电站风机耐硫酸腐蚀材料的全浸试验研究

李一民 魏子海 张楷*/成都电力机械厂

电站风机耐硫酸腐蚀材料的全浸试验研究

李一民 魏子海 张楷*/成都电力机械厂

1 概述

排烟温度每降低10℃，电站锅炉的效率可增加0.61％左右，因此，推广锅炉烟气余热回收技术有利于节能减排，降低排烟温度、增加发电企业经济效益已成为发展趋势。然而，随着烟气温度的降低，当风机的金属壁温低于烟气露点温度时，燃煤中的硫在燃烧时，发生系列反应后所生成的硫酸蒸气（S+O2→SO2、SO2+O2→SO3，SO3+H2O→H2SO4），会凝结在金属的表面形成硫酸液体，导致严重的硫酸露点腐蚀，从而影响到发电机组的安全可靠运行[1]。图1为某600MW发电机组的锅炉动调轴流引风机叶轮，其叶片的叶柄部位受到硫酸露点腐蚀后的宏观形貌。

图1 风机叶片的叶柄受到硫酸露点腐蚀的宏观形貌图

2 样本检测及腐蚀性

2.1 样本检测

从某电厂350MW机组锅炉引风机叶轮上采集的检测样本，系含硫烟尘和腐蚀产物形成的固态堆积结垢物。该机组燃煤煤种分析报告中含硫量较高为2.2％。采用INCA250 X-MAX50 X射线能谱仪对采集到的固态样本进行元素定性和半定量检测，结果见表1和图2。

表1 固态样本中的元素和重量百分比％

图2 固态样本能谱分析图

由表1和图2可见，固态样本主要组成元素为O，S，Fe，Si，Al，值得关注的是样本中S元素峰值较高仅次于O元素。采用X'Pert ProMPD X射线衍射仪对固态样本进行物相分析的结果表明，固态样本的主要物相为水铁矾FeSO4·H2O和针绿矾Fe2（SO4）3·9H2O，显然烟尘中的硫是风机腐蚀的首要因素。

2.2 样本腐蚀性验证

由于工况条件的限制，在风机现场不可能采集到能满足腐蚀试验所需的原生态腐蚀溶液。将固态样本粉碎细化，按粉、水质量比1:1.5经充分溶解后制成溶液样本，由ICS-90离子色谱仪对溶液样本进行酸根含量的测试，测试结果见表2。

表2 溶液样本中的酸根含量mg/ml

采用广泛试纸测试溶液样本的PH值等于2，呈现强酸性。

为验证溶液样本的腐蚀性，参照JB/T 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》；GB/T 4434.6-2000《不锈钢5％硫酸腐蚀试验方法》进行腐蚀试验。根据腐蚀条件和耐蚀性[2],选择了8种材料进行腐蚀试验，各材料的主要化学成分和编号详见表3。

表3 试验材料的主要化学成分和编号％

将装有溶液样本的烧杯放入SRJX-4-9型箱式恒温电阻炉内，按表4的试验条件进行腐蚀。当溶液样本达到表4的温度后，放入试样并开始计时保温，每隔24h将试样取出清除试样表面的腐蚀产物，反复冲洗、吹干称重并记录每次试样的质量变化，总腐蚀时间为t=192h。采用FA1004型精密分析天平称重试样（测试精度d=0.000 1g）。

表4为溶液样本中的试样，在3种温度下，各时间段的单位面积失重量ΔW'记录，及t=192h后试样的单位面积总失重量ΔW（一般采用腐蚀速率：被测材料在某特定试验条件下，在单位时间，单位面积的质量变化来评价其耐蚀性。因试验时间相同，试样只发生失重现象，故其耐蚀性以单位面积的失重量来衡量）。

表4 材料7在溶液样本中不同条件下的测试数据表mg/cm2

样本溶液中材料7在3种不同温度条件下各经过8次循环，共192h×3=576h均匀全浸腐蚀后，测得的腐蚀动力学曲线见图3。

图3 腐蚀动力学曲线图

由表4和图3可见：材料7在T=23℃时的Δ W=109.272mg/cm2，在T=60℃时的Δ W= 165.026mg/cm2，分别与材料7在后续的A和H试验条件下的结果接近，详见表5和表6。在48h内，溶液样本对试样的腐蚀程度随温度升高而增加。随时间的延长，溶液样本对试样的腐蚀性趋于减弱。在3种温度下，溶液样本对试样的最大腐蚀速率发生在最初的24h内。这证实了从风机现场采集到由含硫烟尘配制的溶液样本具有很强的腐蚀性。

3 试验材料和方案

3.1 材料选择

常见的耐硫酸腐蚀性好的材料有塑料、玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）、合成橡胶、铅料等，但因塑料在稍高温度下产生蠕变易老化，玻璃韧性差易碎，聚四氟乙烯与金属的附着力低不耐磨，合成橡胶受增塑剂、填料影响耐蚀性不稳定，铅料对人体危害大等因素的影响，使这些材料在电站风机处于硫酸露点腐蚀工况条件下的应用受到制约[3-4]。

随着技术的进步，耐蚀抗磨、性能稳定、来源广泛的各种金属材料不断出现。如表3中材料8为一种既耐硫酸露点腐蚀，又耐大气腐蚀的钢种以及与其匹配的材料0已被广泛使用。材料7作为风机制造中最常用的基本钢种是为了方便进行比对而入选。

3.2 方案确定

松岛岩依据Taylor的气液平衡关系得到硫酸露点浓度与温度之间的对应关系，认为在烟气条件下，硫酸凝结的浓度是随环境温度的变化而变化。而金属材料的腐蚀速度是由硫酸浓度C和温度T所决定的。在C=40％～50％，T=50～70℃和C= 80％，T=120～130℃时，对金属材料的腐蚀最大[5]。结合风机运行的实际工况，试验方案对引起材料腐蚀的主要因素C和T作出了如表5的规定。

表5 试验方案中的各种试验条件及代号表

4 材料耐蚀性比较

与溶液样本腐蚀验证的试验流程相同，8种材料在9个试验条件下的全浸试验结果见表6和图4～图12。

表6 各材料在相同试验条件下的失重量ΔW表mg/cm2

图4 A试验条件下各材料的N比较图

图5 B试验条件下各材料的N比较图

图6 C试验条件下各材料的N比较图

图7 D试验条件下各材料的N比较图

图8 E试验条件下各材料的N比较图

图9 F试验条件下各材料的N比较图

图10 G试验条件下各材料的N比较图

图11 H试验条件下各材料的N比较图

图12 I试验条件下各材料的N比较图

按照表5的方案，根据全浸试验结果所描绘出的腐蚀动力学曲线，虽然能够反映出特定试验条件下材料的腐蚀速率、程度等规律，但是将在该试验条件下所得到的各种材料与比对材料7试样的单位面积总失重量ΔW，换算成相对耐蚀性N进行比较，则更直观和更具有现实的工程意义。（相对耐蚀性N：在相同的腐蚀试验条件下，比对材料试样单位面积总失重量与某材料试样单位面积总失重量的比值）。

表6和图4～图12为各材料与比对材料7在相同试验条件下的单位面积总失重量ΔW和相对耐蚀性N的比较。

T=23℃时，材料的相对耐蚀性N由图4～图6可见。耐硫酸露点腐蚀材料8和0，在3种条件下的相对耐蚀性N相当，与比对材料7相比，其耐蚀性能没有优势。材料1，2，3，5在不同的条件下，表现出各自优异的耐蚀性能。材料4在B，C条件下不应采用。

T=60℃时，材料的相对耐蚀性N从图7～图9可知。材料4和1，材料2和3，材料3和5在D，E，F条件下应分别优先选用。

T=90℃时材料的相对耐蚀性N如图10～图12所示。材料1和2在G条件下的相对耐蚀性N最高，材料5和2在H条件下可选择，而在I条件下应首选材料3和1。

5 问题与课题

全浸试验腐蚀条件的某些方面可能比现场的腐蚀状况更为苛刻，但电站风机的实际运行工况是一个气液相交替，腐磨交加，腐蚀介质的浓度、温度、流速和压力等因素均存在着变化的复杂过程。与全浸试验这种腐蚀介质单一，压力恒定，容积有限，只有腐蚀不存在磨损和状态静止的简单过程存在一定的差异。因此，实现系统模拟腐蚀试验或现场真机挂片腐蚀试验应提上工作日程。而尽早把本试验的结果应用到风机运行现场检验，找出耐硫酸腐蚀性能更好的材料，尽快开展解析陶瓷防磨（TPCT）技术在耐蚀电站风机上的试验研究和工艺验证将是下一个迫切的重点课题。

6 结论

1）固态样本中检测出的高含量S元素，样本主要物相为FeSO4·H2O，Fe2（SO4）3·9H2O和溶液样本中高达147mg/ml的SO42-（估算浓度约相当于10％的稀H2SO4溶液）表明，烟气中的硫是造成风机腐蚀的主要原因。而溶液样本对材料7的全浸试验，进一步验证了腐蚀现象的存在并揭示出了其腐蚀程度和规律。

2）与材料7比较，耐硫酸露点腐蚀材料8和0的相对耐蚀性只是在硫酸浓度C=50％时的3种温度条件下（及材料8在I条件时）略微高出，而在其余条件下的耐蚀性能均不及比对材料7。

3）材料1，2和3在不同条件下表现出各自良好的耐蚀性能。

4）材料4的相对耐蚀性只是在c=5％时的3种温度条件下较好，此时性价比最高可做首选，但在其他条件下不推荐选用。

5）材料5在各种条件下显示出了一定的耐蚀性能。

[1]张吕华，朱朝阳，刘川槐.660MW机组汽动引风机叶片断裂原因的分析[J].风机技术，2015（1）：89-92.

[2]邢柏如.耐硫酸腐蚀材料的选用[J].机械工程材料，1978(3): 39-49.

[3]刘晓伟.石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置的腐蚀机理与防护技术研究[D].长沙理工大学，2013.

[4]杜步虎，王天堂，陆士平.不锈钢酸洗项目中防腐蚀材料及结构选择[J].全面腐蚀控制，2009（8）：30-35.

[5]松岛岩.低合金耐蚀钢的开发、发展及研究[M].靳裕康译.北京：冶金工业出版社，2004.

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对电站风机叶轮上采集的固态结垢物进行了样本检测和腐蚀性验证。通过多种金属材料的硫酸全浸试验的比对结果，找到了在特定试验条件下耐蚀性较好的材料，并指出了全浸试验对样本的腐蚀性与真实现场腐蚀情况有一定差异以及，今后课题的重点。

电站风机；腐蚀试验；耐蚀材料

Research on Immersion Test of Sulfuric Acid Corrosion Resistant Material for Fan Used in Power Station

Li Yimin,Wei Zihai,Zhang Kai，Li Ming，ChenPing/Chengdu Power Machinery Factory

fan for power station; corrosion test;corrosion resistant material

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）02-0059-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.082

*本文其他作者：李明陈萍/成都电力机械厂

2014-07-30四川成都610045

Abstract:This paper tests on samples and validates the corrosive solid fouling collected at site from fan blade for power plant.By comparing a variety of metal materials’sulfuric acid immersion test results,the material with better corrosion resistant is found in specific test condition, it also points out the difference in the corrosive characteristics between the sample and the site in immersion test and the focus of the next topic.

*材料4在E试验条件下，当t=24h时，ΔW'= 0.461 2；当t≤48h时，ΔW'=0。在H试验条件下，当t=1h时，ΔW'=0.329 2；当t≤2h时，ΔW'=0。材料0在G试验条件下，当t=120h时，ΔW'=2.189 9；当t≤144时，ΔW'=0。