5种换热管耐低温腐蚀性能的研究

王　峥， 李　祺

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)



5种换热管耐低温腐蚀性能的研究

王峥， 李祺

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

摘要：为了找到相对耐低温腐蚀且性价比较高的材料，在西南地区某电厂进行了实地运行试验，并对运行后各种材料的腐蚀情况做了评估。结果表明：材料的腐蚀速率随着工质温度的降低而加快，1Cr18Ni9Ti钢的腐蚀速率相对其他材料较慢，但ND钢的性价比较高。

关键词：低温腐蚀； 工质温度； 耐腐蚀材料

节能减排是当今世界的一个热点问题[1]。在发电过程中由煤、油等一次能源所转化出来的热能只有一部分得到了有效的利用，还有一部分余热被浪费了，所以在燃煤或燃油发电厂，为了降低热能的消耗，采用了一些新工艺、新技术和新设备[2]，如空气预热器、低温省煤器和余热锅炉等。但燃煤、燃油产生的烟气对金属表面产生酸性腐蚀，又叫做低温腐蚀，对设备在工业生产过程中的安全运行造成了严重的危害[3]。防止低温腐蚀的方法主要有两种：(1)采用有限腐蚀的低温系统；(2)选用合适的耐腐蚀材料[4]。因此对于易发生低温腐蚀的部件，找到发生低温腐蚀换热管内允许的最低工质温度，以及找到一种能够在硫酸露点腐蚀环境下长期使用的钢材，对提高锅炉低温部件使用寿命、减少能耗至关重要[5]。

为了找到低温腐蚀速率相对较小的温度环境，找到一种相对来说耐低温腐蚀且性价比较高的材料，在西南地区某电厂(此电厂使用高硫煤作为燃料)进行了实地运行试验，并对运行后各种材料的腐蚀情况做了评估。

1试验材料

设计并制造的试验管排的宏观形貌见图1。

该试验管排由5圈U形管组成，每圈U形管由5种不同材料牌号的钢管组成，每圈U形管在相同位置的材料相同，见图2。其中20钢、ND钢(09CrCuSb)和渗层管外带有翅片(渗层管是以普通碳钢管为原件，在焊接翅片处通过镍基合金渗层技术制备的镍基渗层管，主要是为了提高换热系数[6])，翅片材质与钢管材质相同，采用高频焊接焊在钢管外表面；其余2种材质钢管为光管。

每圈U形管内的工质温度不同，最高温度为90 ℃，最低温度为20 ℃，各圈管间的温度至少相差10 K，按图1中箭头指示方向依次降低。试验时，每圈U形管的进、出口工质温度基本相同，可以认为同一圈U形管上不同材料牌号的钢管温度是接近的。

试验管排在电厂进行实地运行试验的时间为2个月。

2试验结果

2.1 宏观检查结果

对试验后钢管进行了宏观检查，结果表明：钢管和翅片的外表面都粘有灰色的附着物，有明显的锈蚀迹象；同种材质在不同温度下，腐蚀情况相差较大，随着温度的降低，腐蚀情况逐渐加剧；而同一种温度下，各种材质的腐蚀情况相似，在第五档温度下，5种材质的钢管都腐蚀得非常严重，外表带翅片的钢管，翅片已经变得很薄，渗层管翅片一些地方已经被完全腐蚀；不带翅片的钢管，壁厚严重减薄，甚至已经穿孔。

图1和图3是实验完毕后换热器刚拆下时弯管的外貌图，弯管处可能由于应力集中导致穿孔。

2.2 样管表面显微分析及尺寸测量结果

去除部分带有翅片钢管上的翅片，在每个钢管的长度方向上截取约20 mm厚的试块，将所有试块进行超声波清洗，取试块的横截面方向，制备金相检查试样，然后在金相显微镜上进行显微分析，观察其外表面的腐蚀状况。图4为腐蚀较严重试样的金相显微照片，可以看出有一部分钢管腐蚀较为严重，外表面不平整。

对试样的壁厚进行尺寸测量，具体测量方法见图5。

表1为各试样通过图5的测量方法测出的壁厚，并根据损失壁厚算出腐蚀速率。

表1　壁厚测量数据及其腐蚀速率

由表1可得：在第一档温度下，各种材料的腐蚀速率均在0.3 mm/a以上；而在第二档温度下，渗层管及15MnV的腐蚀速率已稍低于0.3 mm/a，其余各材料腐蚀速率仍在0.3 mm/a以上；当温度再继续降低，此时材料的腐蚀速率急剧加速；到第五档温度时，大部分材料的腐蚀速率已在2 mm/a以上。这说明管内工质温度低于90 ℃时，工质温度越高钢管的抗腐蚀性能越好，并且工质的温度最好能够在第二档温度以上。

3分析讨论

材料的腐蚀速率随着工质温度的降低而加快，可能是由于在90 ℃左右时，钢管是单纯的硫酸露点腐蚀，而当温度继续降低到50～70 ℃时，已经到达了盐酸的露点温度，这样就同时存在着硫酸露点腐蚀和盐酸露点腐蚀，材料的腐蚀速率必然会急剧加速。

相对于其他材料，1Cr18Ni9Ti钢的腐蚀速率较慢，主要是由于1Cr18Ni9Ti钢中合金元素铬的含量较高，而铬元素能够细化晶粒，与钢中铜和硫合理匹配，在未燃烧的活性炭的催化下会出现钝化现象[7]；铬的电极电位较低，也具有钝化倾向的作用，从而提高了抗腐蚀性能[8]。

ND钢的腐蚀速率之所以较慢，是因为ND钢中的合金元素铜和杂质元素硫结合,在钢的表面形成Cu2S钝化膜,起到了抗低温腐蚀的作用。合金元素Sb的加入也对阻止低温腐蚀起明显作用[9]。

4结语

根据5种材料在不同温度下的现场试验结果，可得出如下结论：

(1)管内工质温度低于90 ℃时，材料的腐蚀速率随着工质温度的降低而加快，当工质温度降低到一定温度时，材料的腐蚀速率急剧加速。

(2)管内工质温度相同的情况下，1Cr18Ni9Ti钢的腐蚀速率相对其他材料较慢。

(3)工质温度较高的情况下，ND钢与1Cr18Ni9Ti钢的腐蚀速率相当，但其性价比较高。

参考文献：

[1] 魏子萱. 节能技术评价与应用[D]. 保定：华北电力大学，2014.

[2] 丛海涛. 加热炉余热回收设备烟气露点腐蚀及其抑制[J].石油化工腐蚀与防护,2001,18(3)：1-5.

[3] 徐军，张慰生. 耐酸露点腐蚀用NSI钢的开发和应用[J]. 特殊钢,1998,19(6)：40-43.

[4] 吴金星，许思龙，邓洪生. 火力发电厂低温烟气余热利用研究[C]//2014年江西省电机工程学会年会论文集. 南昌：江西省电机工程学会，2014：86-92.

[5] 张武，马玉平，刘永刚，等. 耐硫酸露点腐蚀用钢的研究与应用综述[J]. 安徽冶金,2009,25(3)：9-12.

[6] 王乃华，李淑英，骆仲泱，等. 镍基渗层管表面实现珠状凝结的研究[J]. 动力工程，2002,22(3)：1804-1807.

[7] Ichiro H，彭曼辉. 转炉的喷溅预报和抑制[J]. 首钢科技，1989(1)：38.

[8] 黄志勇，颜根发，徐广治，等. MnO基无氟复合造渣剂应用的试验研究[J]. 钢铁研究，2007,35(2)：48-52.

[9] 蔡昊. 09CrCuSb钢在锅炉制造中的应用[J]. 工业锅炉，2005,93(5)：22-25.

Research on Low-temperature Corrosion Resistance of 5 Heat Exchanger Tubes

Wang Zheng, Li Qi

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：To find a material that is relatively resistant to low-temperature corrosion with high price-to-performance ratios, a field test was conducted in a power plant in southwest China to evaluate the corrosion resistance of materials. Assessment results show that the corrosion rate of materials would accelerate with decreasing fluid temperature, the corrosion rate of steel 1Cr18Ni9Ti is slower than other materials, but steel ND has a higher price-to-performance ratio.

Keywords：low-temperature corrosion; fluid temperature; corrosion-resistant material

收稿日期：2015-12-21

作者简介：王峥(1982—)，女，工程师，主要从事材料及试验技术研究。E-mail: wangzheng@speri.com.cn

中图分类号：TK225

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0173-04