沿海某电厂循环水泵部件腐蚀分析及处理

徐海荣

(浙江浙能温州发电有限公司,浙江 温州 325602)

0 概况

沿海某电厂四期共安装四台大型立式可抽式单级斜流泵，配电机额定功率3 000 kW、高低速的循环水泵，扬程18.5 m，流量44 208 m3/h。循环水泵是汽轮机冷却系统的重要设备，输送的冷却介质为瓯江海水，海水是含盐量很高的强电解质溶液，全年Cl-小于8 000 mg/L，循环水进水温度变幅0～36 ℃。在海水中运行的设备极容易发生腐蚀，一旦重要部件因腐蚀产生损坏，将直接带来维修、更换备件等经济损失，严重时将导致机组停运。

1 腐蚀问题

循环水泵主要零部件均采用耐海水的双相不锈钢022Cr22Ni5Mo3N，其中循环水泵轴为锻件，叶轮、叶轮室、导流体、导轴承壳为铸造件，导轴承支架、内护管、外筒体为热钆板。外筒体螺栓、内护管螺栓均采用双相钢材质。下面分别对叶轮、内护管法兰面、内护管与法兰焊缝、螺栓螺母的腐蚀进行分析。

1.1 叶轮腐蚀

叶轮的三个叶片表面、叶根及轮毂部位不同程度都存在因铸造缺陷而引起的点腐蚀(如图1所示)，这些蚀孔点状布满整个叶片表面，随着腐蚀扩展成连片。叶片的根部等重要部位也有腐蚀，严重影响了叶片机械强度。但查阅原铸造厂家材质证书化学成分比及机械性能都符合GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》标准要求，热处理工艺也符合要求。

图1 叶轮表面及叶根部位腐蚀

1.2 内护管法兰面及法兰肋板焊接腐蚀

循环水泵大修发现内护管从最底部下护管到中间护管、上护管与轴承支架连接法兰共十个，各法兰密封表面不同程度都存在腐蚀留下的痕迹，腐蚀深度最深有3 mm,表面打磨处理后测得最深4 mm,法兰面具体的腐蚀位置基本上又是在最外靠近海水侧(如图2所示)。

图2 内护管法兰密封面腐蚀

1.3内护管与法兰焊缝、内护管法兰肋板焊缝出现了腐蚀，腐蚀处的产物呈粉末状(见图3)，内护管法兰与管的腐蚀直接影响了其连接强度，带来了严重的安全隐患。焊接质量及热处理不到位，从现场的焊缝腐蚀来看，所有与海水介质接触的内护管、轴承支架上焊缝多多少少都有腐蚀。

1.4 螺栓螺母腐蚀

螺栓与螺母的腐蚀主要是两内护管法兰紧固螺栓，这些螺栓螺母的不同规格几乎全部出现了腐蚀，腐蚀的产物呈粉末状，规格有双头螺栓M24*100、螺栓 M24*100，腐蚀部位在螺栓与螺母紧固处(见图4)，也有在法兰面载丝处。

图3 内护管腐蚀

图4 螺栓螺母腐蚀

2 腐蚀原因分析

循环水泵腐蚀形式通常有以下几种：点腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、晶间腐蚀和磨损腐蚀，在一般100°C以下海水条件，点腐蚀、间隙腐蚀是海水循环水泵选材时主要考虑的因素。在高浓度氯离子环境条件下的评价不锈钢耐腐蚀性方面，目前比较普遍和通用的做法是每种材料的PER值和(CI)值。该参数是以Cr、Mo(W)、N的含量(wt%)来计算( PRE= Cr%+3.3Mo+16N ，CI = Cr%+4.1Mo+27N)。一般认为，上述两个值越大，材料的耐海水腐蚀的性能越好。根据新日铁住友材料试验结果和多年的使用经验，总结出点腐蚀以及间隙腐蚀与材料的PER值和(CI)值之间的关系,具体如图5。双相不锈钢材料0Cr22Ni5Mo3N其在海水中的点腐蚀当量平均值(PRE值，PRE=Cr%+3.3Mo+16N)超过34，与316L(PRE值约为26)相比，抗海水腐蚀能力有显著提高，是目前为止比较好的耐海水腐蚀的泵用材料。产生腐蚀的氯离子浓度高是一个原因，而循环水泵主要部件选用双相不锈钢材料也是合理的，但从现场循环水泵各个部件腐蚀情况，整体上这么严重这很值得深思。

图5 各种材料的PRE值

铸造叶轮、导叶体、叶轮室金相分析(见图6)，主要缺陷表面相态不均，元素有偏析，且双相钢的主要元素如Ni、Mo、Mn虽然在合格范围内但偏低。叶轮主要是点腐蚀，也不排除晶间腐蚀存在，但是因叶片有很严重的气蚀及磨损，晶间腐蚀难以清晰呈现，暂不好判断。

图6 叶轮及叶轮室金相图

海水类介质引起的腐蚀基本上因电位差化学腐蚀引起，最终以点腐蚀或间隙腐蚀等形式表现出来。瓯江海水中存在较多的悬浮固体物，在流速较慢或者静止备用状态时，它有可能与叶片表面形成不流动湿盐水环境，特别是当叶轮铸造过程中存在夹杂物、气孔时，就更可能造成腐蚀介质局部浓度上升而形成点腐蚀。另外铸造或热处理不当造成材料成份偏析、σ相析出、碳化物析出、组织粗大、不均匀等，就会引发晶间腐蚀及点腐蚀。从图6可以看出有5%σ相析出，且奥氏体与铁素体占比不均，奥氏体占70～80%+10～15%铁素体。晶间杂质合金元素富集，破坏了晶料间的结合，大大降低金属的机械强度。晶间腐蚀很明显的特点是金属的外形尺寸几乎不变，大多数仍保持原有的金属光泽(如图1)，但金属的强度和延展性下降，敲击时失去原有金属声响。

内护管两法兰面之间表面腐蚀，主要由间隙腐蚀引起。制造厂的安装说明对外筒体特别强调要求各密封面间涂上高分子液态密封胶，但是对内护管的两法兰面之间没有这方面要求。而据现场观察确实没有当时安装时涂密封胶之类的残留痕迹。内护管与内护管法兰为热轧钢板制作，由国内不同钢厂供货，金相组织比较正常，带状铁素体+带状奥氏体为典型的轧制态组织，铁素体与奥氏体占比相当(见图7)。当内护管两法兰面安装时因金属对金属密封，其间没有密封脂这类填充时，留下了一定的间隙，这些间隙在介质海水滞留状态时，在双相不锈钢表面钝化膜相对薄弱处，氯离子容易打破原来钝化膜溶解与修复的平衡状态。腐蚀刚开始时在间隙内外均匀发展，当缝隙内的氧还原反应很快消耗掉氧之后，而缝隙外的氧因缝隙存在向缝隙内输送比较困难，当缝隙外的氧还原反应继续进行就形成了缝隙内外的氧浓差电池，缝隙内金属阳极溶解产生过剩阳离子，不断吸引缝隙外的氯离子进入保持电荷平衡，以此循环往复，使腐蚀不断发展，进而腐蚀面积、深度扩大，使得内护管法兰面失去密封效果。

图7 内护管密封表面部位金相分析

对螺栓、螺母金相分析相态未见异常(见图8)，奥氏体与铁素体占比在标准范围内，硬度260～277符合ASTM(2017)A240/A240M-01要求≤布氏硬度293范围。

图8 螺栓金相分析

内护管内侧有0.2～0.3 MPa淡水润滑循环水泵的导轴承，内护管外侧为循环水通道。内护管的法兰紧固螺栓接触海水介质，当螺母与螺栓紧固后留有缝隙，或者螺栓载入法兰也留有缝隙时，在介质海水不流动处(一般在循环水泵备用时)，容易产生间隙腐蚀。

3 处理措施

对叶轮作临时处理返厂挖补焊，一直挖到没有腐蚀的金属基层，再用双相钢焊条E2209采用多层多道焊，在堆焊叶面时保证型面尺寸，焊后对叶轮固溶处理最后打磨抛光，最后渗透探伤检查合格。导叶体与叶轮同是铸件，也是同一个铸件厂生产，对导叶体表面清理打磨干净后先用金属修补剂修补，然后整体做防腐处理。

接下来从材料及铸造工艺全过程监造升级。叶轮材质由022Cr22Ni5Mo3N升级采用CD4MCuN低碳双相不锈钢，CD4MCuN双相钢材料最大限度地消除析出相，提高双相钢塑性、韧性和抗点腐蚀能力。

对铸造厂家进行严格控制，对铸件供应商的设备条件、人员素质、交货能力、质量保证等方面进行综合考评，从中选择最优铸造厂家。要求铸件供应商提供理化试验报告，并提供随炉试棒，对铸件表面质量进行检查，以确保叶轮的毛坯质量。

更换掉所有腐蚀螺栓，所有螺栓与螺母之间涂液态密封胶，填充进每个可能的缝隙，预防缝隙腐蚀的发生。密封胶也能同时预防螺栓螺母松动。对内护管、螺栓螺母等所有部件的防间隙腐蚀措施，制定详尽指引(见图9)，对每一个部位都有详尽的防间隙腐蚀涂装要求，根据间隙大小、有无冲击、防腐强度不同，需要使用不同型号的涂剂。而电位差的防护也有具体措施，如通过增加绝缘板、绝缘套等，阻断高低电位差零件的传递路径。

图9 叶轮安装指引

焊缝腐蚀通常与焊条选用不当或焊接工艺不正确有关。双相不锈钢的焊接工艺以及过程控制，是双相不锈钢材料循环水泵最困难、最关键的制造工艺，直接影响焊接件的防腐蚀性能。0Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢具有良好的焊接性，对焊接方法没有特殊要求，目前几乎所有的焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接。但双相不锈钢在700～1 000°C范围内，会有有害相析出，这些有害相会显著降低其耐腐蚀性和韧性，焊接时的红热温度也在该温度范围内。因此，有效控制有害相的析出对焊接工艺是至关重要的。一是焊接时使在红热温度范围内的总停留时间最短，也就是要尽可能快地提高焊接速度。这需要合理的工艺路线，熟练的焊接技巧，以及训练有素的焊接技工。二是严格控制材料中N的含量。合理的N含量可以延缓有害相析出的时间，因此，型材必须严格控制N含量在合理的范围，以便在焊接过程中有效控制有害相的析出。

4 总 结

通过对循环水泵腐蚀产生的原因分析，除了正确选用抗腐蚀材料之外，剩下就是如何有效防止或减缓因电位差引起的各种腐蚀，单凭合理选材不能完全解决各类腐蚀，必须采用综合的防护措施。

提出合理的解决措施十分必要，海水设备腐蚀问题的普遍性，决定了防腐工作是一项长期的系统工程，它涉及到各个专业学科，从合理选材、优化安装工艺、表面涂层处理等方面进行深入细致研究，不断积累经验，采取有效措施控制海水腐蚀速度，才能最大限度保证设备的正常运行。