在電力工業(yè)中,不銹鋼的應用范圍也越來越廣泛。在發(fā)電廠,不銹鋼主要用來制造凝汽器的冷卻管。凝汽器是汽輪發(fā)電機組的重要輔機之一,它的性能好壞直接影響機組的運行。而它的主要傳熱組件—冷卻管,是凝汽器的最重要部分,價格占其總價的一半以上。因此,冷卻管的選材和選型是凝汽器的設(shè)計關(guān)鍵。
雖然不銹鋼在各種工業(yè)水中具有很低的全面腐蝕速度(如在流速0.3~0.6m/s的海水中,316不銹鋼的腐蝕速度僅0.5μm/a),但在實際工業(yè)生產(chǎn)條件下,不銹鋼設(shè)備,特別是各種工業(yè)水冷卻器,腐蝕破壞的事故卻十分頻繁。我國新建的十幾套大型化肥廠(年產(chǎn)30萬噸合成氨,48萬噸尿素)在生產(chǎn)運行1~2年后,各廠的不銹鋼水冷卻器相繼出現(xiàn)腐蝕破壞,目前已更換數(shù)十臺,并且破壞仍在繼續(xù)發(fā)生,造成了巨大的經(jīng)濟損失。
不銹鋼的腐蝕形態(tài)可分為全面腐蝕和局部腐蝕。在各種工業(yè)水中,不銹鋼具有很低的全面腐蝕速度, 在理想情況下每100萬年才能腐蝕1厘米。因此、全面腐蝕的危害極小。在實際應用中,不銹鋼的局部腐蝕(主要是孔蝕和應力腐蝕破裂)能造成巨大的破壞。這種腐蝕往往在設(shè)備某處產(chǎn)生和擴大,最終導致不銹鋼設(shè)備的腐蝕報廢。
2.1在工業(yè)水中不銹鋼的孔蝕
孔蝕是一種極端的局部腐蝕形態(tài)。蝕點從金屬表面發(fā)生后,向縱深發(fā)展的速度大于或等于橫向發(fā)展的速度,腐蝕的結(jié)果是在金屬表面上形成蝕點或小孔。蝕點有時是彼此孤立的,有時則彼此靠得很近,好象是一個粗糙表面。蝕點的直徑可大可小,但大多數(shù)情況下是比較小的,有的只有幾十個微米。上面常常覆蓋著腐蝕產(chǎn)物,因此不易檢查出來。很難實驗室的實驗來預估其腐蝕速率。有時形成蝕點需要較長時間,約幾個月或幾年。一旦形成,發(fā)展又較快,常常突然出現(xiàn)腐蝕損壞(穿孔)。因此,孔蝕是一種危害很大的、劇烈的局部腐蝕形態(tài)。
大量研究已經(jīng)揭示出,孔蝕發(fā)生在附著物或沉積物下。一旦采取措施消除了附著物或沉積物,問題也就避免了。
2.2在工業(yè)水中不銹鋼的應力腐蝕破裂
在工業(yè)水中奧氏體不銹鋼的應力腐蝕破裂是孔蝕誘發(fā)的,兩者的影響參數(shù)相同,只是各自所要求的臨界值不同。 對于發(fā)生在各種水冷器上的應力腐蝕破裂,往往溫度的影響要比Cl-濃度的影響還重要,因此要注意氯離子濃度和溫度的聯(lián)合作用。
于試驗室試驗結(jié)果與生產(chǎn)操作條件下的破壞現(xiàn)象存在差異,人們對不銹鋼設(shè)備特別是換熱器的應力腐蝕破裂條件進行了多次工業(yè)實用裝置破壞情況的調(diào)查統(tǒng)計分析。美國杜邦公司對685臺18Cr-10Ni型不銹鋼設(shè)備報廢原因的分析指出,應力腐蝕破裂和孔蝕占38%;日本對954臺這類材料設(shè)備的破壞原因分析指出,應力腐蝕破裂和孔蝕占63%(其中應力腐蝕破裂占38%,孔蝕占25%)。西野知良和藤上關(guān)衛(wèi)早在1990年就報道了他們對化工廠奧氏體不銹鋼焊接部分破壞的調(diào)查結(jié)果。
3 防止不銹鋼在水中局部腐蝕破壞的途徑
雖然到目前為止,還沒有完全搞清楚腐蝕的機理,也不能提出完全避免或消除腐蝕的邊界條件。實際生產(chǎn)中也常常發(fā)現(xiàn)這種情況:工作條件大致相同的兩臺設(shè)備,壽命卻相差十分懸殊;再有,同一種不銹鋼在氯離子濃度低(僅10~20mg/L)的冷卻水中發(fā)生了應力腐蝕破裂,而在氯離子濃度高的海水中卻長期安全使用。
對大量工業(yè)設(shè)備運行情況的統(tǒng)計分析,以及許多深入的試驗室研究,使我們可以認識到影響不銹鋼孔蝕和應力腐蝕破裂的主要因素,并提出一些統(tǒng)計規(guī)律來,這無疑是有利于延長不銹鋼設(shè)備的操作壽命的。
不銹鋼設(shè)備的報廢完全是局部腐蝕破壞,主要是孔蝕和應力腐蝕破裂所造成的,因此對工業(yè)水尋求合理、經(jīng)濟、有效的防腐蝕措施,一直是各國悉心研究的對象。目前雖尚未達到完善的境界,但還是找到了各種有效辦法,可供實際生產(chǎn)的需要和條件來加以應用。
3.1選用耐局部腐蝕破壞的合金材料
長期以來,認為鎳鉻奧氏體鋼具有應力腐蝕破裂傾向,只有純鐵素體高鉻不銹鋼沒有這種傾向。實際上,高鎳(35~40%)奧氏體不銹鋼對應力腐蝕破壞也是免疫的6,只有含鎳8~10%的18%Cr鋼對應力腐蝕破裂敏感。現(xiàn)在,研究人員采用聚焦離子束二級離子質(zhì)譜技術(shù)證實:材料加工技術(shù)的改進也可以減少低等級不銹鋼腐蝕。
3.2采用退火處理來消除應力
為了完全消除應力,退火應在850℃以上進行,這在實際應用時,往往因設(shè)備尺寸太大或可能發(fā)生變形而辦不到。為了防止不銹鋼的晶間應力腐蝕破裂,通常在550~600℃低溫退火,這對消除應力也是有效的。此外在制造設(shè)備時,還應注意:
(1)有可能導致產(chǎn)生應力腐蝕破裂的介質(zhì),不允許在拋光時應用;
(2)酸洗后應將殘液充分清除掉,并采取鈍化工藝7;
(3)焊薄壁管時,應消除因?qū)Φ貌恢彼a(chǎn)生的不均形變。
3.3其它保護方法
許多防腐蝕措施在一定條件下均可收到一定效果,如涂層,只要能避免片狀剝落就有效。下面再介紹幾種防護方法:
3.3.1陰極保護
在電位為-0.8V(對Ag/AgCl電極)時,可以抑制與碳鋼接觸的CrNi鋼的縫隙腐蝕,對304和316不銹鋼效果明顯。在平靜海水中可采用鋁犧牲陽極進行陰極保護。
3.3.2用緩蝕劑防止應力腐蝕破裂
奧氏體不銹鋼的應力腐蝕破裂發(fā)生在活化電位區(qū),必須使用吸附型緩蝕劑對其覆蓋。吸附型緩蝕劑的主要成分是有機雜環(huán)化合物和有機胺為主體的衍生物,其中的有機胺衍生物在金屬表面的陰極區(qū)發(fā)生了活化電位區(qū);親水集團中的未公用電子對與金屬元素d軌道雜化進行配位結(jié)合發(fā)生了化學吸附;緩蝕劑分子中的不飽和鍵也通過Л鍵的作用在金屬表面形成共軛作用加強了化學吸附。因而在金屬表面形成致密吸附膜,抑制了金屬腐蝕過程。
3.3.3電化學方法
腐蝕發(fā)生與否取決于材料構(gòu)成及表面性質(zhì)、環(huán)境(溫度、濕度、鹽含量、壓力、材料中雜質(zhì)的種類及含量、材料的構(gòu)型、流體的流動狀態(tài)等等)等諸多因素,應以水中鐵離子增大、腐蝕掛片超標而非氯離子濃度作為判據(jù)。
電化學技術(shù)提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)后,循環(huán)水中氯離子濃度肯定比原來高,但由于電化學工藝中循環(huán)水中氯離子的化學環(huán)境發(fā)生了顯著變化,氯離子發(fā)生腐蝕的概率、程度將發(fā)生明顯改變。
電化學條件下:(1)pH值可調(diào)控,保持水質(zhì)在最佳區(qū)間波動,有效避免酸堿腐蝕,尤其降低H+對氯離子活度的增強作用。(2)電化學條件的大電流,對氯離子產(chǎn)生更有效的水合作用,大幅降低氯離子活度。(3)電化學條件下可以更好控制濁度、抑制氨氮、微生物的生長,降低水質(zhì)惡化趨勢,更全面控制腐蝕。(4)電化學可以更好的平衡腐蝕、結(jié)垢、微生物,控制各項指標。
電解質(zhì)的平均活度因子γ±隨溶液離子強度I的增加而減小。離子強度是離子電荷所形成的靜電場的一種量度,電化學設(shè)備在該靜電場的基礎(chǔ)上附加了一個外電場,相當于增大了離子強度,故而能夠使電解質(zhì)的活度因子顯著下降。衛(wèi)士電化學設(shè)備由于極板間距小,相同電壓下能夠形成更強的電場,對電解質(zhì)平均活度因子的影響更加顯著。在循環(huán)水中,對氯離子而言,活度因子降低后,活度下降,即有效濃度下降,其腐蝕作用也大大減弱。工業(yè)運行結(jié)果表明電化學條件下氯離子濃度維持在2000-4000mg/L,循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕可控。
3.3.4采取措施降低與冷卻水接觸的傳熱面的表面溫度
若將表面溫度降至臨界溫度以下,就可大大減少發(fā)生應力腐蝕破裂的可能性,并且這種方法要比其它任何辦法更有效。為了降低表面溫度,盡可能采用高流速低溫水來冷卻,以降低表面溫度。
3.3.5消除不銹鋼管表面的附著物
3.3.5.1對于火力發(fā)電廠的運行機組,其凝汽器不銹鋼管水側(cè)表面的附著物是鐵銹和垢,對于已出現(xiàn)的銹、垢,應采用硝酸清洗除去,化學清洗時,應防止帶入氯離子。只要能保持不銹鋼表面的清潔,就可收到良好的保護效果。
在生產(chǎn)運行中,各廠應根據(jù)具體水質(zhì)和使用的緩蝕阻垢藥劑,通過試驗確定運行指標(濁度、硬度和水流速等),以防止表面出現(xiàn)沉積物的問題。
3.3.5.2對于火力發(fā)電廠的基建機組,新不銹鋼管的內(nèi)、外表面的附著物是一層成分復雜的有害膜、化學拋光材料和污染附著物。其中有害膜和化學拋光材料是不銹鋼管在加工過程中產(chǎn)生的;污染附著物是泥土,沙礫、水泥等含硅物質(zhì),是不銹鋼管在儲存、安裝期間污染和附著上的(西北地區(qū)風沙較大,這種狀況更嚴重)。同時、新管在生產(chǎn)、運輸和安裝過程中又造成了殘留應力。
4 結(jié)束語
不銹鋼是耐腐蝕的,但是、當局部腐蝕活化點一旦形成,發(fā)展又較快(其腐蝕速率最高可達10000mm/a,相當于1.15毫米/小時),常常會突然出現(xiàn)腐蝕損壞(穿孔或破裂)而帶來災難性的后果。因此、在認識上、工作中應予以高度重視,綜合采取各種方法抑制不銹鋼的局部腐蝕。