由于我國多煤貧油的能源現(xiàn)狀,火力發(fā)電在未來很長一段時間內(nèi)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。在資源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下,不斷提高電站鍋爐工作參數(shù)使其熱效率提高是發(fā)展清潔、高效燃煤發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵[2-3],高性能新型耐熱材料的研發(fā)是發(fā)展高參數(shù)機組亟需解決的關(guān)鍵問題。目前,火電鍋爐廣泛使用的低合金鋼和不銹鋼的耐蝕性難以滿足服役要求,奧氏體耐熱鋼由于其優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、耐蝕性和較低的成本而廣泛應(yīng)用于鍋爐過熱器和再熱器等部位[4]。相較于傳統(tǒng)不銹鋼,奧氏體耐熱鋼普遍具有較高的鉻、鎳含量,因此具有較好的耐蝕性[5]。然而,在煤燃燒中,鍋爐外壁不可避免地出現(xiàn)大量堿金屬含硫鹽沉積,致使外壁產(chǎn)生嚴(yán)重的熱腐蝕,影響鍋爐的穩(wěn)定運行[6]。因此,國內(nèi)外學(xué)者[7-10]對鍋爐管材外側(cè)抗熔鹽腐蝕[11]、抗煙氣腐蝕等方面進行了大量的研究。
李萍等[12]研究了表面噴涂混合硫酸鹽的Super304H鋼在不同溫度下的腐蝕,結(jié)果表明溫度加速了堿性熔融和揮發(fā)性腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生,從而加速腐蝕。韓瑞珠等[13]研究了254SMo等高鉬奧氏體鋼在混合硫酸鹽和氯鹽中的熱腐蝕,發(fā)現(xiàn)鉬可以在高溫下形成致密的MoO3,從而在一定程度上提高鋼的耐蝕性。官宇等[14]研究了Sanicro25鋼在高硫煤灰和模擬煙氣中的腐蝕。結(jié)果表明,溫度的升高導(dǎo)致熔融態(tài)堿金屬鹽產(chǎn)生,破壞了保護性氧化層,最終導(dǎo)致材料的嚴(yán)重腐蝕。致密氧化層的產(chǎn)生可以有效提升材料耐蝕性,KIM等[15]在304鋼中添加銅后,銅富集在外表面形成了含銅磁鐵礦-尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物固溶體。綜上所述,部分奧氏體鋼耐蝕性較差,而關(guān)于新開發(fā)的高鉻奧氏體鋼和添加銅等元素的耐蝕奧氏體鋼研究較少,且缺乏對奧氏體鋼在不同溫度混合硫酸鹽中腐蝕機理的系統(tǒng)研究。
作者選取TP347HFG、316L和C-HRA-5三種不同元素含量的奧氏體耐熱鋼,通過噴涂法在奧氏體耐熱鋼表面沉積混合硫酸鹽來模擬高溫鍋爐管外壁的煤灰/煙氣環(huán)境,通過腐蝕動力學(xué)曲線、腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物研究不同奧氏體耐熱鋼在混合硫酸鹽中的熱腐蝕行為以及其熱腐蝕機理,為超超臨界火電機組部件的材料選擇及應(yīng)用開發(fā)提供理論依據(jù)。
1. 試驗
1.1 材料與試樣
試驗材料為國內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)的?64 mm×15 mm、?60 mm×15 mm、?62 mm×15 mm的供貨態(tài)TP347HFG、316L和C-HRA-5奧氏體耐熱鋼,其化學(xué)成分如表1所示。將試驗材料線切割成尺寸為15 mm×15 mm×5 mm的塊狀試樣。試樣表面經(jīng)SiC砂紙（至2000號）逐級打磨,最后用去離子水和無水乙醇溶液超聲清洗并干燥。利用游標(biāo)卡尺測量試樣的長、寬、高,確定表面積；用精度為0.1 mg的電子天平稱量試樣的質(zhì)量。
| 試驗鋼 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cr | Ni | C | Si | Mn | P | S | Mo | Cu | Co | Nb | N | W | Al | Fe | |
| 316L | 17.7 | 13.15 | 0.016 | 0.53 | 1.45 | 0.033 | 0.001 | 2.56 | 0.09 | 0.24 | - | 0.024 | - | - | 余量 |
| TP347HFG | 18.2 | 10.73 | 0.078 | 0.48 | 0.7 | 0.017 | 0.001 | 0.07 | 0.05 | 0.12 | 0.78 | 0.025 | - | - | 余量 |
| C-HRA-5 | 22.2 | 24.79 | 0.07 | 0.20 | 0.38 | 0.019 | 0.001 | 0.09 | 3 | 1.56 | 0.46 | 0.004 | 3.4 | 0.02 | 余量 |
1.2 熔鹽配比與涂覆
參照文獻[16]配制質(zhì)量比m（Na2SO4）∶m（K2SO4）=8∶5的硫酸鹽飽和溶液作為腐蝕介質(zhì),模擬高溫鍋爐外壁煤灰沉積物的組成成分。
將清洗干燥后的試樣放入管式爐中預(yù)熱,再將配制好的硫酸鹽飽和溶液均勻噴涂在預(yù)熱后的試樣表面,利用余熱使硫酸鹽沉積,多次噴涂直至沉積鹽層的質(zhì)量大于5 mg/cm2。將試樣放入在試驗溫度下提前干燥好的坩堝中,在電子天平上進行稱量,質(zhì)量記為m1。
1.3 熱腐蝕試驗
超超臨界鍋爐過熱器/再熱器的管內(nèi)壁溫度為650~670 ℃,管外壁溫度可達(dá)到700 ℃以上,而部分位置被煤灰覆蓋,溫度會更高。為廣泛研究不同位置混合硫酸鹽熱腐蝕情況,根據(jù)鍋爐管道正火側(cè)、背火側(cè)和彎管等位置的實際溫度,選取650、750、850 ℃作為熱腐蝕試驗溫度。
將試樣和坩堝一起放入管式爐中進行熱腐蝕試樣,每隔10 h取出試樣冷卻至室溫,循環(huán)10次后稱量,質(zhì)量記為m2。為了減小試驗誤差,每種材料均設(shè)置3個平行試樣,結(jié)果取其平均值。采用失重法計算試樣腐蝕后的質(zhì)量增量,如式（1）所示。
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(1) |
式中：Δw為單位面積試樣腐蝕后的質(zhì)量增量,mg/cm2；m 首頁 上一頁 下一頁 尾頁 第21頁, 共261頁
