凝汽器材料的耐磨蝕性能及電化學性能

梁 磊，趙 陽，劉世宏，呂楠楠，張建良

（1.上海電力學院 能源與機械工程學院，上海200090；2.上海熱交換系統節能工程技術研究中心，上海200090；3.上海市電力材料防護與新材料重點實驗室，上海200090）

凝汽器管材選擇對整個電廠的安全運行有著重要意義，對投資和運行維修費用的影響也不容忽視。電廠循環冷卻水具有一定的流速，尤其沿海地區冷卻水中含有泥砂、貝殼等固體顆粒，易對凝汽器冷卻管造成沖刷磨蝕腐蝕［1-2］。冷卻水通流截面的突變及紊流、渦流等不穩定性使金屬鈍化膜發生剝離、脫落，冷卻管進口端往往是沖刷磨蝕最嚴重的區域［3］。我國沿海電站使用鈦管的凝汽器基本無腐蝕問題，但其他原因引起的泄漏情況并不少見［4-5］。鈦表面易鈍化而增強防腐蝕作用，但是在中等載荷和轉速條件下很容易被沖刷摩擦導致鈍化膜的破壞，加劇腐蝕，較常見的是由含砂海水沖刷引起的管端磨損泄漏［6-8］。美國沿海電站凝汽器基本從奧氏體不銹鋼發展到用超級鐵素體不銹鋼取代鈦管作為冷卻管，且全球凝汽器用超級鐵素體不銹鋼Sea-Cure總長已達22 000km，大多數為海水，部分是污染海水［6］。當機械沖刷和腐蝕共同作用于沿海電站凝汽器材料時，機械和電化學因素及其交互作用會促進材料失效，導致磨蝕泄漏事故發生，因此材料的耐磨蝕性能是凝汽器選材必須考慮的一個問題［9］。

鑒于此，本工作模擬電廠凝汽器工況，采用改進磨蝕試驗機比較了不銹鋼板材304、316L、Sea-Cure、日本Ti板以及管材Sea-Cure、白銅管B10、B30和產自中國、美國、日本三地的鈦管的耐沖刷磨蝕性能，并進行了材料的維氏（HV）硬度分析。通過自行研制的電化學磨蝕試驗裝置［10］實時在線測量磨蝕過程中材料的開路電位和極化電阻等參數的變化，進一步分析磨蝕過程中機械和電化學作用，為沿海電廠凝汽器選材提供依據。

1 試驗

沖刷磨蝕試樣形狀分正方形板材和管材2種，正方形板材與管材的種類和尺寸見表1。其中鈦材料為凝汽器常用的2號鈦（Grade 2），超級鐵素體不銹鋼Sea-Cure材料為美國普利茅斯鋼管公司提供。

表1 正方形板材與管材試樣的種類和尺寸Tab.1 The type and size of the square plates and tube samples

試驗裝置為自行研制的磨蝕試驗機［10］。試驗介質為含石英砂的模擬海水，石英砂與模擬海水的質量比為2∶7，石英砂粒度分布見表2。模擬海水為上海自來水中加入NaCl，其中Cl-質量濃度為19 000mg／L。

表2 石英砂粒度分布Tab.2 The distribution of quartz sand particle size

試驗前將試樣邊緣用砂紙逐級打磨去除毛刺，其余各面均保持供貨態，然后用丙酮去油脂，超聲波清洗，干燥至恒重并用精度0.1mg的分析天平稱量。將板材試樣嵌入載樣臺中，管材試樣嵌入管套中，其中板材試樣工作面為單面，且與試驗介質流動方向呈30°，磨蝕面積見表1。調節攪拌漿轉速為629r／min，溫度31～33℃，連續運轉120h后將試樣清洗干凈，干燥至恒重再稱量。重復試驗3次，每次重復試驗均更新全新相同的試驗介質與材料，通過材料平均失重量來計算平均厚度減薄量，以此表征凝汽器材料的耐沖刷磨蝕性能。

在同樣溫度、轉速和試驗介質條件下以白銅管B30、中國鈦管和316L不銹鋼管為對象，采用三電極體系的磨蝕電化學試驗裝置，其中參比電極為固體鋅電極，工作電極為管材試樣，輔助電極為容器本身。測試前后用飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，電位數值均相對于飽和甘汞電極，實時在線測量試樣的開路電位與極化電阻。試驗測量時，在腐蝕介質中浸泡一段時間，參數穩定后開始沖刷磨蝕，一段時間后停止沖刷磨蝕，同時記錄浸泡段、沖刷磨蝕段和停止沖刷磨蝕后三段不同時刻的開路電位與極化電阻值。通過不同試樣開路電位和極化電阻等參數的變化分析試樣在磨蝕過程中機械磨損與腐蝕及其交互作用。

2 結果與討論

2.1 各材料磨蝕性能比較

各材料平均失重量以及由式（1）計算得試樣的平均厚度減薄量見表3。以Sea-Cure的減薄量為基準可得各板材和管材試樣相對Sea-Cure的減薄量R值（各材料平均減薄量與Sea-Cure平均減薄量之比）分別見圖1、圖2。

式中：d為厚度減薄量，μm；Δw為試樣失重量，mg；ρ為材料密度，g／cm3；S為沖刷磨蝕面積，cm2。

由試驗結果可知板材試樣的耐沖刷磨蝕性能依次為Sea-Cure＞日本Ti＞304＞316L；管材試樣的耐沖刷磨蝕性能依次為Sea-Cure＞中國Ti＞美國Ti＞日本Ti＞＞B30＞B10。國內外不同產地的鈦管的耐沖刷磨蝕性能稍有差異，中國鈦管最好，美國鈦管次之，日本鈦管較差。盡管板材試樣的磨蝕失重量較小，但試樣磨蝕減薄均勻由此計算的厚度減薄量誤差并不大。管材試樣失重量大但厚度減薄明顯不均勻。管樣迎水流端部減薄較多，長度明顯減小，沖刷磨蝕最嚴重區域主要集中在管口外側偏下位置，見圖3，這與電站凝汽器實際沖刷磨蝕情況相符。根據標準［11］壁厚不大于1.00mm的鋼管應做維氏（HV）硬度試驗。硬度測試儀測得試樣HV硬度值見表4，比較發現除304不銹鋼外其他試樣平均厚度減薄量與其硬度成反比。

表3 各試樣平均失重量與厚度減薄量Tab.3 The average weight loss and thickness reduction of samples

圖1 各板材試樣的R值Fig.1 Rvalues of plate specimens

圖2 各管材試樣的R值Fig.2 Rvalues of tube samples

2.2 電化學測試

表4 各試樣的維氏硬度Tab.4 Vickers hardness of samples HV

以白銅管B30、中國Ti管和316L不銹鋼管為試驗材料，在同樣溫度、轉速和試驗介質條件下分別在線測得三種材料的開路電位與極化電阻在磨蝕過程中隨時間的變化規律，見圖4和圖5。

圖4 開路電位E0隨時間的變化曲線Fig.4 Open circuit potential（OCP）E0vs time curves

圖5 極化電阻隨時間變化曲線Fig.5 Polarization resistance Rpvs time curves

由開路電位和極化電阻曲線可知，試驗開始前三種管材的鈍化膜均保持完好，開路電位基本維持在-50～-10mV，差別并不大；而極化電阻差別很大，鈦管最大，316L次之，銅管最小，這與金屬表面鈍化膜的性能相關，鈦表面形成一層致密的鈍化膜，其耐點蝕性能最好。當沖刷磨蝕剛剛啟動時，開路電位和極化電阻均急劇下降，說明在含砂海水中金屬表面鈍化膜受到沖刷磨蝕時很快被磨損掉，其耐點蝕性能驟降。在沖刷磨蝕過程中，開路電位和極化電阻逐漸緩慢升高并最終趨于穩定，但數值均處于低位，這時鈍化膜的磨損速度和生成速度基本平衡，且鈍化膜極薄。凝汽器管材在含氯離子溶液中磨蝕時鈍化膜的修復過程與擦傷載荷有關，擦傷載荷越高，鈍化膜的修復越困難，氯離子使管材的鈍化膜在磨蝕條件下更易被破壞且更難以修復［3，12］。腐蝕介質流速較大時管材表面鈍化膜生成速度小于消耗速度，其耐磨蝕性能主要由基底金屬的硬度控制，兩者成正比。當停止沖刷磨蝕后三種管材的開路電位和極化電阻均急劇增加且很快趨于穩定，其中鈦管的極化電阻上升最快，316L次之，銅管最慢，說明鈦管的鈍化性能最好，316L次之，銅管較差。因此凝汽器管材的磨蝕是機械沖刷和腐蝕共同作用的結果，其耐磨蝕性能主要由金屬基底硬度及鈍化膜修復能力共同決定，硬度對應于機械沖刷作用，鈍化膜則對應于腐蝕作用。當受到沖刷，鈍化膜磨損速度小于等于生成速度時，腐蝕作用微弱，當鈍化膜磨損速度大于生成速度時，管材受到海水中氯離子等的侵蝕，腐蝕加劇，從而可能導致材料失效，磨蝕泄漏事故發生。

3 結論

（1）各板材的耐沖刷磨蝕性能依次為Sea-Cure＞日本Ti＞304＞316L，管材為Sea-Cure＞中國Ti＞美國Ti＞日本Ti＞＞B30＞B10；不同國家生產的鈦管的耐沖刷磨蝕性能稍有差異，但超級鐵素體不銹鋼Sea-Cure管的耐沖刷磨蝕性能均明顯高于鈦管。

（2）沿海電站凝汽器管材的磨蝕是機械沖刷和電化學腐蝕共同作用的結果，其耐磨蝕性能主要由金屬基底硬度及鈍化膜修復能力共同決定，硬度對應于機械沖刷作用，鈍化膜則對應于腐蝕作用。

（3）在含砂量較高的沿海地區，建議電站凝汽器可優先選用超級鐵素體不銹鋼Sea-Cure管代替常用鈦管作為冷卻管。

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