沿海某電廠(chǎng)循環(huán)水泵部件腐蝕分析及處理

徐海榮

(浙江浙能溫州發(fā)電有限公司,浙江 溫州 325602)

0 概況

沿海某電廠(chǎng)四期共安裝四臺(tái)大型立式可抽式單級(jí)斜流泵，配電機(jī)額定功率3 000 kW、高低速的循環(huán)水泵，揚(yáng)程18.5 m，流量44 208 m3/h。循環(huán)水泵是汽輪機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要設(shè)備，輸送的冷卻介質(zhì)為甌江海水，海水是含鹽量很高的強(qiáng)電解質(zhì)溶液，全年Cl-小于8 000 mg/L，循環(huán)水進(jìn)水溫度變幅0～36 ℃。在海水中運(yùn)行的設(shè)備極容易發(fā)生腐蝕，一旦重要部件因腐蝕產(chǎn)生損壞，將直接帶來(lái)維修、更換備件等經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。

1 腐蝕問(wèn)題

循環(huán)水泵主要零部件均采用耐海水的雙相不銹鋼022Cr22Ni5Mo3N，其中循環(huán)水泵軸為鍛件，葉輪、葉輪室、導(dǎo)流體、導(dǎo)軸承殼為鑄造件，導(dǎo)軸承支架、內(nèi)護(hù)管、外筒體為熱釓板。外筒體螺栓、內(nèi)護(hù)管螺栓均采用雙相鋼材質(zhì)。下面分別對(duì)葉輪、內(nèi)護(hù)管法蘭面、內(nèi)護(hù)管與法蘭焊縫、螺栓螺母的腐蝕進(jìn)行分析。

1.1 葉輪腐蝕

葉輪的三個(gè)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(diǎn)腐蝕(如圖1所示)，這些蝕孔點(diǎn)狀布滿(mǎn)整個(gè)葉片表面，隨著腐蝕擴(kuò)展成連片。葉片的根部等重要部位也有腐蝕，嚴(yán)重影響了葉片機(jī)械強(qiáng)度。但查閱原鑄造廠(chǎng)家材質(zhì)證書(shū)化學(xué)成分比及機(jī)械性能都符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)護(hù)管法蘭面及法蘭肋板焊接腐蝕

循環(huán)水泵大修發(fā)現(xiàn)內(nèi)護(hù)管從最底部下護(hù)管到中間護(hù)管、上護(hù)管與軸承支架連接法蘭共十個(gè)，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(cè)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(cè)(如圖2所示)。

圖2 內(nèi)護(hù)管法蘭密封面腐蝕

1.3內(nèi)護(hù)管與法蘭焊縫、內(nèi)護(hù)管法蘭肋板焊縫出現(xiàn)了腐蝕，腐蝕處的產(chǎn)物呈粉末狀(見(jiàn)圖3)，內(nèi)護(hù)管法蘭與管的腐蝕直接影響了其連接強(qiáng)度，帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。焊接質(zhì)量及熱處理不到位，從現(xiàn)場(chǎng)的焊縫腐蝕來(lái)看，所有與海水介質(zhì)接觸的內(nèi)護(hù)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(nèi)護(hù)管法蘭緊固螺栓，這些螺栓螺母的不同規(guī)格幾乎全部出現(xiàn)了腐蝕，腐蝕的產(chǎn)物呈粉末狀，規(guī)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(jiàn)圖4)，也有在法蘭面載絲處。

圖3 內(nèi)護(hù)管腐蝕

圖4 螺栓螺母腐蝕

2 腐蝕原因分析

循環(huán)水泵腐蝕形式通常有以下幾種：點(diǎn)腐蝕、間隙腐蝕、應(yīng)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(diǎn)腐蝕、間隙腐蝕是海水循環(huán)水泵選材時(shí)主要考慮的因素。在高濃度氯離子環(huán)境條件下的評(píng)價(jià)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(shù)是以Cr、Mo(W)、N的含量(wt%)來(lái)計(jì)算( PRE= Cr%+3.3Mo+16N ，CI = Cr%+4.1Mo+27N)。一般認(rèn)為，上述兩個(gè)值越大，材料的耐海水腐蝕的性能越好。根據(jù)新日鐵住友材料試驗(yàn)結(jié)果和多年的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出點(diǎn)腐蝕以及間隙腐蝕與材料的PER值和(CI)值之間的關(guān)系,具體如圖5。雙相不銹鋼材料0Cr22Ni5Mo3N其在海水中的點(diǎn)腐蝕當(dāng)量平均值(PRE值，PRE=Cr%+3.3Mo+16N)超過(guò)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(chǎn)生腐蝕的氯離子濃度高是一個(gè)原因，而循環(huán)水泵主要部件選用雙相不銹鋼材料也是合理的，但從現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水泵各個(gè)部件腐蝕情況，整體上這么嚴(yán)重這很值得深思。

圖5 各種材料的PRE值

鑄造葉輪、導(dǎo)葉體、葉輪室金相分析(見(jiàn)圖6)，主要缺陷表面相態(tài)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(nèi)但偏低。葉輪主要是點(diǎn)腐蝕，也不排除晶間腐蝕存在，但是因葉片有很?chē)?yán)重的氣蝕及磨損，晶間腐蝕難以清晰呈現(xiàn)，暫不好判斷。

圖6 葉輪及葉輪室金相圖

海水類(lèi)介質(zhì)引起的腐蝕基本上因電位差化學(xué)腐蝕引起，最終以點(diǎn)腐蝕或間隙腐蝕等形式表現(xiàn)出來(lái)。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(tài)時(shí)，它有可能與葉片表面形成不流動(dòng)濕鹽水環(huán)境，特別是當(dāng)葉輪鑄造過(guò)程中存在夾雜物、氣孔時(shí)，就更可能造成腐蝕介質(zhì)局部濃度上升而形成點(diǎn)腐蝕。另外鑄造或熱處理不當(dāng)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(huì)引發(fā)晶間腐蝕及點(diǎn)腐蝕。從圖6可以看出有5%σ相析出，且?jiàn)W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(zhì)合金元素富集，破壞了晶料間的結(jié)合，大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度。晶間腐蝕很明顯的特點(diǎn)是金屬的外形尺寸幾乎不變，大多數(shù)仍保持原有的金屬光澤(如圖1)，但金屬的強(qiáng)度和延展性下降，敲擊時(shí)失去原有金屬聲響。

內(nèi)護(hù)管兩法蘭面之間表面腐蝕，主要由間隙腐蝕引起。制造廠(chǎng)的安裝說(shuō)明對(duì)外筒體特別強(qiáng)調(diào)要求各密封面間涂上高分子液態(tài)密封膠，但是對(duì)內(nèi)護(hù)管的兩法蘭面之間沒(méi)有這方面要求。而據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察確實(shí)沒(méi)有當(dāng)時(shí)安裝時(shí)涂密封膠之類(lèi)的殘留痕跡。內(nèi)護(hù)管與內(nèi)護(hù)管法蘭為熱軋鋼板制作，由國(guó)內(nèi)不同鋼廠(chǎng)供貨，金相組織比較正常，帶狀鐵素體+帶狀?yuàn)W氏體為典型的軋制態(tài)組織，鐵素體與奧氏體占比相當(dāng)(見(jiàn)圖7)。當(dāng)內(nèi)護(hù)管兩法蘭面安裝時(shí)因金屬對(duì)金屬密封，其間沒(méi)有密封脂這類(lèi)填充時(shí)，留下了一定的間隙，這些間隙在介質(zhì)海水滯留狀態(tài)時(shí)，在雙相不銹鋼表面鈍化膜相對(duì)薄弱處，氯離子容易打破原來(lái)鈍化膜溶解與修復(fù)的平衡狀態(tài)。腐蝕剛開(kāi)始時(shí)在間隙內(nèi)外均勻發(fā)展，當(dāng)縫隙內(nèi)的氧還原反應(yīng)很快消耗掉氧之后，而縫隙外的氧因縫隙存在向縫隙內(nèi)輸送比較困難，當(dāng)縫隙外的氧還原反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行就形成了縫隙內(nèi)外的氧濃差電池，縫隙內(nèi)金屬陽(yáng)極溶解產(chǎn)生過(guò)剩陽(yáng)離子，不斷吸引縫隙外的氯離子進(jìn)入保持電荷平衡，以此循環(huán)往復(fù)，使腐蝕不斷發(fā)展，進(jìn)而腐蝕面積、深度擴(kuò)大，使得內(nèi)護(hù)管法蘭面失去密封效果。

圖7 內(nèi)護(hù)管密封表面部位金相分析

對(duì)螺栓、螺母金相分析相態(tài)未見(jiàn)異常(見(jiàn)圖8)，奧氏體與鐵素體占比在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，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(nèi)護(hù)管內(nèi)側(cè)有0.2～0.3 MPa淡水潤(rùn)滑循環(huán)水泵的導(dǎo)軸承，內(nèi)護(hù)管外側(cè)為循環(huán)水通道。內(nèi)護(hù)管的法蘭緊固螺栓接觸海水介質(zhì)，當(dāng)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(shí)，在介質(zhì)海水不流動(dòng)處(一般在循環(huán)水泵備用時(shí))，容易產(chǎn)生間隙腐蝕。

3 處理措施

對(duì)葉輪作臨時(shí)處理返廠(chǎng)挖補(bǔ)焊，一直挖到?jīng)]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(shí)保證型面尺寸，焊后對(duì)葉輪固溶處理最后打磨拋光，最后滲透探傷檢查合格。導(dǎo)葉體與葉輪同是鑄件，也是同一個(gè)鑄件廠(chǎng)生產(chǎn)，對(duì)導(dǎo)葉體表面清理打磨干凈后先用金屬修補(bǔ)劑修補(bǔ)，然后整體做防腐處理。

接下來(lái)從材料及鑄造工藝全過(guò)程監(jiān)造升級(jí)。葉輪材質(zhì)由022Cr22Ni5Mo3N升級(jí)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(diǎn)腐蝕能力。

對(duì)鑄造廠(chǎng)家進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)鑄件供應(yīng)商的設(shè)備條件、人員素質(zhì)、交貨能力、質(zhì)量保證等方面進(jìn)行綜合考評(píng)，從中選擇最優(yōu)鑄造廠(chǎng)家。要求鑄件供應(yīng)商提供理化試驗(yàn)報(bào)告，并提供隨爐試棒，對(duì)鑄件表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，以確保葉輪的毛坯質(zhì)量。

更換掉所有腐蝕螺栓，所有螺栓與螺母之間涂液態(tài)密封膠，填充進(jìn)每個(gè)可能的縫隙，預(yù)防縫隙腐蝕的發(fā)生。密封膠也能同時(shí)預(yù)防螺栓螺母松動(dòng)。對(duì)內(nèi)護(hù)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(jiàn)圖9)，對(duì)每一個(gè)部位都有詳盡的防間隙腐蝕涂裝要求，根據(jù)間隙大小、有無(wú)沖擊、防腐強(qiáng)度不同，需要使用不同型號(hào)的涂劑。而電位差的防護(hù)也有具體措施，如通過(guò)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(dāng)或焊接工藝不正確有關(guān)。雙相不銹鋼的焊接工藝以及過(guò)程控制，是雙相不銹鋼材料循環(huán)水泵最困難、最關(guān)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(duì)焊接方法沒(méi)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(nèi)，會(huì)有有害相析出，這些有害相會(huì)顯著降低其耐腐蝕性和韌性，焊接時(shí)的紅熱溫度也在該溫度范圍內(nèi)。因此，有效控制有害相的析出對(duì)焊接工藝是至關(guān)重要的。一是焊接時(shí)使在紅熱溫度范圍內(nèi)的總停留時(shí)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(xiàn)，熟練的焊接技巧，以及訓(xùn)練有素的焊接技工。二是嚴(yán)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(shí)間，因此，型材必須嚴(yán)格控制N含量在合理的范圍，以便在焊接過(guò)程中有效控制有害相的析出。

4 總 結(jié)

通過(guò)對(duì)循環(huán)水泵腐蝕產(chǎn)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(lèi)腐蝕，必須采用綜合的防護(hù)措施。

提出合理的解決措施十分必要，海水設(shè)備腐蝕問(wèn)題的普遍性，決定了防腐工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，它涉及到各個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科，從合理選材、優(yōu)化安裝工藝、表面涂層處理等方面進(jìn)行深入細(xì)致研究，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，采取有效措施控制海水腐蝕速度，才能最大限度保證設(shè)備的正常運(yùn)行。