20碳鋼在腐蝕性氣流環境中飛灰沖蝕磨損試驗研究

趙憲萍，朱崇武，葉桂林，孫堅榮，潘衛國

（上海電力學院能源與機械工程學院，上海200090）

燃煤鍋爐的煙氣中含有大量的飛灰顆粒，并且含有一定的腐蝕性氣體，氣流攜帶飛灰沖刷對流受熱面的管束，使管壁表面受到沖蝕磨損，其中既有沖刷磨損，也有腐蝕性氣流的腐蝕，磨損和腐蝕交互進行，加劇了金屬管壁的失效.很多鍋爐事故都是由于對流受熱面受飛灰磨損以及腐蝕產生泄漏、爆管等而被迫停爐檢修，甚至造成安全事故，對電廠運行的經濟性和安全性造成很大影響.因此，關于飛灰沖蝕磨損的研究一直是電力行業關注的問題.文獻［1］～文獻［3］中針對不同鍋爐常用金屬材料在壓縮空氣氣流中的熱態磨損特性進行了一系列的試驗研究與分析，而有關沖刷氣流中的腐蝕性氣體對沖蝕磨損的影響研究尚未深入進行.

沖蝕磨損是一種系統工程，是多種磨損機制綜合作用的結果，影響因素眾多.它與粒子沖刷速度、灰粒粒度、沖刷角度、環境溫度、被沖刷材料的性能、高溫下金屬表面氧化層的厚度、致密度、元素成分以及氣流的氣氛等諸多因素都有很大的關系，其中任何一個因素的變化都會引起材料磨損量的改變［1-3］.由于其復雜性，因此對金屬材料沖蝕磨損性能的研究大多通過試驗的方法進行.由于受沖蝕的金屬材料往往在一定高溫且腐蝕性氛圍的環境下工作，人們逐漸開始重視金屬材料的腐蝕問題，并認識到磨損與腐蝕的交互作用對金屬材料的性能有很大影響.金屬材料沖蝕磨損的研究逐漸從“重磨損輕腐蝕”發展到重點研究材料磨損與腐蝕的交互作用上來［4-10］.有研究表明高溫下金屬表面產生的氧化膜對金屬的磨損性能會產生很大的影響［11］，不同氣體氛圍環境下金屬的抗氧化性并不同，因此混合氣體氛圍下的高溫氧化腐蝕是一個非常重要的值得研究的課題［12-17］.

燃煤在鍋爐中燃燒后，煙氣中的主要成分包括CO2、H2O（g）、N2、O2和SO2等.其中CO2氣體含量較大，硫和氧的同時出現導致硫化物和氧化物的形成，嚴重影響了金屬的耐沖蝕性能，不可忽視其對鍋爐金屬材料沖蝕磨損的影響.20碳鋼作為一種優質碳素鋼，在530℃以下具有較好的抗氧化性能，常應用于鍋爐低溫段受熱面.受飛灰沖蝕磨損嚴重的省煤器的制造材料大多為20碳鋼.趙憲萍等［1］在壓縮空氣流中對20碳鋼的磨損性能進行了熱態試驗研究，得到了一些有價值的規律.然而，煙氣中的腐蝕性氣體會對金屬壁面產生腐蝕作用，產生的腐蝕產物較容易被灰粒沖刷掉，露出新的金屬表面，又再次被腐蝕.因此，磨損和腐蝕交替進行，使總的管子磨損速度大大加快［18］.但目前在這一領域的定量研究還很少，一些高腐蝕性煙氣下（如燃用高硫煤產生的煙氣）的腐蝕磨損問題尚需深入探討.筆者在熱態飛灰磨損試驗裝置上對20碳鋼進行250～500℃溫度段的試驗研究.試驗氣流參照一般燃煤電廠鍋爐煙氣中SO2和CO2的含量比例，摻入SO2、CO2氣體分別進行不同腐蝕性氣氛下的沖蝕磨損試驗，分析SO2、CO2氣體對20碳鋼沖蝕磨損性能的影響.

1 試驗裝置及試驗工況

1.1 試驗裝置

根據研究目的，在只有壓縮空氣氣源的試驗臺上增加SO2和CO2氣源管道及流量計，以使試驗時根據需要混入各種氣體，形成含有腐蝕性氣體氣流的環境.

試驗系統如圖1所示.該試驗系統工作過程如下：根據試驗需要的氣流環境，可以有3種氣體按試驗前計算的混合比例經轉子流量計的計量后，一起進入試驗系統，在預熱段加熱后進入混合室.試驗用的灰粒子經稱量后裝入灰斗，灰斗下的碟閥控制給灰量.灰落入混合室后與氣流混合形成氣固兩相流體進入加速段，粒子則加速到最大可能的速度.加速段用加熱氣流電爐使氣固兩相流體同時加熱至所需溫度后，由加速管噴射出來進入試驗段，以一定速度并以30°的沖刷角沖刷試件，造成磨損效果.之后，氣固兩相流體進入水冷卻沉降式除塵器，由于氣流流動方向改變，在慣性力及重力的作用下，大部分的灰留在該除塵器內，氣流攜帶少部分灰經布袋式除塵器除塵后排向大氣.

試件采用專門設計的加熱試件電爐進行加熱，以保證其達到試驗工況要求的溫度，試件中心設有溫度測點.試驗溫度根據不同的試驗工況確定，在對應的速度下完成試驗.沖刷試驗后的試件均放在干燥器皿中冷卻至常溫時才取出稱重，以免空氣中水分的凝結使質量增加.另外，還考慮了試驗過程中試件在熱態下被氧化而導致質量增加對稱重的影響，使得數據的測取更為準確.試件用1／10 000g精度的全自動天平稱重，相對磨損量ΔⅠ＝Δm／M（mg／g），即相對每克灰沖刷掉的材料質量，其中Δm為磨損的絕對質量，M為用掉的灰質量.

1.2 試驗工況

試驗時，大氣溫度為20℃，大氣壓力為0.101 2 MPa，氣流壓力為0.30 MPa.試件材料為20碳鋼，將其加工成直徑為50mm、厚度為4mm 的圓片.

通過在壓縮空氣流中混入SO2或CO2氣體，分別在壓縮空氣＋SO2、壓縮空氣＋CO2以及壓縮空氣＋SO2＋CO23種不同的腐蝕性氣流環境中進行飛灰沖蝕磨損試驗.氣流中SO2氣體的含量根據電廠幾種常用動力煤種的含硫量經燃燒計算后按比例摻入，由全煙氣分析儀測量SO2氣體的質量濃度為3 200～4 600mg／m3.同理，根據電廠幾種常用煤種的含碳量，計算出煙氣中CO2的含量比例，氣流中摻入CO2的體積流量為0.77～1.11m3／h.

不同氣流環境下的氣流速度均為100 m／s.壓縮空氣＋SO2和壓縮空氣＋CO22 種氣流環境下，試件及氣流溫度控制在250～450 ℃，每50K 一個試驗工況點，每個氣流環境下共有5個試驗工況點.壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環境下，試件及氣流溫度控制在250～500℃，每50K 一個試驗工況點，共6個試驗工況點.

試驗所用灰樣均取自某電廠電除塵器，經篩分，計算求得灰的平均粒徑為101μm，每個試驗工況用灰量為2 000g.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

整理試驗數據，得到20碳鋼在3種腐蝕性氣流環境下相對磨損量與試件溫度（以下簡稱溫度）的關系，如圖2～圖4所示.試件在3種腐蝕性氣流環境下的相對磨損量均隨著溫度的升高先減小后增大，存在一個臨界溫度點.這種磨損規律與非腐蝕性壓縮空氣流中熱態規律相同［1］.

對相對磨損量ΔⅠ與溫度t的關系進行非線性擬合，3種腐蝕性氣流環境下對應的回歸方程分別為：

（1）壓縮空氣＋SO2氣流環境.

擬合式（1）的相關系數R2＝0.952 6，擬合曲線如圖2中曲線所示.20碳鋼在該氣流環境下的臨界溫度點在375 ℃左右.

（2）壓縮空氣＋CO2氣流環境.

擬合式（2）的相關系數R2＝0.975 2，擬合曲線如圖3中曲線所示.20碳鋼在該氣流環境下的臨界溫度點在370 ℃左右.

圖2 20碳鋼在壓縮空氣＋SO2 氣流環境下相對磨損量與溫度的關系Fig.2 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus SO2

圖3 20碳鋼在壓縮空氣＋CO2 氣流環境下相對磨損量與溫度的關系Fig.3 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus CO2

（3）壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環境.

擬合式（3）的相關系數R2＝0.983 5，擬合曲線如圖4中曲線所示.20碳鋼在該氣流環境下的臨界溫度點在360 ℃左右.

圖4 20碳鋼在壓縮空氣＋SO2＋CO2 氣流環境下相對磨損量與溫度的關系Fig.4 Relation betweenΔⅠand Tof carbon steel 20＃in gas flow environment of compressed air plus SO2and CO2

將20碳鋼在含腐蝕性氣流環境下的相對磨損量與壓縮空氣中熱態磨損試驗的相對磨損量ΔⅠ′［1］進行比較，結果見表1.由表1 可以看出，SO2和CO2氣體的摻入增大了相對磨損量.由圖5中各工況擬合曲線明顯看出，20碳鋼在各氣流環境下的熱態磨損特性是一致的，即相對磨損量均隨著溫度的升高先減小后增大.在壓縮空氣＋SO2、壓縮空氣＋CO2、壓縮空氣＋SO2＋CO2的3種氣流環境下，相對磨損量依次增大.與壓縮空氣流中的熱態磨損試驗相比，壓縮空氣＋SO2＋CO2氣流環境下的相對磨損量最大，平均增大2.75倍；壓縮空氣＋CO2氣流環境下的相對磨損量次之，平均增大2.59倍；壓縮空氣＋SO2氣流環境下的相對磨損量較小，平均增大1.65倍.

表1 腐蝕性氣流環境與非腐蝕性氣流環境下20碳鋼相對磨損量的比值Tab.1 Comparison of relative erosion rate for carbon steel 20＃in corrosive and non-corrosive environment

圖5 20碳鋼在不同氣流環境下相對磨損量的比較Fig.5 Comparison of relative erosion rate for carbon steel 20＃in different airflow environments

2.2 分析與討論

加入SO2和CO2氣體能夠明顯加速20碳鋼的沖蝕磨損損耗，分析其原因，主要與它們造成的一定腐蝕性因素以及混合氣氛下金屬的氧化有關.理論上講，干燥的CO2并不具有腐蝕性，但由于CO2微溶于水，任何水滴或表面水層都能吸附CO2氣體，而且高溫下CO2在一定濕度的氣流中溶解會發生電離，產生碳酸根離子，因而造成了一定的腐蝕性因素.一定高溫下，煙氣流中的O2、SO2能與金屬壁面的氧化鐵層以及飛灰作用產生SO3，對金屬壁面產生硫酸鹽性腐蝕.SO3也是一種極易吸濕的物質，研究表明：當溫度超過200 ℃時，只要煙氣中存在8%左右的水分，99%的SO3都會轉化為硫酸蒸氣［18］.酸露點溫度隨著煙氣中酸氣濃度的增大而升高，露點溫度越高，越容易造成低溫下的露點腐蝕［19］.酸性腐蝕產物膜一般表面附著性較差，容易被沖刷掉，加速了材料損耗.

除了SO2、CO2氣體與水分作用會產生腐蝕性因素外，不同氣體氛圍對金屬的氧化影響也有很大差別.已有研究表明，金屬在含SO2、CO2氣氛下與純空氣氣氛下的抗氧化性能并不相同，SO2、CO2氣體的存在能夠顯著加速碳鋼的氧化［16］.研究發現，大多數沖蝕、腐蝕引起的金屬材料高溫退化是由于表面氧化膜的形成和去除，沖蝕、腐蝕是2個相互競爭過程的綜合效應.隨著溫度的升高，氧化腐蝕形成的氧化膜或多或少地為金屬提供了保護，使得反應速率隨膜厚度的增大而下降；沖蝕率在350 ℃左右達到最小，這和在這個溫度區域內碳鋼發生藍脆現象也有一定的關系.當溫度繼續升高時，由于氧化膜與金屬基體分離剝落，使得磨損量又有所增加.根據氧化膜的厚度及其保護性能不同，氧化速度取決于界面反應速度或反應物通過膜的擴散速度.在壓縮空氣＋CO2＋SO2氣流環境下能促進氧通過氧化物結構中的孔洞傳輸，明顯增大金屬的氧化速率.SO2、CO2能夠穿過生長的氧化膜傳輸，作為第二氧化劑滲入，導致保護膜開始失效.其中，CO2引起的碳化反應會顯著改變金屬的反應速率.金屬在CO2氣氛中經過一段孕育期后會發生“失穩”氧化，加速氧化與碳在氧化膜中的沉積有關.CO2穿過金屬表面腐蝕產物膜，導致碳在金屬機體中溶解，隨后碳在膜中的沉積破壞氧化膜，使得體系處于快速“失穩”氧化狀態.硫滲入氧化膜也能引發反應加速并最終導致氧化膜的失效［17］.沖刷磨損使氧化形成的表面膜損耗或減薄，抑制了其保護作用.當反應產物被持續沖蝕去除時，金屬表面的氧化物以更快的速率生成，這樣的交互作用導致材料在腐蝕性環境下的總體退化流失速率增大.

由于SO2、CO2氣體的密度大于空氣密度，加入SO2、CO2氣體后增大了氣流的密度，也在一定程度上增加了試件被沖刷程度.試驗中SO2、CO2氣體的量是按常用動力煤種燃燒計算后的比例摻入的，CO2的含量遠大于SO2的含量，其所造成的氧化氛圍也更強.因此，試驗結果也表明，在同樣工況下，壓縮空氣＋CO2氣流環境下20碳鋼的相對磨損量比壓縮空氣＋SO2氣流環境下的相對磨損量明顯大得多（見圖5）.當2種氣體一起加入時，其相對磨損量明顯高于只含其中一種腐蝕性氣體時的相對磨損量.

3 結 論

（1）在試驗溫度范圍內的腐蝕性氣流環境下，20碳鋼的熱態特性不變，即在某臨界溫度之前相對磨損量隨溫度升高而減小；在臨界溫度之后，相對磨損量隨溫度升高而增大.臨界溫度隨所在氣流環境的不同而不同.

（2）加入SO2或CO2氣體后，20碳鋼的相對磨損量明顯增大.

（3）由于煙氣流中CO2的含量遠遠大于SO2的含量，CO2對沖蝕磨損的影響大于SO2的影響.

（4）在含腐蝕性氣流環境下，磨損和腐蝕存在交互作用，彼此加速使得金屬損耗增大.

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