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金屬

某電廠二號機組循環水泵葉輪裂紋分析

  • 来源: 大唐东北电力试验研究院
  • 作者: 宁玉恒,于宏辰, 孙旭
  • 发布时间: 2018-07-09

1.序言

奧氏體不鏽鋼是工業中應用最廣的不鏽鋼之一,在常溫和低溫下有良好的塑韌性、焊接性、以及抗腐蝕性,也有抗化學腐蝕和電化學腐蝕的能力,廣泛應用于石油、化工、冶金、航空、航海、用電器和五金制造等廣大領域[1]。然而,点腐蚀和晶间腐蚀( IGC)是大多数奥氏体不锈钢常发生的腐蚀现象[2-4]。所谓晶间腐蚀是金屬材料在特定的腐蚀介质中,沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。目前对于晶间腐蚀的产生机理,主要有“贫Cr理论”和“晶界杂质选择性溶解理论”[5-6]。對于貧Cr理論,當鋼材從固溶溫度冷卻下來時,C處于過飽和狀態,冷卻達敏化區間(450-800 oC)過程中,合金中的C和Cr形成碳化物在晶界析出。由于該碳化物含Cr量很高,並且Cr在奧氏體中擴散速率很低,這樣就在晶界兩側形成了貧Cr區,其含Cr質量分數低于12%,因而鈍化性能與晶粒不同,即晶界區和晶粒本體有了明顯的差異,晶粒與晶界構成活態-鈍態的微電偶結構,造成晶界腐蝕。而對于“晶界雜質選擇性溶解理論”,最直接的證據就是在晶界區用AES分析可以檢測到磷、矽的存在,而在晶內卻檢測不到,這說明晶體內和晶界存在濃度的差異,從而引起晶間腐蝕的發生。對于點腐蝕而言,在運行機組中工質所含的有害元素(如Cl-离子)超标,具有超标有害元素的工质流经奥氏体不锈钢管内壁会发生点腐蚀现象。由于晶间腐蚀、点腐蚀均会产生腐蚀坑,不仅破坏了材料中各个晶粒之间的结合力,所形成的腐蚀坑也是钢材中应力集中较大的位置,从而大大降低金屬的机械性能,导致结构发生早期失效[7]。這不僅縮短了鋼材的正常使用壽命,而且容易引發生産事故,給企業造成不必要的經濟損失,增加了社會的人力物力支出成本。因此,對奧氏體不鏽鋼部件的晶間腐蝕的現象進行系統分析並提出預防和修複措施,充分發揮奧氏體不鏽鋼的優良性能,對建設資源、能源節約型,環境友好型和諧社會有重要意義[8-10]

某電廠汽輪機是由哈爾濱汽輪機廠有限公司設計制造的C280/N350-16.7/537/537型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、抽氣、凝汽式汽輪機。該機組4號循環水泵于2013年定期檢查時發現葉輪上有裂紋存在,當時未采取任何措施。2017年6月再次對4號循環水泵檢查過程中發現葉輪上裂紋面積增多。其中葉輪材質爲ZG0Cr18Ni9。

2.結果與討論

2.1 宏观检测

通过现场 DCS系统调取 系统调取 4号循环水泵近 1年的运行及记录参数,振动转 速等指标未出现过异常,运行良好。通过现场查看,叶轮表面存在大量网状裂纹(见图1)。裂纹多集中在轴孔位置,部分裂纹开口较大,出现龟裂宏观形貌(见图2)。

 

圖1失效葉輪宏觀形貌

   

圖2局部開裂嚴重位置

2.2 光谱检测

根据质量证明文件对叶轮和叶片分别进行化学成分分析,质量证明文件显示叶轮材料为ZG0Cr18Ni9(见图3),分析结果如表1所示。结果表明:失效叶轮主要合金元素含量与质量证明文件相符,Cr元素低于标准(GB/T 20878-2007)《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中对于304不锈钢的要求。

 

圖3循環水泵葉輪成分報告單

 

表1化學成分檢測結果

 

2.3 金相检测

分別對圖1中A(葉輪)、B(葉輪)、C(葉片)三點進行金相觀察,分別如圖4所示。從圖4(a)中可以看出,裂紋主要沿晶界擴展。從圖4(b)中可以觀察到葉輪外緣還保留鑄態樹枝晶組織,晶界存在大量第二相,枝晶內部存在點蝕形貌,證明葉輪外緣與芯部熱處理工藝不同,殘余第二相較多,易發生晶間腐蝕現象。從圖4(c)中可以觀察到微觀點蝕現象,從點蝕位置存在向外延伸的裂紋,且裂紋相互連接。

  

圖4循環水泵葉輪金相組織:

(a)叶轮 (裂纹处),(a)叶轮 (正常位置),(c)叶片

2.4 电厂水质报告

查看從2014年1月至2017年6月循環水水質控制報表:總體情況較平穩,未出現影響較大的異常現象,但存在濃縮倍率間斷控制不穩定、氯離子間斷超過廠內控制標准(≤300mg/l),統計如下:

表2水質報告

 

3.原因分析

4號循環水泵葉輪結合宏觀觀察和顯微金相組織分析結果可以發現,葉輪發生了沿晶腐蝕和點蝕情況。分析其原因:

1)4号循环水泵叶轮奥氏体不锈钢贫Cr,低于(GB/T 20878-2007)对304不锈钢的要求,未形成有效保护膜发生晶界腐蚀。

合金必須含有足夠量的鉻以形成基本上由Cr2O3組成的表皮,以便當薄膜弄破時有足夠數目的鉻(Cr3+)陽離子重新形成薄膜。鉻的比例低于完全保護所需要的比例,鉻就溶解在鐵表面形成的氧化物中而無法形成有效保護膜。

2)奧氏體不鏽鋼在敏化溫度區(450~850℃)會由于碳化鉻的析出而造成晶間貧鉻,增加材料的晶間腐蝕傾向。如果葉輪的制造、加工、熱處理、裝卸過程中在敏化溫度區停留會促進Cr23C6沈澱相的析出,在遇到一定腐蝕介質後易發生短路電池效應,造成晶界腐蝕。

3)该厂2号机循环水水质控制中氯含量控制范围(≤300mg/l),其氯含量超出4号循环水泵叶轮304不锈钢对氯离子(≤200mg/l)含量要求的最高限制,处于钝态的金屬环境含有氯离子,平衡便受到破坏,溶解占优势,氯离子能优先地有选择的吸附在钝化膜上,把氧原子排挤掉,在新露出的基底金屬的特定点上生成小蚀坑,造成点蚀现象像的发生。同时,这些小蚀坑位置又极易造成应力集中,成为裂纹源,促进裂纹的萌生,最终相互连接形成长裂纹。

4)葉輪軸孔位置與軸連接,所受扭力最大,應力集中現象也最爲明顯。因此在應力與腐蝕介質的共同作用下,軸孔周圍表面表現出開裂現象最爲嚴重。

綜上所述,循環水泵葉輪表面處産生的裂紋主要是晶間腐蝕和點腐蝕的共同作用造成。循環水質氯離子控制含量高于304不鏽鋼中氯離子含量要求,氯離子聚集造成點蝕。敏化造成的晶間腐蝕和氯離子形成的點蝕缺陷在應力作用下發生擴展,最終形成網狀裂紋。

4.建議

1)及時更換循環水泵葉輪,防止因循環水泵葉片斷裂,引起機組非停事件發生。

2)提高循環水泵葉輪、葉片材質,可選用抗Cl離子腐蝕性能較好的316L不鏽鋼,防止葉輪腐蝕的隱患發生,影響機組安全運行。

3)嚴控奧氏體鋼材料的熱處理工藝和裝卸工藝,防止奧氏體不鏽鋼在敏化溫度450~850℃內保溫或緩慢冷卻,防止晶間腐蝕。

4)按照標准,嚴格控制奧氏體不鏽鋼運行環境中的氯離子含量。

5)开展循环水動態模拟试验,根据试验控制循环水浓缩倍率,进而合理、科学的控制循环水氯离子含量。

 

參考文獻

[1] 张德康 不锈钢局部腐蚀[M].科学出版社.1982

[2] 朱日彰 金屬腐蚀学 [M].冶金工业出版社.1989

[3] 何业东 材料腐蚀与防护概论[M].机械工业出版社.2005

[4] 岳 睿 潘祖军 李 艳 不锈钢的腐蚀分析 [J] . 金屬世界.2006

[5] 屈兴胜 林 成 刘志林 奥氏体不锈钢晶间腐蚀 [J]. 辽宁工学院学报.2007

[6] 朱龙英 不锈钢材料酸溶液中耐蚀性的研究 [J]. 钢铁研究.2003

[7] 李新 梅邹勇 张忠文 时效温度对钢析出相的影响 [J]. 材料热处理学报.2009

[8] 贾成杰 奥氏体不锈钢高温时效后組織結構的变化 [D]. 大连理工大学.2010

[9] 黄一桓 晶间腐蚀机理及预防措施 [J]. 中国科技信息. 2006

[10] 李国森 鲜朝佐 镍铬奥氏体不锈钢制钢制容器的焊后热处理 [J]. 石油化工设备技术.1996

 


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