燃烧器喷嘴的腐蚀原因分析与改进

李 益，王红涛，杨 维，洪 军(中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安 710200)



燃烧器喷嘴的腐蚀原因分析与改进

李 益，王红涛，杨 维，洪 军
(中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安 710200)

为了查明燃烧器喷嘴过快腐蚀的原因，通过物理金相观察和腐蚀原理分析，从零件表面腐蚀状态、腐蚀机理、腐蚀形式相继对喷嘴喷头进行了推断。最终确定喷头的工艺缺陷、材料选择、燃料使用等因素是导致零件失效的诱因，并做了相应的改进与调整。结果表明：改进方案可行、有效，不但使零件质量问题得到了彻底解决，而且提高了设备工作效率。

燃烧器喷嘴；腐蚀；金相法；马氏体不锈钢

0 引 言

喷嘴是燃油燃烧器总成关键零部件之一，它的作用是控制燃油喷射量和实现燃油雾化，其工艺设计、使用性能直接影响着燃烧器雾化效果[1]。近年来，随着中国市场对燃烧器需求量的增大，许多国内企业开始研发制造燃烧器，但受国内生产技术水平制约，国产燃油燃烧器仍存在着诸多问题，如产品零部件匹配性差、质量不稳定、安全性能较低、环境污染等；国外进口设备虽然没有以上问题，但价格十分昂贵[2-7]。本文针对国产燃烧器喷嘴使用寿命短、腐蚀失效过快的现状，从某公司沥青混合料搅拌设备燃烧器喷嘴入手，对零件的腐蚀现状、腐蚀机理及各影响因素分别进行探究与分析，采用材料更换、工艺改进等手段解决燃烧器喷嘴的质量问题。

1 失效概况

燃烧器喷嘴(喷射头部分)表面腐蚀状态如图1所示，喷射头内腔表面腐蚀严重，呈暗红色，Ф3 mm油孔周边存在明显的点状腐蚀坑。喷嘴设计材料为马氏体不锈钢95Cr18，热处理工艺为淬火处理，硬度为58～62 HRC。

通过物理金相法在显微状态下可观察到喷嘴横向剖面的点腐蚀微观形态，如图2所示。其中Ф3 mm油孔周边横向分布着大小不同的黑色孔洞，即点蚀坑，较大的直径约为0.8 mm。沿油孔的纵向截面进行切割制样观察，发现油孔内部腐蚀状况更为严重，腐蚀坑从表层向深度方向扩展延伸，最大深度约3.0 mm，如图3所示，更严重时甚至贯穿整个截面。

2 腐蚀原理

燃油喷嘴和调风器共同构成燃烧器，在高压高温环境中，燃油高速通过喷头形成雾化蒸汽；燃油蒸汽中的杂质会在喷嘴喷射头内表面凹槽处和油孔位置形成沉积物，引起通道变窄，改变喷嘴的基本线型，导致汽流扰离、油孔处磨损和腐蚀频率增加[8-10]。除此之外，由于喷嘴零件设计工艺存在缺陷，未对机加工后的Ф3 mm油孔进行除屑清理和孔位磨削，造成零件表面光洁度差和部分油孔堵塞，引起汽流不均，热磨损增大；喷嘴的雾化效率差，导致液滴滞留，从而加快腐蚀。

因此可知，喷嘴的腐蚀机理主要是磨损和沉积物腐蚀。其中，沉积物为腐蚀环境提供了土壤，而蒸汽中的水蒸气和硫化物则是造成喷嘴喷射头严重腐蚀的根源，且随着各自含量的增加，对设备的腐蚀越严重；低温时燃油中的H2S能形成各种H2S-H2O型腐蚀物，而在240 ℃以上时硫或硫化物常产生典型的高温硫腐蚀物[11]。

由微观形态可见，喷嘴的主要腐蚀形式为局部腐蚀环境下的点腐蚀。不锈钢的耐腐蚀性主要是依靠表面钝化薄膜的作用，如果薄膜的破坏是集中在某个特定部位，从而产生腐蚀孔，其他部分还保持钝化状态，则这种腐蚀称作点腐蚀[12]。喷嘴因使用性能要求需加工一系列的Ф3 mm油孔，这必然导致该处位置的表面钝化薄膜被破坏，容易形成腐蚀，最终产生点腐蚀现象。

3 影响因素

3.1 热处理工艺

95Cr18不锈钢喷嘴的淬火加热温度为1 030 ℃～1070 ℃，淬火介质为油。对于这类高碳高铬马氏体不锈钢喷嘴，若用箱式加热炉淬火，会因零件太小和可控气氛的影响引起零件表层脱碳，形成一定的脱碳层，使不锈钢钝化薄膜受到破坏，零件表层及油孔周围强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性降低；若采用盐浴炉加热淬火，又会因含有大量氯离子介质，对零件表面产生腐蚀。零件淬火后要进行回火，当回火温度过低时，由于内应力存在，零件容易发生开裂或变形；回火温度过高又会形成过多的铬碳化合物，降低基体组织的铬含量，影响零件的耐蚀性、硬度、强度和耐磨性[13]。所以，95Cr18喷嘴热处理工艺的设计和控制存在一定的缺陷和难度。

3.2 加工缺陷

机加零件一般热处理后需进行精加工或精磨，以消除其表面氧化、脱碳层等缺陷。对于燃烧器喷嘴，由于其结构设计要求，零件表面内、外两周Ф3 mm油孔与垂直方向分别呈44°和22°角，且孔位小而密集，受国内技术条件所限，油孔内径表面精磨较难实施；因此，油孔内表面粗糙度较大，常伴有毛刺、铁屑，容易沉积杂物结焦或堵塞，产生腐蚀坑。

3.3 材料选择

95Cr18钢属于高碳高铬马氏体不锈钢，淬火后具有高硬度、高耐磨性和一定的耐蚀性。马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量 ，但碳和铬的亲和力很强，不锈钢中的碳会与铬形成稳定的碳化铬，消弱铬的存在；钢中碳含量越高，形成的碳化铬就越多，固溶体中的铬含量就越少，钢的耐蚀性就会降低，间接影响钢的耐蚀性[14-15]。对于耐蚀性要求较高的不锈钢材料，一般碳含量要求不超过0.4%，而95Cr18材料的碳含量为0.90%～1.00%，其耐蚀性必然受到一定的制约与影响。

3.4 油料混杂

燃烧器应用过程中油料混杂，柴油、重油、渣油均在使用，各类燃油的黏度、水分、硫含量、机械杂质、热值等技术指标差别很大。当燃油杂质较多时，喷射口会高速磨损；燃油黏度过大或过小不利于油的雾化，往往随着使用时间的延长常有黏度增加、沉积、变质等现象；另外，燃油雾化喷燃过程中伴有的水、硫与空气中的氧气高温燃烧生成H2SO4和H2SO3，会加速燃烧器喷嘴内腔、油孔的腐蚀磨损。

4 改进方案

(1)将马氏体不锈钢95Cr18更换为30Cr13材料。30Cr13较95Cr18碳含量低，碳与铬结合的倾向小，可以最大限度地保持钢中固溶体的铬含量，增强材料自身的耐蚀性，热处理过程零件脱碳几率小。所以，30Cr13不锈钢材料常被用于制造腐蚀介质环境中的磨损件。2种马氏体不锈钢化学成分对照见表1。

表1 两种马氏体不锈钢的化学成分对照 %

(2)用低温离子渗氮工艺代替整体热处理淬火[16]。离子渗氮是提高零件硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性最有效的手段之一，它利用氨气作为渗氮介质，使活性氮原子催渗到工件表面，渗入速度快，零件变形小，渗层深度易于控制。350 ℃低温离子渗氮零件表面硬度和耐腐蚀性均明显高于常规高温离子渗氮(500 ℃～570 ℃)零件，所以选择该工艺，不但可以使零件获得更高的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，避免热处理淬火形变问题，同时也可增加零件的表面光洁度，促进燃料油雾化效果。

(3)严格控制燃油质量。燃油种类不同，成分差异很大，不同的燃油雾化温度要求也不尽相同，使用前应控制好燃油的成分、性能和热值，具体参数见表2；避免油料盲目使用或混用的现状，对使用情况不明确时严禁随意乱用。

对改进后的30Cr13燃烧器喷嘴进行了质量跟踪，通过3年来的用户反馈，零件表面并未发现任何明显的腐蚀、磨损等不良现象，产品性能稳定，雾化燃烧效果更优。

5 结 语

(1)以某沥青混合料搅拌设备燃烧器喷嘴为例，对国产燃烧器喷嘴使用寿命短、腐蚀失效过快的现状进行分析；采用物理金相法观察、推断腐蚀机理，并对腐蚀严重的喷嘴进行了全面的诊断分析。

表2 燃油的主要技术指标

(2)通过对该类型喷嘴腐蚀微观形态的分析，判定其为局部点状腐蚀，腐蚀机理主要是沉积物腐蚀和磨损；加速腐蚀的有害物质为蒸汽中的水蒸气和硫化物。导致零件不耐腐蚀的最根本原因是工艺设计过程中的选材、热处理工序不当，以及制造过程的加工缺陷和燃油质量成分管控不规范等。

(3)将原来喷嘴的95Cr18材料更换为更耐腐蚀的30Cr13材料，用低温离子渗氮新工艺代替传统热处理淬火工艺，避免了热处理过程中淬火形变、开裂和零件表面脱碳、氧化等问题，且工艺更易控制；同时在燃油的质量成分控制方面也提供了一些技术指标依据。最终，喷嘴零件获得了更高的表面硬度、疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，表面光洁度也得到了很大改善。

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[责任编辑:杜敏浩]

Corrosion Cause Analysis and Improvement of Burner Nozzle

LI Yi, WANG Hong-tao, YANG Wei, HONG Jun
(CCCC Xi’an Road Construction Machinery Co., Ltd., Xi’an 710200, Shaanxi, China)

In order to find out the reasons for the premature corrosion of the burner nozzle, the nozzle was analyzed in aspects of corrosion state of the surface, the corrosion mechanism and the corrosion form by physical metallographic observation and analysis of the corrosion principle. The failure of parts were attributed to the process defects, material selection, fuel use and other factors, and corresponding improvement and adjustment was made. The results show that the improvement scheme is feasible and effective, which not only solves the quality problem of the parts, but also improves the working efficiency of the equipment.

burner nozzle; corrosion; metallographic method; Martensitic stainless steel

1000-033X(2017)06-0095-03

2016-12-20

杨 维(1980-)，男，陕西户县人，工程师，研究方向为金属材料理化检测与失效分析。

U415.5

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