脫硫攪拌器葉片焊接試件耐腐蝕性能試驗與研究

王環(huán)麗，楊慶旭，曾　勇

（1.國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇徐州221166；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

脫硫攪拌器葉片焊接試件耐腐蝕性能試驗與研究

王環(huán)麗1，楊慶旭2，曾勇2

（1.國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇徐州221166；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

采用電化學腐蝕試驗與浸泡腐蝕試驗的方法，對超超臨界機組脫硫攪拌器葉片焊接修復模擬試件母材和焊縫的耐腐蝕性能進行對比試驗研究。結(jié)果表明，在試驗介質(zhì)條件下母材和焊縫均具有極強的耐腐蝕性，其在不同條件下耐腐蝕性能差別不大，焊縫耐蝕性能可以滿足現(xiàn)場使用要求。

脫硫攪拌器葉片；焊接修復；模擬試件；耐腐蝕性

目前，超超臨界機組脫硫脫硝技術以鍋爐尾部加裝脫硫脫硝裝置并利用堿性溶液為吸收劑對鍋爐煙氣中的SO2和NOx進行吸收的濕法為主［1，2］，脫硫吸收塔是濕法脫硫裝置的核心設備，脫硫吸收塔攪拌器是脫硫吸收塔的關鍵設備之一，多采用國外進口設備，一旦攪拌器設備磨損破壞，備品備件進貨及更換周期長，進口單價高等因素制約著脫硫裝置的可靠運行。為研究一種相對更經(jīng)濟、快速、有效的技術措施修復脫硫用攪拌器的磨損腐蝕部件以替代原有的更換備品備件措施，針對葉輪模擬試件焊縫與母材的耐腐蝕性進行了對比試驗研究，為焊縫替代母材的可行性提供依據(jù)。

1　試驗方法

脫硫攪拌器葉片選用的材料為歐洲標準EN10213《用于壓力設備的鋼鐵鑄件》中牌號為1.4517的超低碳超級雙相不銹鋼，因其材料為鑄造用鋼，無法取得葉片用材料的試件，采用化學成分和耐腐蝕性能類似的25Cr-7Ni-3.7Mo-0.27N型超級雙相不銹鋼2507替代焊接模擬試件，2者的化學成分和性能對比如表1和表2所示（PRE，點腐蝕抗力當量，表2所列為最大值）。采用δ=15 mm的2507板材開V型坡口，選用Er2594焊材，直流反接，焊接電流為90～120 A，焊接模擬試件。

表1　2種材料的化學成分對比

試驗按照ASTM G3-89標準與ASTM G31-04標準，分別采用電化學腐蝕試驗與浸泡腐蝕試驗對焊縫與母材的耐腐蝕性能進行測試。

表2　2種材料的常溫性能對比

試驗條件的選擇［3］參照攪拌器葉片服役的工作環(huán)境，以SO2，SO3，SO32-，SO42-，CL-（F-）的腐蝕為主要腐蝕介質(zhì)，吸收塔漿液pH值為4～6.5，其中SO2，SO3溶于水主要形成SO32-，SO42-離子形成腐蝕，F(xiàn)-和CL-均為鹵素離子，其腐蝕作用類似，因此在試驗時對其進行歸一化處理，采用H2SO4+NaCl溶液模擬現(xiàn)場腐蝕環(huán)境。

電化學測試利用Parstat 2273型電化學工作站完成，試樣尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，試驗中以制備好的試樣為工作電極、飽和氯化鉀/甘汞電極為參比電極、鉑電極為輔助電極的標準三電極系統(tǒng)如圖1所示。以1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl 2種溶液為電解質(zhì)溶液。制備電化學腐蝕試樣時，用銅導線與基體連接，留出1 cm2的腐蝕電極表面，其他非測試面與導線裸露部分用環(huán)氧樹脂密封。為了具有對比性與可重復性，試驗前所有試樣表面都按照ASTM G1-03標準經(jīng)過不同目數(shù)砂紙打磨并拋光，使其平均表面粗糙度為0.02 μm，然后在丙酮中超聲清洗，放入烘箱烘干并干燥保存。

圖1　三電極測試體系示意圖

采用掃描極化測試和電化學阻抗頻譜測試進行電化學檢測。腐蝕試驗前將試樣放入電解質(zhì)溶液中浸泡100 min，以獲得穩(wěn)定的開路電位，并在此穩(wěn)定開路電位下進行電化學測試，掃描極化測試的掃描速率為1 mV/s，電化學阻抗頻譜測試的掃描頻率為100 kHz～10 MHz，外加激勵信號電壓幅度為10 mV。

浸泡腐蝕測試以1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+ 3.5（wt）%NaCl，5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+10 （wt）%NaCl 4種溶液為電解質(zhì)溶液。試驗溫度為室溫條件，腐蝕溶液全浸試樣后，腐蝕溶液的量按每1 cm2涂層的面積計算不低于20 mL。實驗燒杯用保鮮膜密封，以防止溶液蒸發(fā)導致溶液濃度變化過快。試驗時，定期將試樣從燒杯取出，用不高于40℃的清潔蒸餾水輕輕清洗以除去試樣表面殘留的腐蝕溶液，放置于70℃的烘箱中烘2 h，用精度為0.1 mg的電子天平進行稱重，計算重量變化，并記錄試樣表面形貌變化。

2　試驗結(jié)果

2.1電化學腐蝕試驗結(jié)果

焊縫與母材在1 mol/L H2SO4溶液中的電化學阻抗譜曲線如圖2所示。

圖2　焊縫與母材在1 mol/L H2SO4溶液中的電化學阻抗譜曲線圖

從圖2中可以看出，焊縫與母材的阻抗譜均呈現(xiàn)為半圓形的容抗弧，但是容抗弧的半徑存在著差別，母材的容抗弧半徑大于焊縫。這表明焊縫與母材的電化學腐蝕機理相似，但是它們的腐蝕速率不同。研究表明，容抗弧的半徑與電荷轉(zhuǎn)移電阻（即耐腐蝕性）有關，容抗弧的半徑越大，就意味著腐蝕速率越低［4］。因此母材在1 mol/L H2SO4溶液中的腐蝕速率要低于焊縫。

2種材料的電化學阻抗譜通過ZSimpWin軟件擬合計算用R（Q（R（QR）））型等效電路圖來表示，C為常相位角元件，如圖3所示。具體參數(shù)擬合如表3所示。其中Rs為溶液電阻；Ra為氧化層電阻；Rt為電化學反應電阻；Cd1為金屬/溶液雙層電容；Cf為工作電極表面的氧化層電容；Y為常相系數(shù)；n為彌散系數(shù)。母材的電化學反應電阻為11 550 Ω，大于焊縫的電化學反應電阻10 610 Ω，說明母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性優(yōu)于焊縫的［5］，這與圖2所得結(jié)果一致。

圖3　EIS等效電路圖

表3　電化學阻抗譜（EIS）擬合結(jié)果

圖4、圖5分別為焊縫與母材在1 mol/L H2SO4溶液中的電化學Tafel極化曲線。由Tafel外推法計算得到相應的腐蝕電位、腐蝕電流密度值如表4所示。

圖4　焊縫在1 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲線

圖5　母材在1 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲線

表4　焊縫與母材在1 mol/L H2SO4溶液中的腐蝕電位與電流密度

從圖4、圖5中看出，涂層的極化曲線形狀相似，焊縫與母材層腐蝕電位分別是-96.8 mV與-53.6 mV，腐蝕電流密度分別是0.31 μA/cm2與0.27 μA/cm2，母材的腐蝕電位更高、腐蝕電流密度更小。按照“腐蝕電位越高、電流密度越小，耐腐蝕性越好”的原則［5］，母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)于焊縫。

焊縫與母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的電化學阻抗譜曲線如圖6所示。

圖6　試樣在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的電化學阻抗譜曲線圖

從圖6可以看出，焊縫的容抗弧半徑大于母材。這表明焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的腐蝕速率要低于母材。

2種材料在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的等效電路圖與在1 mol/L H2SO4溶液中相同，對應的電化學阻抗譜擬合數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　電化學阻抗譜（EIS）擬合結(jié)果

由表5可知，焊縫的電化學反應電阻為14 300 Ω，大于母材的電化學反應電阻10 590 Ω，說明焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蝕性優(yōu)于母材，這與圖6所得結(jié)果一致。

焊縫與母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的電化學Tafel極化曲線如圖7、圖8所示。由Tafel外推法計算得到相應的腐蝕電位、腐蝕電流密度值如表6所示。

圖7　焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的Tafel曲線

從圖7、圖8中可以看出，焊縫與母材層的腐蝕電位分別是-56.6 mV與-240.5 mV，腐蝕電流密度分別是0.38 μA/cm2與0.86 μA/cm2，焊縫的腐蝕電位更高、腐蝕電流密度更小，焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）% NaCl溶液中耐腐蝕性能優(yōu)于母材。

圖8　母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的Tafel曲線

表6　焊縫與母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中腐蝕電位與電流密度

2.2浸泡腐蝕試驗結(jié)果

焊縫與母材分別在1 mol/L H2SO4、1 mol/L H2SO4+ 3.5（wt）%NaCl 2種溶液中的浸泡腐蝕失重曲線如圖9、圖10所示。

圖9　試樣在1 mol/L H2SO4溶液中的失重隨時間的變化曲線

圖10　試樣在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液中失重隨時間變化曲線

由圖9、圖10可以知道，焊縫與母材在2種溶液中浸泡了24 d后幾乎沒有重量損失，損失均小于0.6 mg，表明焊縫和母材在2種條件下均具有極強的耐腐蝕性能。

焊縫與母材分別在1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+

3.5（wt）%NaCl 2種溶液中浸泡24 d后的表面形貌如圖11、圖12所示。

圖11　試樣在1 mol/L H2SO4溶液中浸泡24 d后的表面形貌

圖12　試樣在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液浸泡24 d后的表面形貌

由圖11、圖12可知，焊縫與母材在2種溶液中浸泡24 d后均沒有發(fā)生明顯的變化，這也驗證了2種材料在此種介質(zhì)條件下均具有極強的耐腐蝕性能。

焊縫與母材分別在5 mol/LH2SO4，5 mol/LH2SO4+ 10（wt）%NaCl 2種溶液中的浸泡腐蝕失重曲線圖13、圖14所示。

圖13　試樣在5 mol/L H2SO4溶液中的失重隨時間的變化曲線

圖14　試樣在5 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中失重隨時間變化曲線

由圖13、圖14可知，焊縫與母材在2種溶液中浸泡30 d后幾乎沒有重量損失，損失均小于1 mg。說明2種材料在此種介質(zhì)條件下均具有極強的耐腐蝕性能。

焊縫與母材分別在5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+ 10（wt）%NaCl 2種溶液中浸泡30 d后的表面形貌如圖15、圖16所示。

圖15　試樣在1 mol/L H2SO4溶液中浸泡30 d后的表面形貌

圖16　試樣在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液浸泡30 d后的表面形貌

由圖15、圖16可知，焊縫與母材在2種溶液中浸泡30 d后均沒有發(fā)生明顯的變化，這也驗證了2種材料在此種介質(zhì)條件下均具有極強的耐腐蝕性能。

3　分析與討論

3.1電化學腐蝕測試實驗

在1 mol/L H2SO4溶液中母材的電化學反應電阻為11.55 kΩ，大于焊縫的電化學反應電阻10.61 kΩ，且母材和焊縫的電化學反應電阻都在10 kΩ以上且基本相同，說明母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性稍優(yōu)于焊縫的耐腐蝕性，但都具有極強的耐腐蝕性且耐腐蝕性能差別不大；在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中，焊縫的電化學反應電阻為14.3 kΩ，大于母材的電化學反應電阻10.59 kΩ，且母材和焊縫的電化學反應電阻都在10 kΩ以上且基本相同，說明焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蝕性優(yōu)于母材，但都是具有極強的耐腐蝕性，且耐腐蝕性能差別不大。

3.2腐蝕浸泡試驗

在 1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+3.5（wt）% NaCl，5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl 4種介質(zhì)條件下腐蝕速率均在0.008～0.012 mm/a，腐蝕速率極低，說明雙相不銹鋼的母材和焊縫在此種條件下具有極強的耐腐蝕性且耐腐蝕性能差別不大。同時通過表面形貌觀察，焊縫與母材在四種條件下浸泡30 d后均沒有發(fā)生明顯的變化，這也驗證了焊縫和母材均具有極強的耐腐蝕性能。

5　結(jié)束語

通過對焊縫與母材在H2SO4，H2SO4+NaCl 2種溶液中的電化學腐蝕測試與浸泡腐蝕測試，完成了對焊縫替代母材可行性的評估，并得到以下結(jié)論：

（1）母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)于焊縫；

（2）焊縫在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)于母材；

（3）母材和焊縫均具有極強的耐腐蝕性，其在不同條件下耐腐蝕性能差別不大。

綜合各種條件下，母材和焊縫的耐腐蝕性能基本相當，焊接修復后形成的焊縫耐腐蝕性能可以滿足現(xiàn)場使用要求。

［1］彭祖輝.江蘇省燃煤機組脫硝裝置運行現(xiàn)狀分析［J］.江蘇電機工程，2013，32（6）：77-80.

［2］祝業(yè)青，傅高健，顧興俊，等.脫硫廢水處理裝置運行現(xiàn)狀及優(yōu)化建議［J］.江蘇電機工程，2014，33（1）：72-75.

［3］劉英炎，曾庭華.連州發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)吸收塔攪拌器損壞的原因分析［J］.廣東電力，2003，16（3）：69-71.

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［5］曹楚南.腐蝕電化學原理［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008：44-45，106-109.

王環(huán)麗（1967），女，江蘇徐州人，高級工程師，從事電廠金屬與焊接管理工作；

楊慶旭（1978），男，河南平頂山人，高級工程師，從事電站焊接、金屬結(jié)構評估和金屬材料理化分析等相關工作；

曾勇（1987），男，重慶萬州人，工程師，從事電站金屬腐蝕分析等相關工作。

Corrosion Resistance Test and Research on the Welding of the Desulfurization Agitator Blade

WANG Huanli1，YANG Qingxu2，ZENG Yong2
（1.Guohua Xuzhou Electric Power Generating Company Limited，Xuzhou 221166，China
2.Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

Desulfurization agitator blade specimens，which have been used in the repair welding simulation test，were utilized to research the corrosion resistant of their base metal and welds，combining electrochemical corrosion test with immersion corrosion test.The results indicated that the corrosion resistance of the base metal and the welds was extremely strong in the test environment.The circumstance had no obvious effect on corrosion resistance，and corrosion resistance of weld was sufficient to meet the field operation demand.

ddesulfurization agitator blade；welding repair；simulated specimen；corrosion resistance

TG174.3+6

B

1009-0665（2016）04-0090-05

2016-03-20；修回日期：2016-04-25