鍋爐奧氏體不銹鋼在模擬煤灰和高硫煙氣環(huán)境中腐蝕行為的研究

李 琰， 魯金濤， 楊 珍， 朱 明， 谷月峰

(1． 西安熱工研究院有限公司 國家能源清潔高效火力發(fā)電技術(shù)研發(fā)中心， 西安710032；2. 西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710054)

鍋爐奧氏體不銹鋼在模擬煤灰和高硫煙氣環(huán)境中腐蝕行為的研究

李 琰1,2， 魯金濤1， 楊 珍1， 朱 明2， 谷月峰1

(1． 西安熱工研究院有限公司 國家能源清潔高效火力發(fā)電技術(shù)研發(fā)中心， 西安710032；2. 西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710054)

在模擬煤灰和高硫煙氣環(huán)境中研究了3種鍋爐用奧氏體不銹鋼TP347HFG、Super304H和HR3C在 650 ℃的高溫腐蝕行為及腐蝕機(jī)理.通過不連續(xù)稱重法測(cè)量試樣質(zhì)量的變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X-射線衍射(XRD)等分析方法研究腐蝕產(chǎn)物的形貌、元素分布和腐蝕產(chǎn)物物相.結(jié)果表明：經(jīng)500 h高溫腐蝕后，3種合金均出現(xiàn)腐蝕損失，但HR3C腐蝕程度較TP347HFG和Super304H輕;TP347HFG和Super304H合金腐蝕產(chǎn)物分層生長且剝落嚴(yán)重，外層氧化膜為Fe2O3，內(nèi)層為Cr2O3層及大量內(nèi)硫化物；HR3C表面形成了保護(hù)性的 (Cr, Fe)2O3氧化膜，未見明顯的剝落現(xiàn)象.

鍋爐； 奧氏體不銹鋼； 高溫腐蝕； 剝落

受煤炭資源地域分布特征及運(yùn)輸限制等因素影響，煤炭就地使用轉(zhuǎn)化將被大力推廣.高硫煤資源儲(chǔ)量大且分布廣，燃燒高硫煤發(fā)電技術(shù)將越來越受到重視.研究發(fā)現(xiàn)，燃燒高硫煤產(chǎn)生的含硫腐蝕性氣體和堿金屬鹽等的含量遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)煤，這將給鍋爐受熱面合金帶來更加嚴(yán)峻的腐蝕問題[1-3].

圍繞鍋爐受熱面合金煙氣側(cè)高溫腐蝕問題，國內(nèi)外研究者開展了大量研究工作.趙雙群等[1]分析了煙氣溫度、煙氣成分以及煤灰組成等諸多因素對(duì)合金腐蝕過程的影響，指出煤灰和煙氣的組成及其含量是最主要的影響因素.同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)合金腐蝕速率受服役溫度影響明顯[4].Hussain等[5]的研究指出，在600～750 ℃內(nèi)TP347HFG和HR3C等合金的腐蝕速率與腐蝕溫度呈鐘形規(guī)律分布，腐蝕速率峰值出現(xiàn)在700 ℃左右.一些模擬煤灰和煙氣腐蝕環(huán)境中合金腐蝕行為的研究表明，氣氛中硫含量同樣會(huì)影響合金的腐蝕進(jìn)程[6].Syed等[7]對(duì)比了TP347HFG和HR3C等合金在不同SO2氣氛下的腐蝕行為，指出隨硫分壓升高，合金腐蝕損失增大.Stein-Brzozowska等[8]的研究也證實(shí)了高硫含量可加快合金腐蝕速率，并指出Cr元素對(duì)提高合金耐蝕性能十分有益[9].Natesan等[10]系統(tǒng)地研究了大量鍋爐受熱面用馬氏體、奧氏體耐熱鋼在650 ℃煙氣側(cè)的腐蝕行為，結(jié)果表明：高Cr含量的合金具有更好的抗煙氣腐蝕能力.較高的Cr含量可使合金快速形成Cr2O3膜，阻礙氧化和硫化腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行[11].因此有學(xué)者指出，耐蝕性能優(yōu)異的合金，其Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于22%[12]，甚至認(rèn)為Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的合金才能滿足燃煤鍋爐長期抗煤灰和煙氣腐蝕的要求[13].

針對(duì)鍋爐受熱面合金煙氣側(cè)高溫腐蝕過程，現(xiàn)有的研究普遍認(rèn)為是低熔點(diǎn)復(fù)合硫酸鹽、內(nèi)硫化物和內(nèi)氧化物等交互作用所致[14].但是，目前的研究和評(píng)價(jià)主要是基于低硫含量的腐蝕介質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒氣氛)展開的，而針對(duì)高硫分壓下合金的腐蝕研究較少.隨著高硫煤的開發(fā)利用，在低硫煤燃燒理論基礎(chǔ)上開展高硫煤燃燒氣氛中合金腐蝕行為的研究尤為重要.

筆者以目前鍋爐受熱面用3種典型奧氏體不銹鋼TP347HFG、Super304H和HR3C為研究對(duì)象，研究其在650 ℃模擬煤灰和高硫煙氣環(huán)境中的高溫腐蝕行為，對(duì)比并分析了3種合金的耐高溫腐蝕性能及腐蝕機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為供貨態(tài)TP347HFG、Super304H和HR3C 3種奧氏體不銹鋼管，其合金成分范圍見表1.圖1為3種奧氏體不銹鋼的金相組織形貌(均為奧氏體組織)，其中TP347HFG晶粒度為9～10級(jí)，Super304H晶粒度為7～8級(jí)，HR3C合金晶粒度在7級(jí)以下.實(shí)驗(yàn)前將試樣加工成15 mm×10 mm×2 mm片狀試樣，表面用1200號(hào)砂紙打磨，并用丙酮清洗，吹干備用.

表1 合金化學(xué)成分

(a) TP347HFG

(b) Super304H

(c) HR3C

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，將試樣懸掛放置于管式爐中.各種氣體在氣體混合器中充分混合，之后通入高溫管式爐中被加熱后腐蝕試樣，實(shí)驗(yàn)尾氣通入飽和氫氧化鈉溶液中被吸收.腐蝕實(shí)驗(yàn)在模擬煤灰和高硫煙氣環(huán)境中進(jìn)行，煤灰和煙氣成分見表2，實(shí)驗(yàn)溫度為650 ℃，氣體流速控制在100 mL/min.實(shí)驗(yàn)前，將煤灰充分研磨，加入適量丙酮配成懸浮液后均勻涂覆在試樣表面并烘干，涂覆量約為40～50 mg/cm2.實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一段時(shí)間取出試樣清洗干凈，稱重、觀察后重新涂覆煤灰繼續(xù)實(shí)驗(yàn).取樣節(jié)點(diǎn)為20 h、50 h、100 h、200 h、300 h、400 h和500 h.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

采用精度為0.01 mg電子天平測(cè)量試樣質(zhì)量變化，并用帶能譜的Hitachi-S4800掃描電鏡觀察腐蝕層表面、截面形貌及元素分布.利用Shimazdu-7000SX-XRD分析腐蝕產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu).為便于觀察腐蝕層表截面形貌，部分腐蝕試樣采用了噴金及化學(xué)鍍鎳處理.

表2 模擬煤灰和煙氣成分

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕增重曲線

圖3為3種合金的腐蝕增重曲線.由圖3可知，TP347HFG和Super304H合金在前20 h內(nèi)增重曲線急劇上升，20～50 h增重曲線趨于平穩(wěn)，50 h后增重曲線連續(xù)大幅下降，出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕損失.HR3C合金腐蝕增重曲線相對(duì)平緩，在腐蝕初期出現(xiàn)少量的腐蝕增重，100 h后出現(xiàn)輕微的腐蝕損失，之后進(jìn)入穩(wěn)定腐蝕階段.

圖3 3種合金的腐蝕增重曲線

2.2 腐蝕產(chǎn)物表面形貌

圖4為3種合金腐蝕后的表面形貌.由圖4可以看出，TP347HFG(圖4 (a)、圖4(b))和Super304H(圖4(c)、圖4(d))經(jīng)500 h腐蝕后表面氧化膜出現(xiàn)嚴(yán)重的破裂、剝落現(xiàn)象，Super304H尤為嚴(yán)重.由局部放大形貌可以發(fā)現(xiàn)，TP347HFG(圖4(b))合金氧化膜疏松，孔洞缺陷分布比較廣；Super304H(圖4(d))未剝落區(qū)域氧化膜具有同樣疏松結(jié)構(gòu)，但剝落區(qū)域氧化物顆粒明顯細(xì)小，相對(duì)致密.HR3C合金表面氧化層平整、致密，無明顯剝落現(xiàn)象，部分區(qū)域生長“瘤狀”凸起產(chǎn)物(圖4(e)).局部放大形貌顯示，腐蝕層表面氧化物顆粒細(xì)小，無明顯孔洞、裂紋等缺陷(圖4(f)).

(a)TP347HFG(b)TP347HFG局部放大形貌

(c)Super304H(d)Super304H局部放大形貌

圖4 3種合金的氧化膜表面形貌

2.3 腐蝕產(chǎn)物物相分析

圖5為3種合金腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜.在650 ℃高溫腐蝕500 h后發(fā)現(xiàn)，3種合金的腐蝕產(chǎn)物均以Fe和Cr的氧化物為主.TP347HFG和Super304H合金的腐蝕產(chǎn)物除Fe2O3外，還有Cr2O3，且以前者為主.HR3C合金腐蝕產(chǎn)物種類不變，以Fe2O3和Cr2O3為主.

圖5 3種合金的XRD圖譜

2.4 腐蝕產(chǎn)物截面形貌

圖6為3種合金腐蝕產(chǎn)物的截面形貌.圖7為腐蝕層成分掃描圖.由圖6可知，TP347HFG和Super304H合金腐蝕較厚(約為30 μm)且分層生長，腐蝕層前沿凹凸不平，這是由于合金表層氧化膜破裂、剝落所致(圖4(a)、圖4(b)).EDS結(jié)果表明，腐蝕層外層是疏松的富Fe層；內(nèi)層是相對(duì)致密的富Cr層，并在腐蝕層與基體界面處發(fā)現(xiàn)大量S、Ni富集現(xiàn)象.結(jié)合XRD結(jié)果可知，腐蝕層由外到內(nèi)依次是Fe2O3、Cr2O3及大量內(nèi)硫化物.HR3C腐蝕層明顯減薄(約為5 μm)，層內(nèi)孔洞缺陷較少.EDS和XRD結(jié)果表明，氧化膜表面“瘤狀”凸起為Fe的氧化物，腐蝕層外層是Fe2O3和Cr2O3混合氧化膜，內(nèi)層是Cr富集區(qū)，界面處發(fā)現(xiàn)少量S富集.

(a) TP347HFG

(b) Super304H

(c) HR3C

3 討 論

實(shí)驗(yàn)選取的3種合金均為奧氏體耐熱鋼，由于耐蝕元素含量及合金組織的差異，其抗煤灰和高硫煙氣腐蝕性能存在較大不同.

HR3C合金的腐蝕損失和腐蝕深度均顯著小于TP347HFG合金和Super304H合金，其抗煤灰和高硫煙氣腐蝕能力最強(qiáng)，這與合金中高Cr含量有關(guān)，高Cr含量顯著提高了合金的抗腐蝕性能[9-10].有別于細(xì)化晶粒可以加速保護(hù)性Cr2O3膜生長，合金本身的Cr含量仍是決定合金抗煤灰和煙氣腐蝕性能的關(guān)鍵因素.研究表明[15]，高Cr含量的合金在腐蝕初期優(yōu)先形成一層致密的保護(hù)性Cr2O3膜，并且氧化膜具有自愈能力，一旦破裂，會(huì)再次形成連續(xù)的Cr2O3膜，保護(hù)性氧化膜阻礙了氧化、硫化腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，大幅提高了HR3C合金的耐蝕性能.然而，TP347HFG合金和Super304H合金在腐蝕初期均未形成保護(hù)性Cr2O3膜，合金中Fe、Cr等元素同時(shí)發(fā)生氧化.Fe2O3的生長速率比Cr2O3快，隨腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，Cr2O3逐漸被包裹在內(nèi)層，形成了圖7(a)和圖7(b)所示的結(jié)構(gòu).由于Fe的氧化物具有高的陽離子空位濃度且膜層致密性較差、孔洞缺陷較多(圖6(a)、圖6(b))，腐蝕性介質(zhì)擴(kuò)散穿過氧化膜，不斷參與硫化和氧化，加速了內(nèi)層Cr2O3、CrSx和NiSx的形成，但其疏松多孔的結(jié)構(gòu)不具有保護(hù)性；同時(shí)，由于氧化膜和基體的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力隨膜層厚度增加而不斷增大，最終造成氧化膜破裂或剝落[16].除上述過程外，Super304H氧化層剝落較為嚴(yán)重(圖4(c))，這可能與Cr含量及晶粒尺寸有關(guān).由表1可知，Super304H合金中Cr含量略低于TP347HFG合金，同時(shí)根據(jù)圖1可知，Super304H合金晶粒尺寸明顯大于TP347HFG合金晶粒尺寸.根據(jù)Trindade等[17-18]的研究，晶粒尺寸越小，晶界體積分?jǐn)?shù)越大，這為合金元素提供了較多的快速擴(kuò)散通道，有利于選擇性氧化快速形成富Cr的內(nèi)氧化層，提高了合金抗煤灰和煙氣腐蝕性能.

圖7 合金腐蝕層成分掃描圖

傳統(tǒng)熱腐蝕類型分類是以腐蝕溫度和腐蝕介質(zhì)狀態(tài)劃分的，而鍋爐煙氣側(cè)的腐蝕類型更傾向于低溫?zé)岣g的范疇.基于現(xiàn)有的腐蝕研究，合金在鍋爐煤粉燃燒環(huán)境中的腐蝕行為主要由腐蝕性低熔點(diǎn)復(fù)合硫酸鹽及氧化與硫化交互加速作用導(dǎo)致[19-21].主要的腐蝕反應(yīng)為鍋爐煙氣與燃燒煤灰反應(yīng)形成低熔點(diǎn)腐蝕性介質(zhì)：

(1)

2K3Fe(SO4)3

(2)

2Na3Fe(SO4)3

(3)

形成的Na3Fe(SO4)3和K3Fe(SO4)3熔點(diǎn)較低，分別為624 ℃和618 ℃.在本實(shí)驗(yàn)溫度下，熔融態(tài)復(fù)合硫酸鹽溶解了合金表面的氧化膜.此時(shí)，氣氛中腐蝕性介質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)部并與Cr、Ni等元素發(fā)生如下反應(yīng)：

(4)

(5)

另外，本實(shí)驗(yàn)所用氣氛中1.5%SO2體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)役標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)，相比現(xiàn)有的部分合金在低硫含量氣氛中腐蝕行為的研究[8]，所得合金的腐蝕速率明顯加快，腐蝕層的剝落及內(nèi)硫化物的聚集也更加嚴(yán)重.這與硫的擴(kuò)散作用有關(guān)[22]，增加氣氛中的S含量，可顯著促進(jìn)反應(yīng)(2)和反應(yīng)(3)的進(jìn)行，加快了腐蝕性復(fù)合硫酸鹽的形成，同時(shí)較高的S分壓會(huì)加速S向基體擴(kuò)散，加速了內(nèi)硫化物的生長并最終導(dǎo)致氧化層的剝落.值得指出的是，提高S含量所引發(fā)合金的加速腐蝕作用與合金中的Cr含量有直接關(guān)系，相比HR3C合金，較低Cr含量的TP347HFG合金和Super304H合金的加速腐蝕作用更為明顯.有關(guān)高S氣氛對(duì)鍋爐受熱面用不同成分合金腐蝕行為的影響有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

(1) 3種合金在650 ℃模擬煤灰和高硫煙氣腐蝕介質(zhì)中均發(fā)生了明顯的高溫腐蝕.HR3C合金腐蝕損失最小，TP347HFG合金和Super304H合金腐蝕損失量比HR3C合金高1～2個(gè)數(shù)量級(jí).

(2) TP347HFG合金和Super304H合金腐蝕產(chǎn)物分層生長且剝落嚴(yán)重，外層是疏松多孔的Fe2O3氧化層，內(nèi)層是Cr的氧化物并發(fā)現(xiàn)大量內(nèi)硫化物；HR3C合金優(yōu)先形成一層保護(hù)性的(Cr，F(xiàn)e)2O3氧化膜，未見明顯剝落.

(3) 增加氣氛中的S含量，加快了腐蝕性復(fù)合硫酸鹽的形成，加速S向基體擴(kuò)散和內(nèi)硫化物的生長.

(4) Cr元素對(duì)提高合金的耐蝕性能十分有益.高Cr含量的HR3C合金的耐蝕性能明顯優(yōu)于TP347HFG合金和Super304H合金.

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Corrosive Behaviors of Austenitic Stainless Steels for Boiler in Simulated Coal Ash and High Sulfur Flue Gas

LIYan1,2,LUJintao1,YANGZhen1,ZHUMing2,GUYuefeng1

(1. National Energy R&D Center of Clean and High-Efficiency Fossil-fired Power Generation Technology,Xi′an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi′an 710032, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China)

High-temperature corrosive behaviors of three austenitic stainless steels Super304H, TP347HFG and HR3C used for boiler were studied by experimental tests at 650 ℃ in simulated coal ash and flue gas environment containing high sulfur content. Weight changes of the tested samples were measured by discontinuous weighing method, while morphologies, compositions and phases of the corrosion products were analyzed using SEM, EDS and XRD, respectively. Results indicate that corrosion damage was found in all the tested alloys, and the damage level of HR3C was in a light level compared to TP347HFG and Super304H. Two-layer oxides formed on the surface of TP347HFG and Super304H, with outer layer of Fe2O3and inner layer of Cr2O3plus a large amount of inner sulfide, where serious spalling was observed. A Cr-rich (Cr, Fe)2O3layer was found on the surface of HR3C due to its high Cr content, where no obvious spalling was observed.

boiler; austenitic stainless steel; high-temperature corrosion; spalling

2016-01-06

2016-02-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51301130, 51401163)；華能國際電力股份有限公司科技專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(ZA-14-HKR01)

李 琰(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事燃煤電站鍋爐材料高溫腐蝕方面的研究. 魯金濤(通信作者)，男，博士，電話(Tel.)：18192269998；E-mail: lujintao@tpri.com.cn.

1674-7607(2017)02-0156-07

TK2

A 學(xué)科分類號(hào)：