新型高純鐵素體不銹鋼材料應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器水箱的耐蝕性試驗(yàn)分析

北京清華陽(yáng)光能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 ■ 田燕 趙娟 黃哲林 李旭光

一 引言

由于304不銹鋼成本的不斷攀升，在太陽(yáng)能熱水器制造行業(yè)，找到一種成本低、耐蝕性好的內(nèi)膽材料代替304不銹鋼，意義尤為重大。近幾年推出的一種新型高純度高耐蝕鐵素體不銹鋼(簡(jiǎn)稱21CT鋼)，以低成本(不含鎳、鉬)、含較高的鉻(21%Cr)及極低的碳、氮含量獲得高耐蝕為主要特點(diǎn)，是目前在一定環(huán)境取代304奧氏體不銹鋼的理想材料。新型高純度高耐蝕鐵素體不銹鋼(21CT)日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成分為：0.008%C、21%Cr、0.3%Ti、0.4%Cu。與日本早已用于太陽(yáng)能熱水器制造的YUS190鋼相比，同樣都是超低碳的高純鐵素體不銹鋼，但21CT含鉻更高，且不含鉬。由于不含鎳、鉬，其價(jià)格更低。

新型21CT鐵素體不銹鋼能否作為太陽(yáng)能熱水器的水箱內(nèi)膽，其焊接后的耐蝕性至關(guān)重要。304不銹鋼的耐蝕性良好，一直以來(lái)都是熱水器內(nèi)膽的首選材料[1,2]。將相同板厚的新型不銹鋼與304不銹鋼制作成非承壓水箱，在相同水質(zhì)環(huán)境條件下做耐蝕性能及壽命對(duì)比測(cè)試[3]，即可分析出新型不銹鋼的性能特點(diǎn)。

二 與304不銹鋼耐蝕性的對(duì)比測(cè)試

1 測(cè)試目的

通過(guò)21CT和304不銹鋼在較高濃度氯離子水[4](含20%NaCl)中的浸泡試驗(yàn)，以及在較低濃度氯離子水(含10%NaCl)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)后所做的測(cè)試對(duì)比，了解兩種不銹鋼母材及焊接接頭耐腐蝕的能力和使用壽命。

2 測(cè)試樣品(表1)

表1 測(cè)試樣品及運(yùn)行環(huán)境

內(nèi)桶厚度為0.4～0.5mm，容積均為100L，環(huán)縫采用搭接縫焊，縱縫采用自動(dòng)TIG焊。桶內(nèi)水中加入不同濃度的NaCl。

3 測(cè)試方案

1#、3#水箱制作時(shí)只在頂部留兩個(gè)進(jìn)出水口，焊接時(shí)必須將焊接部位用潔凈棉絲蘸丙酮擦拭去油污，以保證焊縫不會(huì)增碳。焊接后的水箱中裝入濃度為20% NaCl的水溶液，水量需覆蓋縱焊縫部分，密封后置于陽(yáng)光下空地進(jìn)行耐蝕性對(duì)比測(cè)試。

2#、4#制作的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能熱水器水箱，制成后裝配好支架和真空管，在水箱中裝滿濃度為10% NaCl的水溶液，置于陽(yáng)光下空地進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行壽命對(duì)比測(cè)試。

三 實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)自2008年3月開(kāi)始，11月結(jié)束，共進(jìn)行了近8個(gè)月時(shí)間。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖1所示，左側(cè)地上為做浸泡試驗(yàn)的3#及1#內(nèi)桶，右側(cè)為2#、4#運(yùn)行試驗(yàn)水箱。

圖1 測(cè)試平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)過(guò)程中，可能因3#(21CT鋼浸泡試驗(yàn)桶)放置不當(dāng)，使封頭邊緣與地面接觸處壓力過(guò)大而造成損傷，因而只一周后環(huán)縫下端即最早出現(xiàn)滲漏。1#(304鋼浸泡試驗(yàn)桶)和4#(21CT鋼運(yùn)行試驗(yàn)水箱)在10月中旬(7個(gè)月后)也先后發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)1#(304浸泡試驗(yàn)桶)、3#(21CT鋼浸泡試驗(yàn)桶)、4#(21CT鋼運(yùn)行水箱)進(jìn)行解剖并做金相分析。2#(304鋼運(yùn)行水箱)直至試驗(yàn)結(jié)束并未出現(xiàn)滲漏，故沒(méi)有將其解剖。

1 1#樣品的測(cè)試結(jié)果及分析

1#(304鋼浸泡試驗(yàn)用內(nèi)桶)銹蝕較輕微，7個(gè)月后只有左側(cè)封頭上方環(huán)縫部位出現(xiàn)個(gè)別滲漏處(圖2)。經(jīng)橫截面金相分析發(fā)現(xiàn)，該處腐蝕是起源于有應(yīng)力集中的環(huán)縫尖缺口處的點(diǎn)蝕，并沿縫焊熔合線深入，最終穿透泄露(圖3)。

2 3#樣品的測(cè)試結(jié)果及分析

因3#(21CT鋼浸泡試驗(yàn)用內(nèi)桶)封頭邊緣下端與地面接觸處局部壓力大對(duì)材料抗腐蝕的不利影響，故兩封頭下方很快(一周)出現(xiàn)滲漏(圖4a)。其他部位經(jīng)過(guò)約3個(gè)月的浸泡，縱縫和右封頭上側(cè)邊緣也出現(xiàn)了腐蝕滲漏(圖4b、c、d)。金相顯微分析表明，21CT鋼桶的環(huán)縫、直縫及封頭母材處均有不同程度的點(diǎn)腐蝕發(fā)生(圖5)。

圖2 304桶泡7個(gè)月后環(huán)縫上出現(xiàn)的滲漏

圖3 304桶環(huán)縫滲漏處橫截面的點(diǎn)蝕(×50)

3 4#樣品的測(cè)試結(jié)果及分析

4#(21CT鋼運(yùn)行試驗(yàn)水箱)一直在中高溫的10%NaCl水溶液環(huán)境下運(yùn)行，運(yùn)行幾個(gè)月后發(fā)現(xiàn)有滲漏，但不嚴(yán)重，又繼續(xù)運(yùn)行到7個(gè)月時(shí)漏水明顯。運(yùn)行8個(gè)月后做解剖，從外面看在水箱右側(cè)封頭和水嘴處有非常明顯的銹蝕，切開(kāi)后在水箱母材和封頭母材上還有被腐蝕穿透的小孔，見(jiàn)圖6。通過(guò)金相分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫、直縫及水嘴處水箱的母材均有不同程度的點(diǎn)腐蝕，而304鋼的水咀母材上點(diǎn)蝕較少，如圖7所示。

圖5 3#(21CT鋼)腐蝕及滲漏微觀視圖

圖6 4#(21CT鋼運(yùn)行試驗(yàn)用水箱)運(yùn)行8個(gè)月后的外觀及除去保溫層后表面的銹蝕情況

圖7 4#(21CT鋼運(yùn)行試驗(yàn)水箱)腐蝕微觀視圖

四 結(jié)果與討論

通過(guò)近8個(gè)月在含較高氯離子水溶液中浸泡及實(shí)際運(yùn)行的對(duì)比測(cè)試，對(duì)新型高純鐵素體不銹鋼21CT和304奧氏體不銹鋼材料及其焊接接頭的耐蝕性和使用壽命有了初步了解。

(1)在較高濃度氯離子水(含20%Nacl)浸泡的耐蝕性試驗(yàn)中，無(wú)論從宏、微觀的觀察分析，還是泄露開(kāi)始時(shí)間和腐蝕程度來(lái)看，21CT鐵素體不銹鋼母材的耐蝕性能較304不銹鋼要差，其腐蝕形式為點(diǎn)蝕。同樣規(guī)律表現(xiàn)在8個(gè)月的熱水器運(yùn)行試驗(yàn)中，304鋼水箱無(wú)泄漏，而21CT鋼水箱早已嚴(yán)重泄露。

(2)通過(guò)試驗(yàn)可認(rèn)為，21CT不銹鋼在氯離子水中耐點(diǎn)蝕能力不足。分析認(rèn)為，雖然此鋼的優(yōu)點(diǎn)是含鉻量高于444(Cr18Mo2)類型的高純鐵素體不銹鋼，但因不含鉬(鉬在鐵素體不銹鋼中提高鋼種的耐點(diǎn)蝕能力的作用高過(guò)鉻兩倍)，仍然不具備良好的抗點(diǎn)腐蝕的能力。

(3)21CT鋼較304不銹鋼軟，不易加工硬化，其塑、韌性較304鋼差，且21CT不銹鋼比304鋼對(duì)焊接設(shè)備及焊接工藝的要求更為嚴(yán)格。從焊接過(guò)程中對(duì)焊接參數(shù)的數(shù)次調(diào)整來(lái)看，21CT鋼的焊接參數(shù)較難把握，焊接合格率也較低。

綜上，新型高純鐵素體不銹鋼21CT目前用于制造太陽(yáng)能熱水器的水箱尚不成熟，無(wú)論是耐蝕性還是對(duì)焊接設(shè)備、焊接工藝的要求都較為嚴(yán)格，還有待進(jìn)一步研究。

[1]太鋼譯文集. 日本不銹鋼的使用狀況介紹[M]. 太原: 太原鋼鐵公司, 1990.

[2]陸世英, 張廷凱, 康喜范, 等. 不銹鋼[M]. 北京: 原子能出版社, 1955.

[3]楊德鈞, 沈卓身. 金屬腐蝕學(xué)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999.

[4]鋼鐵研究院等編譯. 國(guó)外耐海水腐蝕不銹鋼[M]. 上海: 上海科技文獻(xiàn)出版社, 1979.