燃?xì)庥酂徨仩t高壓蒸發(fā)器管SA210鋼焊縫腐蝕特征分析

胡苧尹，王志武

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢430072）

燃?xì)庥酂徨仩t高壓蒸發(fā)器管SA210鋼焊縫腐蝕特征分析

胡苧尹，王志武

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢430072）

為分析燃?xì)庥酂徨仩t高壓蒸發(fā)器管SA210鋼焊縫腐蝕特征，利用金相顯微鏡觀察SA210焊接鋼管腐蝕坑、SA210鋼堆焊鋼板焊接接頭各部位和基體的顯微組織，并于0.2 mol/L的NaCl溶液中分別測(cè)定焊接接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及基體的三電極動(dòng)電位掃描極化曲線，以研究各個(gè)區(qū)域的腐蝕特征。結(jié)果顯示SA210鋼熔合區(qū)的腐蝕電流要遠(yuǎn)高于其他區(qū)域的腐蝕電流。這表明，SA210鋼焊接接頭熔合區(qū)由于晶粒粗大、組織形態(tài)和成分不均勻以及魏氏體缺陷組織的存在，將會(huì)成為SA210鋼焊接接頭中優(yōu)先腐蝕區(qū)。

余熱鍋爐；SA210鋼；焊接接頭；腐蝕；極化曲線；顯微組織

SA210鋼屬于低合金耐熱鋼，其組織為鐵素體+珠光體，廣泛用于制造火力發(fā)電廠鍋爐水冷壁、省煤器等管件，余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器管件，工作溫度一

般為400～500℃，工作壓力一般為13～17MPa［1-4］。S A210運(yùn)行中易發(fā)生氧腐蝕［5-7］，一般沿焊縫進(jìn)行，對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度損壞十分嚴(yán)重，是影響鍋爐安全及壽命的重要因素。

某熱電廠倒水作業(yè)中發(fā)現(xiàn)余熱鍋爐倒出大量泥狀濁水，將高壓蒸發(fā)器管SA210鋼割開后發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁，特別是焊接接頭處存在蝕坑、蝕孔和穿透孔洞［8］。這對(duì)鍋爐使用安全性提出了巨大挑戰(zhàn)。為探究其腐蝕特征，本工作通過(guò)分析SA210鋼浸泡腐蝕后的組織形貌及SA210鋼原始焊接接頭各部位和基體的顯微組織與腐蝕電化學(xué)曲線測(cè)試［9-11］，研究各個(gè)區(qū)域的腐蝕程度和腐蝕傾向，探究腐蝕形成機(jī)理，以期對(duì)預(yù)防焊接接頭腐蝕提供參考，目的是提高鍋爐使用安全性和提高蒸發(fā)器鋼管壽命。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為SA210鋼，經(jīng)測(cè)定其主要的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。可以看出，試驗(yàn)所用材料成分符合ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA210的成分要求。

表1 試驗(yàn)用SA210鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of SA210 steel %

取帶有腐蝕坑SA210焊接鋼管，以線切割方式取蝕坑周圍試樣進(jìn)行金相分析以確定材料優(yōu)先腐蝕區(qū)的組織特征。

如圖1所示，另取厚度為9 mm的SA210鋼板原材料，對(duì)其進(jìn)行堆焊，厚度為6 mm，以線切割方式取焊接接頭不同部位（遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)、靠近熔合線焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)）和基體上的試樣用于金相分析和電化學(xué)試驗(yàn)。電化學(xué)測(cè)試所用的儀器為CS系列電化學(xué)測(cè)試儀。試驗(yàn)采用三電極動(dòng)電位掃描，其中輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，截取的電化學(xué)試樣為研究電極，使用的電解質(zhì)溶液為0.2 mol/L的NaCl去離子水溶液，設(shè)定掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為-0.5～1.2 V，掃描時(shí)間約為3 400 s。

圖1 電化學(xué)試樣截取示意圖Fig.1 The method of taking electrochemical samples

2 結(jié)果與討論

2.1 某燃?xì)鉄犭姀S余熱鍋爐SA210高壓蒸發(fā)器管

腐蝕形貌

由圖2，在SA210鋼焊縫附近存在大小不等的腐蝕坑和腐蝕穿孔，表面為小蝕孔，下面呈封閉空洞的特征說(shuō)明，腐蝕首先在熔合線形成點(diǎn)蝕小坑，并使某些去極化元素在其中富集，導(dǎo)致蝕孔內(nèi)一直處于活化狀態(tài)，腐蝕不斷向縱深發(fā)展，形成較大蝕孔。腐蝕沿焊縫熔合線向焊縫區(qū)擴(kuò)展，同時(shí)也向基體周向深入擴(kuò)展，且向基體擴(kuò)散較快。這說(shuō)明SA210焊縫熔合線是優(yōu)先腐蝕區(qū)，且基體比焊縫區(qū)更容易被腐蝕。

2.2 SA210鋼腐蝕坑周圍顯微組織分析

SA210鋼管腐蝕坑周圍金相顯微組織如圖3。金相組織為以針片狀先共析相與片狀珠光體混合存在的魏氏體缺陷組織。魏氏組織晶粒粗大，且由于存在大量鐵素體針片形成的脆弱面，使金屬的性能急劇下降，更易產(chǎn)生腐蝕坑。這說(shuō)明SA210鋼中晶粒粗大、有魏氏體缺陷組織存在的區(qū)域?qū)⒊蔀閮?yōu)先腐蝕區(qū)。

圖2 某廠SA210高壓蒸發(fā)器管焊縫蝕坑和蝕孔形貌特征Fig.2 The features of etch pits and holes morphology in the welding joint of SA210 steel used for high-pressure evaporator tubes

圖3 SA210鋼管腐蝕坑周圍金相組織Fig.3 The metallographic structures of corrosion pits in SA210 steel tubes

2.3 SA210鋼堆焊材料顯微組織

由SA210鋼原材料堆焊后基體和焊接接頭金相顯微組織（圖4）可知SA210鋼焊接接頭和基體的金相組織均為典型的亞共析鋼組織，由鐵素體和珠光體組成。其中，從（a）和（b）可看出焊縫區(qū)組織晶粒細(xì)小，組織較為均勻，對(duì)比可知靠近熔合線焊縫區(qū)晶粒較遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)晶粒明顯更為粗大；由（c）可看出熔合區(qū)組織粗大，其中鐵素體包括先共析鐵素體和針狀鐵素體，呈魏氏組織；（d）表明熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，大小一致，組織均勻，屬于正火區(qū)組織；由（e）可知基體組織均勻，晶粒較為細(xì)小。

圖4 SA210鋼的焊接接頭各部位和基體的金相組織Fig.4 The metallographic structures of welding joint and base of SA210 steel

綜合分析以上SA210鋼堆焊材料各部分金相顯微組織，除熔合區(qū)外，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及基體組織都較為均勻。將各區(qū)域晶粒大小對(duì)比可知，熔合區(qū)晶粒最大，其次是基體和熱影響區(qū)，焊縫區(qū)晶粒最為細(xì)小。

2.4 SA210鋼焊接接頭各部位的極化曲線

對(duì)堆焊后的SA210鋼進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程中，電解液中有氣泡產(chǎn)生，且溶液變渾濁。試樣取出后有棕黃色的腐蝕產(chǎn)物均勻覆蓋在表面，清理腐蝕產(chǎn)物后，表面出現(xiàn)少量腐蝕坑。各部位試樣電化學(xué)極化曲線如圖5。通過(guò)Corr Test軟件對(duì)已獲取的各區(qū)域動(dòng)電位掃描極化曲線進(jìn)行Tafel擬合，擬合數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2中的腐蝕電流密度J0和腐蝕速率v0制成圖6。

圖5 SA210鋼焊接接頭各區(qū)域和基體的動(dòng)電位極化曲線Fig.5 The polarization curves of welding joint and base of SA210 steel

表2 SA210鋼焊接接頭各區(qū)域和基體極化曲線的Tafel擬合數(shù)據(jù)Tab.2 Tafel fitting data of polarization curves of welding joint and base of SA210 steel

遠(yuǎn)離熔合線和靠近熔合線焊縫區(qū)試樣腐蝕電流密度最小，分別為9.722和15.426（10-8A·cm-2），基體腐蝕電流密度為64.957（10-8A·cm-2），熔合區(qū)和熱影響區(qū)腐蝕電流密度明顯較大，分別為923.94和133.99（10-8A·cm-2），約為基體腐蝕電流密度的14倍和2倍。熔合區(qū)試樣腐蝕速率最大，其次是熱影響區(qū)和基體試樣，焊縫區(qū)試樣的腐蝕速率最小，這與自腐蝕電流密度分析結(jié)果一致。綜合以上分析可得熔合區(qū)最易被腐蝕，焊縫區(qū)的抗腐蝕性能最好。

腐蝕電位方面，對(duì)比后可知遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)＜基體＜靠近熔合線焊縫區(qū)＜熔合區(qū)＜熱影響區(qū)。由電位越低材料越容易被腐蝕可知遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)最易被腐蝕，這與腐蝕電流分析結(jié)果不一致。事實(shí)上，即使材料自腐蝕電位低，但如果材質(zhì)均勻，雜質(zhì)含量少，不一定會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕，其抗腐蝕能力也會(huì)很好。所以用自腐蝕電流密度更容易說(shuō)明腐蝕性能好壞，自腐蝕電位是腐蝕熱力學(xué)的一個(gè)參數(shù)，表示腐蝕的傾向?？垢g性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)首先看腐蝕電流密度的大小，腐蝕電流密度越小，材料的耐蝕性能越好［7］，腐蝕電流密度是由材料的溶解所造成的，是腐蝕動(dòng)力學(xué)的一個(gè)參數(shù)，更能夠說(shuō)明抗腐蝕能力的大小。

圖6 SA210鋼焊接接頭各區(qū)域和基體的擬合腐蝕電流密度和腐蝕速率（其中橫坐標(biāo)1、2、3、4、5分別代表遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)、靠近熔合線焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、基體）Fig.6 The corrosion currents，corrosion potentials，and corrosion rates of welding joint and base of SA210 steel（1，2，3，4，5 in the horizontal ordinate represent weld zone far away from the fusion line，weld zone near the fusion line，fusion line，HAZ；base，respectively）

因此，根據(jù)電化學(xué)擬合數(shù)據(jù)分析可知，熔合區(qū)抗腐蝕性能最差，焊縫區(qū)抗腐蝕性能最好。這與余熱鍋爐SA210高壓蒸發(fā)器管材腐蝕形貌分析結(jié)果相一致。由圖3可知，晶粒粗大、有魏氏體缺陷組織存在區(qū)域易優(yōu)先腐蝕，結(jié)合圖4金相分析結(jié)果，熔合區(qū)的金屬在焊接時(shí)處于局部融化狀態(tài)，因此晶粒十分粗大且粗細(xì)不均，化學(xué)成分也極不均勻，組織和成分都處于極不平衡狀態(tài)，有多相組織，可以形成粗晶區(qū)-細(xì)晶區(qū)、粗大魏氏組織-珠光體/鐵素體等陰極-陽(yáng)極體系即多重原電池；另一方面，水中溶有離子，導(dǎo)電率較高，水中溶解有氧，且濃度有差異，鐵的電極電位低，自然產(chǎn)生氧腐蝕，進(jìn)一步會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕。因此其抗腐蝕能力最差。基體和焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，組織較為均勻，因此抗腐蝕性能較好。熱影響區(qū)（正火區(qū)）晶粒細(xì)小，組織均勻，但由于焊接應(yīng)力較大，比較容易被腐蝕。綜上所述，熔合區(qū)由于晶粒粗大、組織不均勻和魏氏體缺陷組織的存在，在焊接接頭腐蝕電池中將成為選擇性腐蝕的先期腐蝕區(qū)。這與SA210鋼管腐蝕坑金相組織分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

（1）SA210鋼腐蝕坑周圍金相組織為粗大的魏氏體組織。SA210鋼堆焊材料的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及基體組織均為較細(xì)小的鐵素體和珠光體，組織較為均勻。熔合區(qū)組織為粗大的鐵素體和珠光體，其中鐵素體包括先共析鐵素體和針狀鐵素體，呈魏氏組織。各部分晶粒大小比較結(jié)果為：熔合區(qū)＞基體＞熱影響區(qū)＞焊縫區(qū)。

（2）SA210鋼堆焊材料焊接接頭中遠(yuǎn)離熔合線焊縫區(qū)、靠近熔合線焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及基體試樣的自腐蝕電流密度分別為9.722，15.42，923.94，134.67，64.021（×10-8A·cm-2），說(shuō)明焊縫區(qū)抗腐蝕性能最好，其次是基體和熱影響區(qū)，熔合區(qū)試樣抗腐蝕性能最差，最易于被腐蝕。

（3）SA210鋼中晶粒粗大，組織不均勻，有魏氏體缺陷組織存在的熔合區(qū)更易產(chǎn)生腐蝕，即會(huì)成為優(yōu)先腐蝕區(qū)。

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Analysis of the Corrosion Behavior of Welding Joint of SA210 Steel Used for High-pressure Evaporator Tubes in Heat Recover Steam Generator

HU Ning-yin，WANG Zhi-wu
（School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

To analyse the corrosion behavior of welding joint of SA210 steel used for high-pressure evaporator tubes in heat recover steam generator（HRSG），the corrosion resistance of welding joint and base of SA210 steel was analyzed by metallographic analysis and electrochemical study.The microstructure of welding joint and base of SA210 steel was observed and the polarization curves of its welding seams，fusion line，welding HAZand base in 0.2 mol/L NaCl solution were measured.It turned out that the corrosion current of the fusion line in SA210 steel was much higher than that of other parts.The results indicate that preferential corrosion will develop along the fusion line of SA210 steel owing to the coarse grain，uneven microstructure and chemical composition and the widmannstatten structure.

heat recover steam generator（HRSG）；SA210 steel；welding joint；corrosion；polarization curve；microstructure

TG172

A

1005-748X（2015）09-0860-04

10.11973/fsyfh-201509014

2014-09-28

王志武（1963-），教授，博士，從事金屬腐蝕與高溫氧化研究，13807153446，wzw1618＠163.com