沿海某電廠循環水泵部件腐蝕分析及處理

徐海榮

(浙江浙能溫州發電有限公司,浙江 溫州 325602)

0 概況

沿海某電廠四期共安裝四臺大型立式可抽式單級斜流泵，配電機額定功率3 000 kW、高低速的循環水泵，揚程18.5 m，流量44 208 m3/h。循環水泵是汽輪機冷卻系統的重要設備，輸送的冷卻介質為甌江海水，海水是含鹽量很高的強電解質溶液，全年Cl-小于8 000 mg/L，循環水進水溫度變幅0～36 ℃。在海水中運行的設備極容易發生腐蝕，一旦重要部件因腐蝕產生損壞，將直接帶來維修、更換備件等經濟損失，嚴重時將導致機組停運。

1 腐蝕問題

循環水泵主要零部件均采用耐海水的雙相不銹鋼022Cr22Ni5Mo3N，其中循環水泵軸為鍛件，葉輪、葉輪室、導流體、導軸承殼為鑄造件，導軸承支架、內護管、外筒體為熱釓板。外筒體螺栓、內護管螺栓均采用雙相鋼材質。下面分別對葉輪、內護管法蘭面、內護管與法蘭焊縫、螺栓螺母的腐蝕進行分析。

1.1 葉輪腐蝕

葉輪的三個葉片表面、葉根及輪轂部位不同程度都存在因鑄造缺陷而引起的點腐蝕(如圖1所示)，這些蝕孔點狀布滿整個葉片表面，隨著腐蝕擴展成連片。葉片的根部等重要部位也有腐蝕，嚴重影響了葉片機械強度。但查閱原鑄造廠家材質證書化學成分比及機械性能都符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準要求，熱處理工藝也符合要求。

圖1 葉輪表面及葉根部位腐蝕

1.2 內護管法蘭面及法蘭肋板焊接腐蝕

循環水泵大修發現內護管從最底部下護管到中間護管、上護管與軸承支架連接法蘭共十個，各法蘭密封表面不同程度都存在腐蝕留下的痕跡，腐蝕深度最深有3 mm,表面打磨處理后測得最深4 mm,法蘭面具體的腐蝕位置基本上又是在最外靠近海水側(如圖2所示)。

圖2 內護管法蘭密封面腐蝕

1.3內護管與法蘭焊縫、內護管法蘭肋板焊縫出現了腐蝕，腐蝕處的產物呈粉末狀(見圖3)，內護管法蘭與管的腐蝕直接影響了其連接強度，帶來了嚴重的安全隱患。焊接質量及熱處理不到位，從現場的焊縫腐蝕來看，所有與海水介質接觸的內護管、軸承支架上焊縫多多少少都有腐蝕。

1.4 螺栓螺母腐蝕

螺栓與螺母的腐蝕主要是兩內護管法蘭緊固螺栓，這些螺栓螺母的不同規格幾乎全部出現了腐蝕，腐蝕的產物呈粉末狀，規格有雙頭螺栓M24*100、螺栓 M24*100，腐蝕部位在螺栓與螺母緊固處(見圖4)，也有在法蘭面載絲處。

圖3 內護管腐蝕

圖4 螺栓螺母腐蝕

2 腐蝕原因分析

循環水泵腐蝕形式通常有以下幾種：點腐蝕、間隙腐蝕、應力腐蝕、疲勞腐蝕、晶間腐蝕和磨損腐蝕，在一般100°C以下海水條件，點腐蝕、間隙腐蝕是海水循環水泵選材時主要考慮的因素。在高濃度氯離子環境條件下的評價不銹鋼耐腐蝕性方面，目前比較普遍和通用的做法是每種材料的PER值和(CI)值。該參數是以Cr、Mo(W)、N的含量(wt%)來計算( PRE= Cr%+3.3Mo+16N ，CI = Cr%+4.1Mo+27N)。一般認為，上述兩個值越大，材料的耐海水腐蝕的性能越好。根據新日鐵住友材料試驗結果和多年的使用經驗，總結出點腐蝕以及間隙腐蝕與材料的PER值和(CI)值之間的關系,具體如圖5。雙相不銹鋼材料0Cr22Ni5Mo3N其在海水中的點腐蝕當量平均值(PRE值，PRE=Cr%+3.3Mo+16N)超過34，與316L(PRE值約為26)相比，抗海水腐蝕能力有顯著提高，是目前為止比較好的耐海水腐蝕的泵用材料。產生腐蝕的氯離子濃度高是一個原因，而循環水泵主要部件選用雙相不銹鋼材料也是合理的，但從現場循環水泵各個部件腐蝕情況，整體上這么嚴重這很值得深思。

圖5 各種材料的PRE值

鑄造葉輪、導葉體、葉輪室金相分析(見圖6)，主要缺陷表面相態不均，元素有偏析，且雙相鋼的主要元素如Ni、Mo、Mn雖然在合格范圍內但偏低。葉輪主要是點腐蝕，也不排除晶間腐蝕存在，但是因葉片有很嚴重的氣蝕及磨損，晶間腐蝕難以清晰呈現，暫不好判斷。

圖6 葉輪及葉輪室金相圖

海水類介質引起的腐蝕基本上因電位差化學腐蝕引起，最終以點腐蝕或間隙腐蝕等形式表現出來。甌江海水中存在較多的懸浮固體物，在流速較慢或者靜止備用狀態時，它有可能與葉片表面形成不流動濕鹽水環境，特別是當葉輪鑄造過程中存在夾雜物、氣孔時，就更可能造成腐蝕介質局部濃度上升而形成點腐蝕。另外鑄造或熱處理不當造成材料成份偏析、σ相析出、碳化物析出、組織粗大、不均勻等，就會引發晶間腐蝕及點腐蝕。從圖6可以看出有5%σ相析出，且奧氏體與鐵素體占比不均，奧氏體占70～80%+10～15%鐵素體。晶間雜質合金元素富集，破壞了晶料間的結合，大大降低金屬的機械強度。晶間腐蝕很明顯的特點是金屬的外形尺寸幾乎不變，大多數仍保持原有的金屬光澤(如圖1)，但金屬的強度和延展性下降，敲擊時失去原有金屬聲響。

內護管兩法蘭面之間表面腐蝕，主要由間隙腐蝕引起。制造廠的安裝說明對外筒體特別強調要求各密封面間涂上高分子液態密封膠，但是對內護管的兩法蘭面之間沒有這方面要求。而據現場觀察確實沒有當時安裝時涂密封膠之類的殘留痕跡。內護管與內護管法蘭為熱軋鋼板制作，由國內不同鋼廠供貨，金相組織比較正常，帶狀鐵素體+帶狀奧氏體為典型的軋制態組織，鐵素體與奧氏體占比相當(見圖7)。當內護管兩法蘭面安裝時因金屬對金屬密封，其間沒有密封脂這類填充時，留下了一定的間隙，這些間隙在介質海水滯留狀態時，在雙相不銹鋼表面鈍化膜相對薄弱處，氯離子容易打破原來鈍化膜溶解與修復的平衡狀態。腐蝕剛開始時在間隙內外均勻發展，當縫隙內的氧還原反應很快消耗掉氧之后，而縫隙外的氧因縫隙存在向縫隙內輸送比較困難，當縫隙外的氧還原反應繼續進行就形成了縫隙內外的氧濃差電池，縫隙內金屬陽極溶解產生過剩陽離子，不斷吸引縫隙外的氯離子進入保持電荷平衡，以此循環往復，使腐蝕不斷發展，進而腐蝕面積、深度擴大，使得內護管法蘭面失去密封效果。

圖7 內護管密封表面部位金相分析

對螺栓、螺母金相分析相態未見異常(見圖8)，奧氏體與鐵素體占比在標準范圍內，硬度260～277符合ASTM(2017)A240/A240M-01要求≤布氏硬度293范圍。

圖8 螺栓金相分析

內護管內側有0.2～0.3 MPa淡水潤滑循環水泵的導軸承，內護管外側為循環水通道。內護管的法蘭緊固螺栓接觸海水介質，當螺母與螺栓緊固后留有縫隙，或者螺栓載入法蘭也留有縫隙時，在介質海水不流動處(一般在循環水泵備用時)，容易產生間隙腐蝕。

3 處理措施

對葉輪作臨時處理返廠挖補焊，一直挖到沒有腐蝕的金屬基層，再用雙相鋼焊條E2209采用多層多道焊，在堆焊葉面時保證型面尺寸，焊后對葉輪固溶處理最后打磨拋光，最后滲透探傷檢查合格。導葉體與葉輪同是鑄件，也是同一個鑄件廠生產，對導葉體表面清理打磨干凈后先用金屬修補劑修補，然后整體做防腐處理。

接下來從材料及鑄造工藝全過程監造升級。葉輪材質由022Cr22Ni5Mo3N升級采用CD4MCuN低碳雙相不銹鋼，CD4MCuN雙相鋼材料最大限度地消除析出相，提高雙相鋼塑性、韌性和抗點腐蝕能力。

對鑄造廠家進行嚴格控制，對鑄件供應商的設備條件、人員素質、交貨能力、質量保證等方面進行綜合考評，從中選擇最優鑄造廠家。要求鑄件供應商提供理化試驗報告，并提供隨爐試棒，對鑄件表面質量進行檢查，以確保葉輪的毛坯質量。

更換掉所有腐蝕螺栓，所有螺栓與螺母之間涂液態密封膠，填充進每個可能的縫隙，預防縫隙腐蝕的發生。密封膠也能同時預防螺栓螺母松動。對內護管、螺栓螺母等所有部件的防間隙腐蝕措施，制定詳盡指引(見圖9)，對每一個部位都有詳盡的防間隙腐蝕涂裝要求，根據間隙大小、有無沖擊、防腐強度不同，需要使用不同型號的涂劑。而電位差的防護也有具體措施，如通過增加絕緣板、絕緣套等，阻斷高低電位差零件的傳遞路徑。

圖9 葉輪安裝指引

焊縫腐蝕通常與焊條選用不當或焊接工藝不正確有關。雙相不銹鋼的焊接工藝以及過程控制，是雙相不銹鋼材料循環水泵最困難、最關鍵的制造工藝，直接影響焊接件的防腐蝕性能。0Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼具有良好的焊接性，對焊接方法沒有特殊要求，目前幾乎所有的焊接方法均可用于雙相不銹鋼的焊接。但雙相不銹鋼在700～1 000°C范圍內，會有有害相析出，這些有害相會顯著降低其耐腐蝕性和韌性，焊接時的紅熱溫度也在該溫度范圍內。因此，有效控制有害相的析出對焊接工藝是至關重要的。一是焊接時使在紅熱溫度范圍內的總停留時間最短，也就是要盡可能快地提高焊接速度。這需要合理的工藝路線，熟練的焊接技巧，以及訓練有素的焊接技工。二是嚴格控制材料中N的含量。合理的N含量可以延緩有害相析出的時間，因此，型材必須嚴格控制N含量在合理的范圍，以便在焊接過程中有效控制有害相的析出。

4 總 結

通過對循環水泵腐蝕產生的原因分析，除了正確選用抗腐蝕材料之外，剩下就是如何有效防止或減緩因電位差引起的各種腐蝕，單憑合理選材不能完全解決各類腐蝕，必須采用綜合的防護措施。

提出合理的解決措施十分必要，海水設備腐蝕問題的普遍性，決定了防腐工作是一項長期的系統工程，它涉及到各個專業學科，從合理選材、優化安裝工藝、表面涂層處理等方面進行深入細致研究，不斷積累經驗，采取有效措施控制海水腐蝕速度，才能最大限度保證設備的正常運行。