電站鍋爐15CrMo鋼管的腐蝕行為研究

周 闖，蒲建業(yè)

（中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

當(dāng)今世界各國(guó)所用的內(nèi)耐熱性鋼材料以15CrMo鋼為主。15CrMo鋼與20g鋼相比，其鋼結(jié)構(gòu)更具有一定力學(xué)特征，具有很好的可焊接性，在350℃～400℃之間，其材料會(huì)產(chǎn)生較高的持久性與蠕變能力，因此，這種材料的腐蝕速度相對(duì)緩慢，因此，所使用的壽命也會(huì)延長(zhǎng)，同時(shí)，也有很好的發(fā)展前景[1]，鍋爐管道廣泛采用15CrMo材質(zhì)的管子做受熱面，在一定條件下存在酸腐蝕的情況，經(jīng)過(guò)不同熱處理方式后酸腐蝕速率發(fā)生明顯變化。

1 基本性能及化學(xué)成分

15CrMo鋼材料，屬于珠光耐熱性，并在鋼材當(dāng)中加入金屬元素鉻及鉬，形成一種合金元素，這種合金元素可以在金屬表面形成一種致密的氧化膜，從而使15CrMo鋼材料提高抗氧化性，從而阻止了石墨的化學(xué)反應(yīng)。

15CrMo鋼的化學(xué)成分見表1，15CrMo鋼的力學(xué)性能見表2。

2 焊接性

15CrMo鋼材料的焊接性能與地合金鋼材結(jié)構(gòu)相類似。因在鋼材料當(dāng)中加入很多鉻、鉬合金元素，致使碳當(dāng)量大大增長(zhǎng)，鋼材料的淬硬傾向方向大漲，從而提高焊接焊接處的區(qū)域硬度，很容易產(chǎn)生冷鋼材焊接裂痕。由于鋼材的母材與焊接當(dāng)中，金屬碳及合金元素的含量產(chǎn)生一定的差異性，當(dāng)滯后相變的母材焊接熱處理區(qū)域發(fā)生奧氏體并轉(zhuǎn)向馬氏體時(shí)，將氫以過(guò)飽和狀態(tài)出現(xiàn)在于馬氏體當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致氫致的產(chǎn)生。當(dāng)合金金屬元素與焊接金屬的含碳量相互比較時(shí)，就有可能使母材料的熱焊接處理先于焊接，并發(fā)生較大的改變，氫就會(huì)從熱影響區(qū)域向著焊接區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散，使在焊接縫當(dāng)中的氫處于飽和狀態(tài)。在焊縫進(jìn)入冷卻之后，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，焊接的裂縫處就會(huì)通過(guò)熱影響區(qū)域向焊接裂縫進(jìn)行擴(kuò)散，使金屬焊接裂縫當(dāng)中的氫處于飽和狀態(tài)。當(dāng)焊縫冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焊縫冷裂紋。因此在焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后熱處理[2]。

3 腐蝕試驗(yàn)研究

3.1 熱處理工藝

對(duì)15CrMo鋼的組織形態(tài)經(jīng)過(guò)變形處理后，組織結(jié)構(gòu)的腐蝕性能發(fā)生改變，并同時(shí)受到影響。

首先，對(duì)15CrMo鋼的管材進(jìn)行手工切割，并將其據(jù)成較小的試驗(yàn)樣品，對(duì)鋼材料的樣品重新進(jìn)行熱處理，所處理的方式以電阻爐工藝為主，電阻爐的型號(hào)為SX-4-10。所進(jìn)行的熱處理工藝如下曲線圖所示，如圖1。將試驗(yàn)樣品加熱到950℃，并將其保溫至1.5h，在進(jìn)行淬火工藝及空冷和隨爐冷卻。

圖1 熱處理工藝曲線

3.2 金相檢驗(yàn)

不同熱處理?xiàng)l件下的15CrMo鋼的金相照片如圖2。

15CrMo鋼管的原始組織結(jié)構(gòu)為鐵素體+珠光體。如下圖顯微鏡下照片可以看出，在金屬材料淬火工藝下，鋼材料結(jié)構(gòu)以馬氏體結(jié)構(gòu)為主，在空冷的條件下，鋼結(jié)構(gòu)組織呈現(xiàn)出塊狀的分布情況，并且鋼表面會(huì)出現(xiàn)少量的的針狀鐵素體及顆粒狀貝氏體，同時(shí)，鋼材料在冷爐條件下，其組織會(huì)出現(xiàn)珠光體及鐵素體。

表1 15CrMo鋼的化學(xué)成分

表2 15CrMo鋼的力學(xué)性能

圖2 15CrMo鋼不同熱處理?xiàng)l件下的組織

3.3 顯微硬度測(cè)試

本次的鋼材料樣品測(cè)試以維氏顯微進(jìn)行硬度測(cè)試。其鋼材料的壓頭狀態(tài)呈現(xiàn)出一種椎體形狀，并且，將這種椎體形狀進(jìn)行測(cè)量，其夾角均為136°。該維氏的的硬度公式計(jì)算為：

式中，F(xiàn)為施加在壓頭上的載荷；d為壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度[2]。

在鋼材料樣品到年中，按照金相試驗(yàn)進(jìn)行一系列的工藝，例如拋光、打磨、腐蝕，在進(jìn)行試驗(yàn)管徑方向由外到內(nèi)的硬度進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果如下圖3所示。

圖3 顯微硬度分布圖

3.4 腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)金屬在單位面積上和單位時(shí)間內(nèi)失去的重量，作為評(píng)定金屬腐蝕速度的一個(gè)指標(biāo)，即稱為失重法。在對(duì)金屬測(cè)量的腐蝕程度進(jìn)行一種檢測(cè)時(shí)，一般施工的方法為失重法測(cè)量，因其這種方法主要將測(cè)試的金屬樣品經(jīng)過(guò)表面處理共組，例如磨平、除污等，精準(zhǔn)的對(duì)金屬表面進(jìn)行測(cè)量，并在一定的溫度內(nèi)，保持相同壓力進(jìn)行攪拌，同時(shí)，將試驗(yàn)樣品放在此媒介內(nèi)，放置一定時(shí)間（t）將介質(zhì)內(nèi)的試驗(yàn)樣品驅(qū)逐，冰潔進(jìn)行沖洗處理，經(jīng)過(guò)處理后，要去表面所附著的污物，并對(duì)其重新進(jìn)行稱重、除去附著腐蝕產(chǎn)物后重新稱重。據(jù)腐蝕前后的重量差算出腐蝕速率（υ）：

失重法測(cè)定的是平均腐蝕速率。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行，缺點(diǎn)是腐蝕速率低的場(chǎng)合下，測(cè)量所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[3]。試驗(yàn)結(jié)果如圖4，圖5。

圖4 硫酸濃度對(duì)腐蝕速率的影響圖（70℃，3h）

圖5 溫度對(duì)腐蝕速率的影響（40%，3h）

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從上圖可以看出，15CrMo鋼在硫酸濃度較低時(shí)，各組織的腐蝕速率較高。硫酸濃度越高，腐蝕速率越低。這主要是因?yàn)榱蛩嵩诘蜐舛认轮饕仕嵝裕瑢?dǎo)致氫的去極化，加劇腐蝕。在高濃度下，主要是氧化作用，使金屬表面鈍化，降低腐蝕速率。當(dāng)硫酸濃度為30%左右時(shí)，腐蝕速率最高。

（2）由圖9可以看出，隨著溫度的升高，各種組織的腐蝕速率也都隨著增大。

（3）15CrMo鋼在硫酸中的各種結(jié)構(gòu)的腐蝕速率為：珠光體+鐵素體＞+貝氏體＞馬氏體。其中，馬氏體抗硫酸腐蝕能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

由于鍋爐燃燒產(chǎn)生的的廢氣中含有大量的腐蝕性氣體，使得鍋爐在使用過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕失效。對(duì)15CrMo鋼管在硫酸中的腐蝕行為進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，淬火狀態(tài)下（馬氏體組織）的15CrMo鋼管最耐硫酸腐蝕。而且不同組織的15CrMo均在低濃度的硫酸中腐蝕較快，在高濃度的硫酸中腐蝕較慢，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。不同組織在硫酸中的腐蝕速率順序?yàn)椋鸿F素體+珠光體組織＞鐵素體+貝氏體組織＞馬氏體組織。