐蝕。當溶液樣本達到表4的溫度后，放入試樣并開始計時保溫，每隔24h將試樣取出清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，反復沖洗、吹干稱重并記錄每次試樣的質(zhì)量變化，總腐蝕時間為t=192h。采用FA1004型精密分析天平稱重試樣（測試精度d=0.000 1g）。

表4為溶液樣本中的試樣，在3種溫度下，各時間段的單位面積失重量ΔW'記錄，及t=192h后試樣的單位面積總失重量ΔW（一般采用腐蝕速率：被測材料在某特定試驗條件下，在單位時間，單位面積的質(zhì)量變化來評價其耐蝕性。因試驗時間相同，試樣只發(fā)生失重現(xiàn)象，故其耐蝕性以單位面積的失重量來衡量）。

表4 材料7在溶液樣本中不同條件下的測試數(shù)據(jù)表mg/cm2

樣本溶液中材料7在3種不同溫度條件下各經(jīng)過8次循環(huán)，共192h×3=576h均勻全浸腐蝕后，測得的腐蝕動力學曲線見圖3。

圖3 腐蝕動力學曲線圖

由表4和圖3可見：材料7在T=23℃時的Δ W=109.272mg/cm2，在T=60℃時的Δ W= 165.026mg/cm2，分別與材料7在后續(xù)的A和H試驗條件下的結(jié)果接近，詳見表5和表6。在48h內(nèi)，溶液樣本對試樣的腐蝕程度隨溫度升高而增加。隨時間的延長，溶液樣本對試樣的腐蝕性趨于減弱。在3種溫度下，溶液樣本對試樣的最大腐蝕速率發(fā)生在最初的24h內(nèi)。這證實了從風機現(xiàn)場采集到由含硫煙塵配制的溶液樣本具有很強的腐蝕性。

3 試驗材料和方案

3.1 材料選擇

常見的耐硫酸腐蝕性好的材料有塑料、玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）、合成橡膠、鉛料等，但因塑料在稍高溫度下產(chǎn)生蠕變易老化，玻璃韌性差易碎，聚四氟乙烯與金屬的附著力低不耐磨，合成橡膠受增塑劑、填料影響耐蝕性不穩(wěn)定，鉛料對人體危害大等因素的影響，使這些材料在電站風機處于硫酸露點腐蝕工況條件下的應用受到制約[3-4]。

隨著技術的進步，耐蝕抗磨、性能穩(wěn)定、來源廣泛的各種金屬材料不斷出現(xiàn)。如表3中材料8為一種既耐硫酸露點腐蝕，又耐大氣腐蝕的鋼種以及與其匹配的材料0已被廣泛使用。材料7作為風機制造中最常用的基本鋼種是為了方便進行比對而入選。

3.2 方案確定

松島巖依據(jù)Taylor的氣液平衡關系得到硫酸露點濃度與溫度之間的對應關系，認為在煙氣條件下，硫酸凝結(jié)的濃度是隨環(huán)境溫度的變化而變化。而金屬材料的腐蝕速度是由硫酸濃度C和溫度T所決定的。在C=40％～50％，T=50～70℃和C= 80％，T=120～130℃時，對金屬材料的腐蝕最大[5]。結(jié)合風機運行的實際工況，試驗方案對引起材料腐蝕的主要因素C和T作出了如表5的規(guī)定。

表5 試驗方案中的各種試驗條件及代號表

4 材料耐蝕性比較

與溶液樣本腐蝕驗證的試驗流程相同，8種材料在9個試驗條件下的全浸試驗結(jié)果見表6和圖4～圖12。

表6 各材料在相同試驗條件下的失重量ΔW表mg/cm2

圖4 A試驗條件下各材料的N比較圖

圖5 B試驗條件下各材料的N比較圖

圖6 C試驗條件下各材料的N比較圖

圖7 D試驗條件下各材料的N比較圖

圖8 E試驗條件下各材料的N比較圖

圖9 F試驗條件下各材料的N比較圖

圖10 G試驗條件下各材料的N比較圖

圖11 H試驗條件下各材料的N比較圖

圖12 I試驗條件下各材料的N比較圖

按照表5的方案，根據(jù)全浸試驗結(jié)果所描繪出的腐蝕動力學曲線，雖然能夠反映出特定試驗條件下材料的腐蝕速率、程度等規(guī)律，但是將在該試驗條件下所得到的各種材料與比對材料7試樣的單位面積總失重量ΔW，換算成相對耐蝕性N進行比較，則更直觀和更具有現(xiàn)實的工程意義。（相對耐蝕性N：在相同的腐蝕試驗條件下，比對材料試樣單位面積總失重量與某材料試樣單位面積總失重量的比值）。

表6和圖4～圖12為各材料與比對材料7在相同試驗條件下的單位面積總失重量ΔW和相對耐蝕性N的比較。

T=23℃時，材料的相對耐蝕性N由圖4～圖6可見。耐硫酸露點腐蝕材料8和0，在3種條件下的相對耐蝕性N相當，與比對材料7相比，其耐蝕性能沒有優(yōu)勢。材料1，2，3，5在不同的條件下，表現(xiàn)出各自優(yōu)異的耐蝕性能。材料4在B，C條件下不應采用。

T=60℃時，材料的相對耐蝕性N從圖7～圖9可知。材料4和1，材料2和3，材料3和5在D，E，F(xiàn)條件下應分別優(yōu)先選用。

T=90℃時材料的相對耐蝕性N如圖10～圖12所示。材料1和2在G條件下的相對耐蝕性N最高，材料5和2在H條件下可選擇，而在I條件下應首選材料3和1。

5 問題與課題

全浸試驗腐蝕條件的某些方面可能比現(xiàn)場的腐蝕狀況更為苛刻，但電站風機的實際運行工況是一個氣液相交替，腐磨交加，腐蝕介質(zhì)的濃度、溫度、流速和壓力等因素均存在著變化的復雜過程。與全浸試驗這種腐蝕介質(zhì)單一，壓力恒定，容積有限，只有腐蝕不存在磨損和狀態(tài)靜止的簡單過程存在一定的差異。因此，實現(xiàn)系統(tǒng)模擬腐蝕試驗或現(xiàn)場真機掛片腐蝕試驗應提上工作日程。而盡早把本試驗的結(jié)果應用到風機運行現(xiàn)場檢驗，找出耐硫酸腐蝕性能更好的材料，盡快開展解析陶瓷防磨（TPCT）技術在耐蝕電站風機上的試驗研究和工藝驗證將是下一個迫切的重點課題。

6 結(jié)論

1）固態(tài)樣本中檢測出的高含量S元素，樣本主要物相為FeSO4·H2O，F(xiàn)e2（SO4）3·9H2O和溶液樣本中高達147mg/ml的SO42-（估算濃度約相當于10％的稀H2SO4溶液）表明，煙氣中的硫是造成風機腐蝕的主要原因。而溶液樣本對材料7的全浸試驗，進一步驗證了腐蝕現(xiàn)象的存在并揭示出了其腐蝕程度和規(guī)律。

2）與材料7比較，耐硫酸露點腐蝕材料8和0的相對耐蝕性只是在硫酸濃度C=50％時的3種溫度條件下（及材料8在I條件時）略微高出，而在其余條件下的耐蝕性能均不及比對材料7。

3）材料1，2和3在不同條件下表現(xiàn)出各自良好的耐蝕性能。

4）材料4的相對耐蝕性只是在c=5％時的3種溫度條件下較好，此時性價比最高可做首選，但在其他條件下不推薦選用。

5）材料5在各種條件下顯示出了一定的耐蝕性能。

[1]張呂華，朱朝陽，劉川槐.660MW機組汽動引風機葉片斷裂原因的分析[J].風機技術，2015（1）：89-92.

[2]邢柏如.耐硫酸腐蝕材料的選用[J].機械工程材料，1978(3): 39-49.

[3]劉曉偉.石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置的腐蝕機理與防護技術研究[D].長沙理工大學，2013.

[4]杜步虎，王天堂，陸士平.不銹鋼酸洗項目中防腐蝕材料及結(jié)構選擇[J].全面腐蝕控制，2009（8）：30-35.

[5]松島巖.低合金耐蝕鋼的開發(fā)、發(fā)展及研究[M].靳?？底g.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

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對電站風機葉輪上采集的固態(tài)結(jié)垢物進行了樣本檢測和腐蝕性驗證。通過多種金屬材料的硫酸全浸試驗的比對結(jié)果，找到了在特定試驗條件下耐蝕性較好的材料，并指出了全浸試驗對樣本的腐蝕性與真實現(xiàn)場腐蝕情況有一定差異以及，今后課題的重點。

電站風機；腐蝕試驗；耐蝕材料

Research on Immersion Test of Sulfuric Acid Corrosion Resistant Material for Fan Used in Power Station

Li Yimin,Wei Zihai,Zhang Kai，Li Ming，ChenPing/Chengdu Power Machinery Factory

fan for power station; corrosion test;corrosion resistant material

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）02-0059-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.082

*本文其他作者：李明陳萍/成都電力機械廠

2014-07-30四川成都610045

Abstract:This paper tests on samples and validates the corrosive solid fouling collected at site from fan blade for power plant.By comparing a variety of metal materials’sulfuric acid immersion test results,the material with better corrosion resistant is found in specific test condition, it also points out the difference in the corrosive characteristics between the sample and the site in immersion test and the focus of the next topic.

*材料4在E試驗條件下，當t=24h時，ΔW'= 0.461 2；當t≤48h時，ΔW'=0。在H試驗條件下，當t=1h時，ΔW'=0.329 2；當t≤2h時，ΔW'=0。材料0在G試驗條件下，當t=120h時，ΔW'=2.189 9；當t≤144時，ΔW'=0。