海水冷卻循環水泵泵殼材料及選用分析

陳沈偉

(浙江浙能嘉華發電有限公司， 浙江 嘉興 314201)

表1 沿海電廠循環水泵泵殼材料及使用情況統計表

0 引言

某電廠2×1 000 MW 機組循環水系統采用海水作為冷卻水，共配置6臺立式循環水泵，泵殼材料為雙相不銹鋼 2205(00Cr22Ni5Mo3N)。在機組運行不到 7 000 h 時，6臺循環水泵泵殼均發現多處裂紋缺陷，有的已經破裂。在當前循環水泵泵殼選用材料當中，雙相不銹鋼是耐海水腐蝕最優、價格最貴的一種材料，在如此短的時間內發生破壞性失效，造成人們對該材料在安全運行上的擔憂，并對泵殼選材的合理性提出了質疑。為此，對周邊其他電廠不同材料的泵殼使用情況進行了調研，對各種材料的性能特點進行了分析和比較，并對泵殼材料的選用進行了分析，為設備選材提供參考。

1 在役循環水泵泵殼材料情況

通過調研周邊5家沿海電廠，對循環水泵泵殼材料的使用和防腐情況進行了統計，見表1。從表中可以看出，循環水泵泵殼的材料根據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

泵殼在一臺泵上的作用是匯集液體及將液體的部分動能轉為靜壓能，故要求泵殼材料具有良好的力學性能。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構和化學成分，合金元素鉻、鉬、氮、鎳、硅、釩等能夠防腐。收集了上述常用循環水泵泵殼材料的化學成分和力學性能見表2及表3。

表2 泵殼常用材料的化學成分 %

表3 泵殼常用材料的力學性能

3 泵殼常用材料的性能特點分析

3.1 Q235A

碳素結構鋼，強度較低，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]。其最大缺點是耐海水腐蝕性差，需要采取很好的防腐涂料及陰極保護措施[2]。焊接修復比較容易，材料價格便宜但防腐要求高。

3.2 HT250Ni2、HT200Ni2Cr

合金鑄鐵，強度比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]及陰極保護措施。由于脆性大，其抗沖擊載荷和抗機械疲勞性能差，材料價格相對較便宜，焊接修復較困難，易產生冷裂紋。

3.3 SUS321

18-8型奧氏體不銹鋼，其抗拉強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。其價格適中，焊接修復時要重點考慮防止熱裂紋和采取防止接頭產生晶間腐蝕措施。

3.4 SUS316L

超低碳奧氏體不銹鋼，其強度比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，其耐酸蝕和點蝕性能顯著提高，是針對海水介質中使用開發的鋼種，其耐海水腐蝕性能比SUS321好，但價格比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。焊接修復時也要重點考慮防止熱裂紋和采取防止接頭產生晶間腐蝕措施。

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，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，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。另外，雙相不銹鋼具有優良的耐點蝕性能。耐海水腐蝕性能比316L還好，不需采取防腐措施，但價格比316L高20%左右。雙相不銹鋼焊接過程對于線能量和層間溫度的控制要求很高[5]，工藝掌握不當，導致接頭的雙相組織比例得不到保證，會影響其耐蝕性能。另外，雙相不銹鋼對氫致裂紋比較敏感。焊接修復時要重點考慮焊縫和熱影響區的兩相比例，確保奧氏體組織數量，同時要做好防止氫致裂紋措施。

4 循環水泵殼體失效原因分析

該電廠2臺機組6臺循環水泵在投產后不到7 000 h就發現各臺泵泵殼(材質為雙相不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N)均出現多處裂紋，最大的破口達到1 300×1 500 mm。根據循環泵廠方提供的分析報告得知：對筒體母材和焊縫進行檢查、分析和取樣試驗，結果表明母材質量符合規范要求，而焊縫中出現凝固裂紋、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象；對頻率進行了校核計算，結果表明筒體固有頻率(31.58 Hz)與水泵壓力脈動頻率(31.00 Hz)非常接近，表明運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象，導致筒體的應力水平大大增加；筒節之間呈“V”字形的結構不連續導致應力進一步集中；筒節法蘭焊縫缺陷的存在。以上為疲勞源產生的3個方面原因。

5 循環水泵材料選用分析

從以上情況看，早期投產的循環水泵泵殼選用HT250Ni2，HT200Ni2Cr材料較多，如果防腐措施做得好，也能保障其長期運行。但如果陰極保護裝置投用不正常也容易出現腐蝕剝落現象。目前，新建機組海水循環水泵泵殼較多地采用了雙相不銹鋼，其最大的優點是不需采取防腐措施。但均有電廠發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注。

對于循環水泵的葉輪、葉片、轉動軸等關鍵部件應采用耐海水腐蝕性能優良的雙相不銹鋼。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。

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

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

(2)采用中檔材料(奧氏體鋼)。SUS316L 或 SUS321 是性價比和可靠性都較高的奧氏體鋼材料。用于海水環境下，SUS316L的抗腐蝕性能更好，應優先考慮。相對于雙相不銹鋼，奧氏體鋼是更加成熟的鋼種，同時其焊接工藝也容易把握。當然，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)。從近幾年新投產的海水循環水泵來看，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，強度要高一些，因此用材可以省一些。但雙相不銹鋼的價格要比奧氏體鋼高。從失效的案例來看，材料本身應該沒有什么問題，但在執行焊接工藝和焊縫質量檢驗上需要提高。從該廠2臺機組的循環水泵泵殼失效情況看，焊接缺陷成為產生疲勞裂紋的疲勞源。另外焊縫質量差仍然會產生殼體腐蝕問題，因此仍然有防腐的需要。

6 結束語

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