凝汽器材料的耐磨蚀性能及电化学性能

梁 磊，赵 阳，刘世宏，吕楠楠，张建良

（1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海200090；2.上海热交换系统节能工程技术研究中心，上海200090；3.上海市电力材料防护与新材料重点实验室，上海200090）

凝汽器管材选择对整个电厂的安全运行有着重要意义，对投资和运行维修费用的影响也不容忽视。电厂循环冷却水具有一定的流速，尤其沿海地区冷却水中含有泥砂、贝壳等固体颗粒，易对凝汽器冷却管造成冲刷磨蚀腐蚀［1-2］。冷却水通流截面的突变及紊流、涡流等不稳定性使金属钝化膜发生剥离、脱落，冷却管进口端往往是冲刷磨蚀最严重的区域［3］。我国沿海电站使用钛管的凝汽器基本无腐蚀问题，但其他原因引起的泄漏情况并不少见［4-5］。钛表面易钝化而增强防腐蚀作用，但是在中等载荷和转速条件下很容易被冲刷摩擦导致钝化膜的破坏，加剧腐蚀，较常见的是由含砂海水冲刷引起的管端磨损泄漏［6-8］。美国沿海电站凝汽器基本从奥氏体不锈钢发展到用超级铁素体不锈钢取代钛管作为冷却管，且全球凝汽器用超级铁素体不锈钢Sea-Cure总长已达22 000km，大多数为海水，部分是污染海水［6］。当机械冲刷和腐蚀共同作用于沿海电站凝汽器材料时，机械和电化学因素及其交互作用会促进材料失效，导致磨蚀泄漏事故发生，因此材料的耐磨蚀性能是凝汽器选材必须考虑的一个问题［9］。

鉴于此，本工作模拟电厂凝汽器工况，采用改进磨蚀试验机比较了不锈钢板材304、316L、Sea-Cure、日本Ti板以及管材Sea-Cure、白铜管B10、B30和产自中国、美国、日本三地的钛管的耐冲刷磨蚀性能，并进行了材料的维氏（HV）硬度分析。通过自行研制的电化学磨蚀试验装置［10］实时在线测量磨蚀过程中材料的开路电位和极化电阻等参数的变化，进一步分析磨蚀过程中机械和电化学作用，为沿海电厂凝汽器选材提供依据。

1 试验

冲刷磨蚀试样形状分正方形板材和管材2种，正方形板材与管材的种类和尺寸见表1。其中钛材料为凝汽器常用的2号钛（Grade 2），超级铁素体不锈钢Sea-Cure材料为美国普利茅斯钢管公司提供。

表1 正方形板材与管材试样的种类和尺寸Tab.1 The type and size of the square plates and tube samples

试验装置为自行研制的磨蚀试验机［10］。试验介质为含石英砂的模拟海水，石英砂与模拟海水的质量比为2∶7，石英砂粒度分布见表2。模拟海水为上海自来水中加入NaCl，其中Cl-质量浓度为19 000mg／L。

表2 石英砂粒度分布Tab.2 The distribution of quartz sand particle size

试验前将试样边缘用砂纸逐级打磨去除毛刺，其余各面均保持供货态，然后用丙酮去油脂，超声波清洗，干燥至恒重并用精度0.1mg的分析天平称量。将板材试样嵌入载样台中，管材试样嵌入管套中，其中板材试样工作面为单面，且与试验介质流动方向呈30°，磨蚀面积见表1。调节搅拌浆转速为629r／min，温度31～33℃，连续运转120h后将试样清洗干净，干燥至恒重再称量。重复试验3次，每次重复试验均更新全新相同的试验介质与材料，通过材料平均失重量来计算平均厚度减薄量，以此表征凝汽器材料的耐冲刷磨蚀性能。

在同样温度、转速和试验介质条件下以白铜管B30、中国钛管和316L不锈钢管为对象，采用三电极体系的磨蚀电化学试验装置，其中参比电极为固体锌电极，工作电极为管材试样，辅助电极为容器本身。测试前后用饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，电位数值均相对于饱和甘汞电极，实时在线测量试样的开路电位与极化电阻。试验测量时，在腐蚀介质中浸泡一段时间，参数稳定后开始冲刷磨蚀，一段时间后停止冲刷磨蚀，同时记录浸泡段、冲刷磨蚀段和停止冲刷磨蚀后三段不同时刻的开路电位与极化电阻值。通过不同试样开路电位和极化电阻等参数的变化分析试样在磨蚀过程中机械磨损与腐蚀及其交互作用。

2 结果与讨论

2.1 各材料磨蚀性能比较

各材料平均失重量以及由式（1）计算得试样的平均厚度减薄量见表3。以Sea-Cure的减薄量为基准可得各板材和管材试样相对Sea-Cure的减薄量R值（各材料平均减薄量与Sea-Cure平均减薄量之比）分别见图1、图2。

式中：d为厚度减薄量，μm；Δw为试样失重量，mg；ρ为材料密度，g／cm3；S为冲刷磨蚀面积，cm2。

由试验结果可知板材试样的耐冲刷磨蚀性能依次为Sea-Cure＞日本Ti＞304＞316L；管材试样的耐冲刷磨蚀性能依次为Sea-Cure＞中国Ti＞美国Ti＞日本Ti＞＞B30＞B10。国内外不同产地的钛管的耐冲刷磨蚀性能稍有差异，中国钛管最好，美国钛管次之，日本钛管较差。尽管板材试样的磨蚀失重量较小，但试样磨蚀减薄均匀由此计算的厚度减薄量误差并不大。管材试样失重量大但厚度减薄明显不均匀。管样迎水流端部减薄较多，长度明显减小，冲刷磨蚀最严重区域主要集中在管口外侧偏下位置，见图3，这与电站凝汽器实际冲刷磨蚀情况相符。根据标准［11］壁厚不大于1.00mm的钢管应做维氏（HV）硬度试验。硬度测试仪测得试样HV硬度值见表4，比较发现除304不锈钢外其他试样平均厚度减薄量与其硬度成反比。

表3 各试样平均失重量与厚度减薄量Tab.3 The average weight loss and thickness reduction of samples

图1 各板材试样的R值Fig.1 Rvalues of plate specimens

图2 各管材试样的R值Fig.2 Rvalues of tube samples

2.2 电化学测试

表4 各试样的维氏硬度Tab.4 Vickers hardness of samples HV

以白铜管B30、中国Ti管和316L不锈钢管为试验材料，在同样温度、转速和试验介质条件下分别在线测得三种材料的开路电位与极化电阻在磨蚀过程中随时间的变化规律，见图4和图5。

图4 开路电位E0随时间的变化曲线Fig.4 Open circuit potential（OCP）E0vs time curves

图5 极化电阻随时间变化曲线Fig.5 Polarization resistance Rpvs time curves

由开路电位和极化电阻曲线可知，试验开始前三种管材的钝化膜均保持完好，开路电位基本维持在-50～-10mV，差别并不大；而极化电阻差别很大，钛管最大，316L次之，铜管最小，这与金属表面钝化膜的性能相关，钛表面形成一层致密的钝化膜，其耐点蚀性能最好。当冲刷磨蚀刚刚启动时，开路电位和极化电阻均急剧下降，说明在含砂海水中金属表面钝化膜受到冲刷磨蚀时很快被磨损掉，其耐点蚀性能骤降。在冲刷磨蚀过程中，开路电位和极化电阻逐渐缓慢升高并最终趋于稳定，但数值均处于低位，这时钝化膜的磨损速度和生成速度基本平衡，且钝化膜极薄。凝汽器管材在含氯离子溶液中磨蚀时钝化膜的修复过程与擦伤载荷有关，擦伤载荷越高，钝化膜的修复越困难，氯离子使管材的钝化膜在磨蚀条件下更易被破坏且更难以修复［3，12］。腐蚀介质流速较大时管材表面钝化膜生成速度小于消耗速度，其耐磨蚀性能主要由基底金属的硬度控制，两者成正比。当停止冲刷磨蚀后三种管材的开路电位和极化电阻均急剧增加且很快趋于稳定，其中钛管的极化电阻上升最快，316L次之，铜管最慢，说明钛管的钝化性能最好，316L次之，铜管较差。因此凝汽器管材的磨蚀是机械冲刷和腐蚀共同作用的结果，其耐磨蚀性能主要由金属基底硬度及钝化膜修复能力共同决定，硬度对应于机械冲刷作用，钝化膜则对应于腐蚀作用。当受到冲刷，钝化膜磨损速度小于等于生成速度时，腐蚀作用微弱，当钝化膜磨损速度大于生成速度时，管材受到海水中氯离子等的侵蚀，腐蚀加剧，从而可能导致材料失效，磨蚀泄漏事故发生。

3 结论

（1）各板材的耐冲刷磨蚀性能依次为Sea-Cure＞日本Ti＞304＞316L，管材为Sea-Cure＞中国Ti＞美国Ti＞日本Ti＞＞B30＞B10；不同国家生产的钛管的耐冲刷磨蚀性能稍有差异，但超级铁素体不锈钢Sea-Cure管的耐冲刷磨蚀性能均明显高于钛管。

（2）沿海电站凝汽器管材的磨蚀是机械冲刷和电化学腐蚀共同作用的结果，其耐磨蚀性能主要由金属基底硬度及钝化膜修复能力共同决定，硬度对应于机械冲刷作用，钝化膜则对应于腐蚀作用。

（3）在含砂量较高的沿海地区，建议电站凝汽器可优先选用超级铁素体不锈钢Sea-Cure管代替常用钛管作为冷却管。

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