電站鍋爐15CrMo鋼管的腐蝕行為研究

周 闖，蒲建業(yè)

（中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽 110179）

當今世界各國所用的內(nèi)耐熱性鋼材料以15CrMo鋼為主。15CrMo鋼與20g鋼相比，其鋼結(jié)構(gòu)更具有一定力學特征，具有很好的可焊接性，在350℃～400℃之間，其材料會產(chǎn)生較高的持久性與蠕變能力，因此，這種材料的腐蝕速度相對緩慢，因此，所使用的壽命也會延長，同時，也有很好的發(fā)展前景[1]，鍋爐管道廣泛采用15CrMo材質(zhì)的管子做受熱面，在一定條件下存在酸腐蝕的情況，經(jīng)過不同熱處理方式后酸腐蝕速率發(fā)生明顯變化。

1 基本性能及化學成分

15CrMo鋼材料，屬于珠光耐熱性，并在鋼材當中加入金屬元素鉻及鉬，形成一種合金元素，這種合金元素可以在金屬表面形成一種致密的氧化膜，從而使15CrMo鋼材料提高抗氧化性，從而阻止了石墨的化學反應。

15CrMo鋼的化學成分見表1，15CrMo鋼的力學性能見表2。

2 焊接性

15CrMo鋼材料的焊接性能與地合金鋼材結(jié)構(gòu)相類似。因在鋼材料當中加入很多鉻、鉬合金元素，致使碳當量大大增長，鋼材料的淬硬傾向方向大漲，從而提高焊接焊接處的區(qū)域硬度，很容易產(chǎn)生冷鋼材焊接裂痕。由于鋼材的母材與焊接當中，金屬碳及合金元素的含量產(chǎn)生一定的差異性，當滯后相變的母材焊接熱處理區(qū)域發(fā)生奧氏體并轉(zhuǎn)向馬氏體時，將氫以過飽和狀態(tài)出現(xiàn)在于馬氏體當中，會導致氫致的產(chǎn)生。當合金金屬元素與焊接金屬的含碳量相互比較時，就有可能使母材料的熱焊接處理先于焊接，并發(fā)生較大的改變，氫就會從熱影響區(qū)域向著焊接區(qū)域進行擴散，使在焊接縫當中的氫處于飽和狀態(tài)。在焊縫進入冷卻之后，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，焊接的裂縫處就會通過熱影響區(qū)域向焊接裂縫進行擴散，使金屬焊接裂縫當中的氫處于飽和狀態(tài)。當焊縫冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織時，會產(chǎn)生焊縫冷裂紋。因此在焊接時應進行焊前預熱，焊后熱處理[2]。

3 腐蝕試驗研究

3.1 熱處理工藝

對15CrMo鋼的組織形態(tài)經(jīng)過變形處理后，組織結(jié)構(gòu)的腐蝕性能發(fā)生改變，并同時受到影響。

首先，對15CrMo鋼的管材進行手工切割，并將其據(jù)成較小的試驗樣品，對鋼材料的樣品重新進行熱處理，所處理的方式以電阻爐工藝為主，電阻爐的型號為SX-4-10。所進行的熱處理工藝如下曲線圖所示，如圖1。將試驗樣品加熱到950℃，并將其保溫至1.5h，在進行淬火工藝及空冷和隨爐冷卻。

圖1 熱處理工藝曲線

3.2 金相檢驗

不同熱處理條件下的15CrMo鋼的金相照片如圖2。

15CrMo鋼管的原始組織結(jié)構(gòu)為鐵素體+珠光體。如下圖顯微鏡下照片可以看出，在金屬材料淬火工藝下，鋼材料結(jié)構(gòu)以馬氏體結(jié)構(gòu)為主，在空冷的條件下，鋼結(jié)構(gòu)組織呈現(xiàn)出塊狀的分布情況，并且鋼表面會出現(xiàn)少量的的針狀鐵素體及顆粒狀貝氏體，同時，鋼材料在冷爐條件下，其組織會出現(xiàn)珠光體及鐵素體。

表1 15CrMo鋼的化學成分

表2 15CrMo鋼的力學性能

圖2 15CrMo鋼不同熱處理條件下的組織

3.3 顯微硬度測試

本次的鋼材料樣品測試以維氏顯微進行硬度測試。其鋼材料的壓頭狀態(tài)呈現(xiàn)出一種椎體形狀，并且，將這種椎體形狀進行測量，其夾角均為136°。該維氏的的硬度公式計算為：

式中，F(xiàn)為施加在壓頭上的載荷；d為壓痕的對角線長度[2]。

在鋼材料樣品到年中，按照金相試驗進行一系列的工藝，例如拋光、打磨、腐蝕，在進行試驗管徑方向由外到內(nèi)的硬度進行測試，其試驗結(jié)果如下圖3所示。

圖3 顯微硬度分布圖

3.4 腐蝕試驗

根據(jù)金屬在單位面積上和單位時間內(nèi)失去的重量，作為評定金屬腐蝕速度的一個指標，即稱為失重法。在對金屬測量的腐蝕程度進行一種檢測時，一般施工的方法為失重法測量，因其這種方法主要將測試的金屬樣品經(jīng)過表面處理共組，例如磨平、除污等，精準的對金屬表面進行測量，并在一定的溫度內(nèi)，保持相同壓力進行攪拌，同時，將試驗樣品放在此媒介內(nèi)，放置一定時間（t）將介質(zhì)內(nèi)的試驗樣品驅(qū)逐，冰潔進行沖洗處理，經(jīng)過處理后，要去表面所附著的污物，并對其重新進行稱重、除去附著腐蝕產(chǎn)物后重新稱重。據(jù)腐蝕前后的重量差算出腐蝕速率（υ）：

失重法測定的是平均腐蝕速率。其優(yōu)點是簡便易行，缺點是腐蝕速率低的場合下，測量所需時間過長[3]。試驗結(jié)果如圖4，圖5。

圖4 硫酸濃度對腐蝕速率的影響圖（70℃，3h）

圖5 溫度對腐蝕速率的影響（40%，3h）

3.5 試驗結(jié)果分析

（1）從上圖可以看出，15CrMo鋼在硫酸濃度較低時，各組織的腐蝕速率較高。硫酸濃度越高，腐蝕速率越低。這主要是因為硫酸在低濃度下主要呈酸性，導致氫的去極化，加劇腐蝕。在高濃度下，主要是氧化作用，使金屬表面鈍化，降低腐蝕速率。當硫酸濃度為30%左右時，腐蝕速率最高。

（2）由圖9可以看出，隨著溫度的升高，各種組織的腐蝕速率也都隨著增大。

（3）15CrMo鋼在硫酸中的各種結(jié)構(gòu)的腐蝕速率為：珠光體+鐵素體＞+貝氏體＞馬氏體。其中，馬氏體抗硫酸腐蝕能力最強。

4 結(jié)論

由于鍋爐燃燒產(chǎn)生的的廢氣中含有大量的腐蝕性氣體，使得鍋爐在使用過程中出現(xiàn)腐蝕失效。對15CrMo鋼管在硫酸中的腐蝕行為進行了試驗，試驗表明，淬火狀態(tài)下（馬氏體組織）的15CrMo鋼管最耐硫酸腐蝕。而且不同組織的15CrMo均在低濃度的硫酸中腐蝕較快，在高濃度的硫酸中腐蝕較慢，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。不同組織在硫酸中的腐蝕速率順序為：鐵素體+珠光體組織＞鐵素體+貝氏體組織＞馬氏體組織。