15CrMo材质余热锅炉省煤器的腐蚀试验研究.pdf

第2 期 一 7 1 5 C r Mo 材质佘热锅炉省煤器的腐蚀试验研究 陈浩 苏莹莹 王艳丽 王长江 裴延波 1 ． 西南石油大学机 电工程 学院 ， 四川 成都 6 1 0 5 0 0 2 ． 焦作大学化工与环境工程学 院 ， 河南 焦作 4 5 4 0 0 2 [ 摘要]省煤器是余热锅炉必不可少的换热部件，其性能直接影响着余热锅炉的正常运行。在省煤器的诸多失效因素中， 以省煤器管的低温腐蚀为最。本文着重阐述了低温腐蚀的形成机理，并应用试验方法，对常用省煤器管材1 5 C r M o N 进行金 相组织、硬度及腐蚀速率的测试研究，确立 了1 5 C r M o N 的腐蚀速率与硫酸浓度、温度之间的关系，获得了1 5 C r M o 管材最耐 硫 酸腐蚀 的组 织状 态，为余 热锅 炉省 煤器的进一步改进提供 了重要依据 。 [ 关键词]余热锅 炉；省煤 器； 1 5 C r M o ；金相组 织；腐 蚀；试验 研究 余 热 锅 炉 是 重 要 的 节 能 设 备 ， 主 要 用 于 冶 金 、石油 、化工 、轻工 、建材 、电力等部 门的炉 窑余热 回收 。根据对有关部 门及企业余热资源情 况 的调 查 和 统 计 得 知 ， 我 国 余 热 回 收 利 用 量 为 1 3 8 2 万 吨标 煤／ 年 ，其 中余热 锅炉 回收利用量 占 7 0 ％，具有 举足 轻重 的地 位 。但 余热 锅炉 运行 过程 中存在着尾部受热面腐蚀泄漏、受热面积灰、炉 膛压 力 偏 高 以及 过 热器 过 热 能力 不足 等 问题 Ⅲ。其 中，尤 以省煤器管泄漏及省煤器爆管为甚 Ⅱ ] ，且 频繁发 生，使锅炉 的累计运行率大 为降低 ，造成 严重的经济损失。研 究发现 ，导致 省煤器 失效的 因素很多，其 中含硫燃气对 省煤器 管材 的低温腐 蚀 会 引起 省 煤 器 管 壁 逐 渐 变 薄 、破 裂 ，是 造 成 省 煤器管材 失效 的主要原 因。为此 ，对省煤器 的低 温腐蚀进行深入 的分析及对省煤器管材进行腐蚀 性 能研 究是 很有 必要 的 。 1 省煤 器的失效原 因分析 1 ． 1 省煤 器 的作用 省 煤 器 是 利 用 余 热 锅 炉 尾 部 的热 烟 气 来 加 热 给水 的一种热交换器 ，是现代锅炉必不可少 的换 热部件 ，其在锅炉中的主要作用如下 1 吸收低温烟气 的热量 以降低排烟温度 ，提 高锅炉效率，节省燃料。 2 给水在进入蒸发受热面之 前，先在省煤器 内加 热 ， 以减 少 水 在 蒸 发 受 热 面 内吸 收 的 热 量 ， 继而采用省煤器代替部分蒸发受热面 ，以节约成 本 。 3 利于提高进入汽包的给水温度，减少给水与 汽 包壁之 问 的温度 差 ，从 而使汽包 热应力 降低 。 1 ． 2 省煤器的失效原因 省煤器腐蚀与磨损机理与下列因素有关 f 1 烟道 内烟气温度的分布不均 导致省煤器管 的热疲劳 ； 2 燃气 的含硫量对省煤器管的侵蚀 ； f 3 烟气与灰粉颗粒 的冲蚀； 4 省煤器 管材质量差 ，部分管束存在表面制 造缺 陷； 5 安装省煤器 管路 时工艺不符合要求，致使 内应力增大 接 口焊接时 出现夹渣 、气泡 、氧化 等现象，未及 时发现返工即投入使用 。 以上 因 素 中 ， 以燃 气 的含 硫 量 对 省 煤 器 的侵 蚀最为严重，占余热锅炉故障的8 0 ％ ] 。由于高、 焦炉煤气中存在s 、c l 等有害杂质，燃烧过程 中产 生S O 、S O 、H S 、HC I 等酸性气体 ，是多种化学 物质在 高温 下共同对 管壁进行的复杂的动态腐蚀 过程 ，含硫物 在高温 下产 生单原子硫 ，硫与钢管 中 的铁 发 生反 应 生成 硫 化 铁 f F e S F e S ，从 而对 管壁金属产生腐蚀 。同时， 由于省煤器布 置在锅 炉 对 流 烟 道 的最 后 ，进 入 这 些 受 热 面 的烟 气 温 度 已不高 ，烟气 中的水蒸汽和硫酸蒸汽有 可能在管 壁上凝 结 ，从而导致金属产生均匀性低温腐蚀 ， 它将使省煤器管壁逐渐变薄 ，直至破裂。 低温腐蚀主要 是硫 酸腐蚀 ，它取决于烟气 中 S O 和水蒸气 的含量 。进入余热 锅炉 的烟气 中往 往含 有较 多的S O ，其 中一部分 将进一步转 化成 S O ，并与烟气中的水蒸气结合为硫酸蒸汽，当受 热面壁温低 于硫酸 露点时 ，即产生酸腐蚀 。腐蚀 的速度与酸 的浓度 、金属壁温度 以及材料性质 等 有关。 在 诸 多 防 范 省 煤 器 管 低 温 腐 蚀 的措 施 中 ，选 作者简介陈浩 1 9 6 3 一 ，男，副教授，1 9 9 1 年毕业于西南石 油大学机械 工程 专业， 获 硕士学位 ，现从事教学与 科研工作， 研 究 方向为现代设计理论和化 工设备 工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 5 8 一 ■ 腐蚀防护 石油与化工 设备 2 0 t 0 年第 1 3 卷 择恰 当的耐腐蚀材料尤为重要。因此 ，有必要从 金相组织及硬度方面对省煤器 管材进行深入 的腐 蚀性能分析 ，以确定管材的腐蚀速 率与酸浓度 、 金 属壁温 度 之 间的关 系 。 2省煤器 常用管材 的腐蚀性 能试验方法 1 5 C r Mo N 是世界各 国广泛应用的珠光体型耐 热钢 。与2 0 g 钢相 比，1 5 Cr Mo 钢 具有较好 的力学 性 能 和 可焊 性 ，在 3 5 0 4 0 0 ℃ 也 具有 较 高 的持 久 强度和蠕变能力，腐蚀速率低 ，使用寿命长 ，有 良好 的应用前景和推广价值 l 。对1 5 C r Mo 进行腐 蚀 性 能分 析 ， 主要 是 为 了找 到 1 5 C r Mo 管材 最 耐硫 酸腐蚀的组织状态 。 2 ． 1 1 5 C r Mo 的基本 性 能与化 学成 分 1 5 C r Mo 属 于 珠光 体 耐热 钢 ，它 以加入 铬 、钼 合 金 元 素 为 主 ，铬 能 形成 致 密 的氧 化 膜 ，有 利 于 提 高钢 的抗氧 化性 能 ，亦有 阻止石 墨化 的作用 。 1 5 C r Mo ] 的化 学 成分 见 表 1 ，1 5 C r Mo N 的力 学性 能 见． 表2 。 表l 1 5 C r M o 钢的化学成分 w t ％ 表2 1 5 C r M o 钢的力学性 能 力学性能 钢号 热处理状态 0 b 13 S 6 a k 备注 ／ M P a ／ M P a ％ ％ J c m l 5 C r M o 9 3 O ～9 6 0 ℃ ≥4 4 0 ≥2 2 5 ≥2 0 2 4 ℃ 横 向试样 ，U 形缺 口 正火 ≥4 9 6 8 O ～ 7 3 0 ℃ 回火 2 ． 2热处 理 通 过热 处 理 改变 1 5 C r Mo 的组织 形 态 ， 织对 腐蚀 性 能的影 响 。 2 ． 3金相检 验 研究组 2 ．3 ． 1金相试样 的制各 首 先 ，对 1 5 C r Mo 管 材用 手 工 切割 ，锯 成 小 试 样 ，然后进行热 处理。热处理 的箱式 电阻炉型号 为 S X 一 4 ． 1 0 。 热 处理 工艺 曲线 如 图1 。 温度 T 。 c 图 l 1 5 C r M o 管材试样热处理曲线 其次，将试样加热 ] 9 5 0 C，保温 1 ． 5 小时，然 后 分别进行淬火 淬火介质为水 、空冷和随炉 冷却 。 本 试验 中金 相试 样 的制 备 采用 的是手 工磨 光 与 机 械抛 光 。手 工 磨 光 时 ，将 砂 纸 平铺 在 玻 璃 板 上 ，一 手将 砂 纸 按 住 ，一 手 将 试 样 磨 面 轻压 在 砂 纸 上 ，并 向前 单方 向推 移 磨 制 ，回 拉 时 提起 试 样 ，使之脱离砂 纸，不 与砂纸接触 。砂纸按粗细 分 为6 0 号 、 1 8 0 号 、4 0 0 号 、8 0 0 号 、 1 0 0 0 号 、 l 5 0 0 号等几种。细磨 时，依次从6 0 号磨至1 5 0 0 号 ；机 械抛光时，将抛 光布 固定在抛光盘上 ，抛光盘 由 电机带动旋转，布上置有抛光液 ，试样 以一定的 压力压在抛光布上进行抛光 。抛光布为化学纤维 制品，抛光液为c r O ， 细粉制成的悬浮液。 2 ． 3 ． 2显微组织显示 本试验用 的是常规显示法 中的化学侵蚀法 ， 并采用4 ％的硝酸酒精溶液 以擦拭法进 行侵蚀 。 试样经过化学侵蚀之后进行金 相观察 本试验采 用的是莱卡金相显微镜 ，并对 1 5 C r Mo 钢 的金相 组织进行不 同的热处理，以便 更清晰地观察 、比 较 各组 织形 态 。 2 ． 4显微硬度测试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 陈浩等 1 5 Cr Mo 材质余热锅炉省煤器的腐蚀试验研究 一 5 9一 本试 验采 用 的是维 氏显 微硬 度 。 维 氏压头是一种呈正方形 的锥体 ，其两相对 的锥面的夹角均为1 3 6 。。维氏显微硬度值用下列 公式计算 F HM 1 8 9 ． 0 3 1 0 式中，F 为施加在压头上的载荷 ；d 为压痕 的 对角线长度 。 将试样按金相试样制备的要求进行磨光 、抛 光和腐蚀，测量试样管径方 向由外到 内的硬度 。 2 ． 5腐蚀 试验 本 试验 采用 失重 法测 量腐 蚀 速率 。 将 待 测 金 属 样 品经 一定 的表 面 处 理 磨 平 、 a 淬火条件下的组织2 0 0 除污 等 ，精 确 测量 其表 面积 S O ，并 称重 Wo 。然后 在一 定温 度 、压力 和搅拌 等条件 下，将其放在腐蚀介质 中，经一定时问 t 后取 出 ，经冲洗 、除去附着腐蚀产物后重新称重 。据 腐蚀前后的重量差算出腐蚀速率 u 19W o． W t ／ So t 失重法测定 的是平 均腐蚀速 率 ，其优点是简 便 易行 ， 缺 点 是 腐 蚀 速 率 低 的场 合 下 ，测 量 所 需 时 间过长 。 3试验结果分析 3 ． 1 显 微组 织 1 5 C r Mo 钢不同热处理条件下 的组织形态如图 2 所示 。 b 空冷条件下的组织2 0 0 c炉冷条件下的组织2 0 0 d 原始组织2 0 0 图2 1 5 C r M o 钢不同热处理条件下 的组织 由图2 可 以看出，1 5 C r Mo 钢管 的原始组织 为 铁 素体 珠光体 ；淬火条件下 的组织 为马 氏体 ； 空冷条件下 的组织 为块状 铁素体 少量 针状铁素 体 粒 状 贝 氏体 ；炉 冷条 件 下 的组 织 为 珠 光 体 铁 素体。 3 ． 2显微硬度 I 5 Cr Mo 钢 不 同组 织形 态 的显 微硬 度 如 图3 所 示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 6 0 一 ■ 腐蚀防护 石油 与化工设备 2 0 1 0 年第 1 3 卷 ／ _ 、 、 、 ～ V广一、、． 空冷蛆织＼～ 图3不 同组 织的显微硬度分布 图 由图3 可 以看 出，当测量 距离为4 ． 4 ～5 ． 2 mm 时，各种组织形态下的1 5 C r Mo 的硬度值最高，且 淬火组 织硬 度 空冷 组织 硬度 炉 冷组 织硬度 。 3 _ 3腐蚀速率试验 依据腐蚀试验得出的试验结果如图4 、5 所示 。 30 40 7 0 硫 酸 浓 度 ／ ％ 图4硫 酸浓度对腐蚀速率的影响 7 O ℃，3 h 50 7O 温度／℃ 十原始 组织 十淬 火 窑冷 炉 冷 图5温度对腐蚀速率 的影响 4 0 ％，3 h 由图4 可 以看 出，在较低浓度的硫酸中各种组 织的1 5 c r Mo 钢的腐蚀速率较高，而在高浓度的硫 酸中腐蚀速率较低，在硫酸浓度为3 0 ％左右时腐蚀 速率最大。这主要是 由于硫酸在低浓度 时主要表 现为酸性 ，产 生氢去极化作用 ，加剧 了腐蚀 ；而 在高浓度 时主要表现为氧化性，使得金属表面发 生钝化，降低 了腐蚀速率。另外 ，1 5 C r Mo 钢各种 组织 在硫 酸 中的腐蚀 速 率顺 序 为 珠光 体 铁素 体 铁 素 体 贝 氏体 马 氏体 。其 中 以马 氏体组 织最 耐 硫 酸腐 蚀 。 由图5 u J ‘ 以看 出 ，随着 温度 的升 高 ，各种 组织 的腐蚀 速 率也都 随着 增大 。 4结论 1 腐蚀试验 结果表明，余热锅炉省煤器管材 1 5 C r Mo 的腐蚀速率与硫酸的浓度成反 比、与金属壁 温 度成 正 比，且不 同组织 在硫酸 中的腐蚀速 率顺序 为铁素体 珠光 体 铁素 体 贝 氏体 马 氏体 。 2 硬度测试结果表明，余热锅炉省煤器管材 1 5 C r Mo 的硬度 以测量距离为4 ． 4 --5 ． 2 mm时的值最 高，且淬火组织硬度 空冷组织硬度 炉冷组织 硬 度 。 ◆参考文献 【 1 ]王文欢， 张 金亮 ， 潘卫 国． 催化裂化 装置余热锅炉常见 问题 的对策 【 J ] ． 石油化工设备， 2 0 0 7 ， 5 8 5 ． [ 2 ] 李福松 ， 张生凯， 杜允跃， 魏传波， 甄金． 锅炉省煤器管泄漏原 因分析 与对 策【 J ] ． 冶金动力， 2 0 0 7 ， 5 4 4 4 5 ． [ 3 ] 刘 秀雯． 催化裂化 装置余热锅 炉省煤器爆 管分析 与改造 『 J ] ． 石油化丁设备， 2 0 0 8 ， 8 7 0 7 1 ． [ 4 ] 樊节斌 ． 余热锅炉 的腐蚀 机理与防范措施 [ J ] ． 石 油和化工 设备， 2 0 0 6 ， 5 4 3 4 4 ． 【 5 】 艾万发， 韩景瑞， 马睿． 1 5 C r Mo [X] 在稠油热采注蒸汽管道上 的应用 [ J ] ． 腐蚀与防护， 2 0 0 3 ， 2 8 3 ． 8 4 ． [ 6 ] 屠海令， 干勇． 金属材料 理化测试全书【 M] ． 北京 化学工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 7 】S ． S r ik a n t h ， B ． R a v i k u ma r , S w a p a n K． D a s ， K． Go p a l a k r i s h n a ， K． Na n d a k u ma r , P V i j a y a n ．“ An a l y s i s o f f a i l u r e s i n b o i l e r t ube s du e t o f i r e s i de c or r os i o n i n a wa s t e he a t r e c ove r y b o i l e r ” 『 J 1 ． En g i n e e r i n g Fa i l u r e An a l y s i s ， 2 0 0 3 ， 1 0 5 9 6 6 ． 喜 }喜 三渤咖 酆 瑚 脚 m m Ⅲm m 辨的 ∞ ∞。 ≮ 瓷} 诲 ∞ ∞ 0 譬 。 ＼ ＼ 斟 髑 基 龌 ㈤ 们 ∞ O 譬 ∞ S ＼ 讲 料茸 龌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m