脱硫搅拌器叶片焊接试件耐腐蚀性能试验与研究

王环丽，杨庆旭，曾　勇

（1.国华徐州发电有限公司，江苏徐州221166；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

脱硫搅拌器叶片焊接试件耐腐蚀性能试验与研究

王环丽1，杨庆旭2，曾勇2

（1.国华徐州发电有限公司，江苏徐州221166；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

采用电化学腐蚀试验与浸泡腐蚀试验的方法，对超超临界机组脱硫搅拌器叶片焊接修复模拟试件母材和焊缝的耐腐蚀性能进行对比试验研究。结果表明，在试验介质条件下母材和焊缝均具有极强的耐腐蚀性，其在不同条件下耐腐蚀性能差别不大，焊缝耐蚀性能可以满足现场使用要求。

脱硫搅拌器叶片；焊接修复；模拟试件；耐腐蚀性

目前，超超临界机组脱硫脱硝技术以锅炉尾部加装脱硫脱硝装置并利用碱性溶液为吸收剂对锅炉烟气中的SO2和NOx进行吸收的湿法为主［1，2］，脱硫吸收塔是湿法脱硫装置的核心设备，脱硫吸收塔搅拌器是脱硫吸收塔的关键设备之一，多采用国外进口设备，一旦搅拌器设备磨损破坏，备品备件进货及更换周期长，进口单价高等因素制约着脱硫装置的可靠运行。为研究一种相对更经济、快速、有效的技术措施修复脱硫用搅拌器的磨损腐蚀部件以替代原有的更换备品备件措施，针对叶轮模拟试件焊缝与母材的耐腐蚀性进行了对比试验研究，为焊缝替代母材的可行性提供依据。

1　试验方法

脱硫搅拌器叶片选用的材料为欧洲标准EN10213《用于压力设备的钢铁铸件》中牌号为1.4517的超低碳超级双相不锈钢，因其材料为铸造用钢，无法取得叶片用材料的试件，采用化学成分和耐腐蚀性能类似的25Cr-7Ni-3.7Mo-0.27N型超级双相不锈钢2507替代焊接模拟试件，2者的化学成分和性能对比如表1和表2所示（PRE，点腐蚀抗力当量，表2所列为最大值）。采用δ=15 mm的2507板材开V型坡口，选用Er2594焊材，直流反接，焊接电流为90～120 A，焊接模拟试件。

表1　2种材料的化学成分对比

试验按照ASTM G3-89标准与ASTM G31-04标准，分别采用电化学腐蚀试验与浸泡腐蚀试验对焊缝与母材的耐腐蚀性能进行测试。

表2　2种材料的常温性能对比

试验条件的选择［3］参照搅拌器叶片服役的工作环境，以SO2，SO3，SO32-，SO42-，CL-（F-）的腐蚀为主要腐蚀介质，吸收塔浆液pH值为4～6.5，其中SO2，SO3溶于水主要形成SO32-，SO42-离子形成腐蚀，F-和CL-均为卤素离子，其腐蚀作用类似，因此在试验时对其进行归一化处理，采用H2SO4+NaCl溶液模拟现场腐蚀环境。

电化学测试利用Parstat 2273型电化学工作站完成，试样尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，试验中以制备好的试样为工作电极、饱和氯化钾/甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极的标准三电极系统如图1所示。以1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl 2种溶液为电解质溶液。制备电化学腐蚀试样时，用铜导线与基体连接，留出1 cm2的腐蚀电极表面，其他非测试面与导线裸露部分用环氧树脂密封。为了具有对比性与可重复性，试验前所有试样表面都按照ASTM G1-03标准经过不同目数砂纸打磨并抛光，使其平均表面粗糙度为0.02 μm，然后在丙酮中超声清洗，放入烘箱烘干并干燥保存。

图1　三电极测试体系示意图

采用扫描极化测试和电化学阻抗频谱测试进行电化学检测。腐蚀试验前将试样放入电解质溶液中浸泡100 min，以获得稳定的开路电位，并在此稳定开路电位下进行电化学测试，扫描极化测试的扫描速率为1 mV/s，电化学阻抗频谱测试的扫描频率为100 kHz～10 MHz，外加激励信号电压幅度为10 mV。

浸泡腐蚀测试以1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+ 3.5（wt）%NaCl，5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+10 （wt）%NaCl 4种溶液为电解质溶液。试验温度为室温条件，腐蚀溶液全浸试样后，腐蚀溶液的量按每1 cm2涂层的面积计算不低于20 mL。实验烧杯用保鲜膜密封，以防止溶液蒸发导致溶液浓度变化过快。试验时，定期将试样从烧杯取出，用不高于40℃的清洁蒸馏水轻轻清洗以除去试样表面残留的腐蚀溶液，放置于70℃的烘箱中烘2 h，用精度为0.1 mg的电子天平进行称重，计算重量变化，并记录试样表面形貌变化。

2　试验结果

2.1电化学腐蚀试验结果

焊缝与母材在1 mol/L H2SO4溶液中的电化学阻抗谱曲线如图2所示。

图2　焊缝与母材在1 mol/L H2SO4溶液中的电化学阻抗谱曲线图

从图2中可以看出，焊缝与母材的阻抗谱均呈现为半圆形的容抗弧，但是容抗弧的半径存在着差别，母材的容抗弧半径大于焊缝。这表明焊缝与母材的电化学腐蚀机理相似，但是它们的腐蚀速率不同。研究表明，容抗弧的半径与电荷转移电阻（即耐腐蚀性）有关，容抗弧的半径越大，就意味着腐蚀速率越低［4］。因此母材在1 mol/L H2SO4溶液中的腐蚀速率要低于焊缝。

2种材料的电化学阻抗谱通过ZSimpWin软件拟合计算用R（Q（R（QR）））型等效电路图来表示，C为常相位角元件，如图3所示。具体参数拟合如表3所示。其中Rs为溶液电阻；Ra为氧化层电阻；Rt为电化学反应电阻；Cd1为金属/溶液双层电容；Cf为工作电极表面的氧化层电容；Y为常相系数；n为弥散系数。母材的电化学反应电阻为11 550 Ω，大于焊缝的电化学反应电阻10 610 Ω，说明母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性优于焊缝的［5］，这与图2所得结果一致。

图3　EIS等效电路图

表3　电化学阻抗谱（EIS）拟合结果

图4、图5分别为焊缝与母材在1 mol/L H2SO4溶液中的电化学Tafel极化曲线。由Tafel外推法计算得到相应的腐蚀电位、腐蚀电流密度值如表4所示。

图4　焊缝在1 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲线

图5　母材在1 mol/L H2SO4溶液中的Tafel曲线

表4　焊缝与母材在1 mol/L H2SO4溶液中的腐蚀电位与电流密度

从图4、图5中看出，涂层的极化曲线形状相似，焊缝与母材层腐蚀电位分别是-96.8 mV与-53.6 mV，腐蚀电流密度分别是0.31 μA/cm2与0.27 μA/cm2，母材的腐蚀电位更高、腐蚀电流密度更小。按照“腐蚀电位越高、电流密度越小，耐腐蚀性越好”的原则［5］，母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能优于焊缝。

焊缝与母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的电化学阻抗谱曲线如图6所示。

图6　试样在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的电化学阻抗谱曲线图

从图6可以看出，焊缝的容抗弧半径大于母材。这表明焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的腐蚀速率要低于母材。

2种材料在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的等效电路图与在1 mol/L H2SO4溶液中相同，对应的电化学阻抗谱拟合数据如表5所示。

表5　电化学阻抗谱（EIS）拟合结果

由表5可知，焊缝的电化学反应电阻为14 300 Ω，大于母材的电化学反应电阻10 590 Ω，说明焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蚀性优于母材，这与图6所得结果一致。

焊缝与母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的电化学Tafel极化曲线如图7、图8所示。由Tafel外推法计算得到相应的腐蚀电位、腐蚀电流密度值如表6所示。

图7　焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的Tafel曲线

从图7、图8中可以看出，焊缝与母材层的腐蚀电位分别是-56.6 mV与-240.5 mV，腐蚀电流密度分别是0.38 μA/cm2与0.86 μA/cm2，焊缝的腐蚀电位更高、腐蚀电流密度更小，焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）% NaCl溶液中耐腐蚀性能优于母材。

图8　母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的Tafel曲线

表6　焊缝与母材在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中腐蚀电位与电流密度

2.2浸泡腐蚀试验结果

焊缝与母材分别在1 mol/L H2SO4、1 mol/L H2SO4+ 3.5（wt）%NaCl 2种溶液中的浸泡腐蚀失重曲线如图9、图10所示。

图9　试样在1 mol/L H2SO4溶液中的失重随时间的变化曲线

图10　试样在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液中失重随时间变化曲线

由图9、图10可以知道，焊缝与母材在2种溶液中浸泡了24 d后几乎没有重量损失，损失均小于0.6 mg，表明焊缝和母材在2种条件下均具有极强的耐腐蚀性能。

焊缝与母材分别在1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+

3.5（wt）%NaCl 2种溶液中浸泡24 d后的表面形貌如图11、图12所示。

图11　试样在1 mol/L H2SO4溶液中浸泡24 d后的表面形貌

图12　试样在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液浸泡24 d后的表面形貌

由图11、图12可知，焊缝与母材在2种溶液中浸泡24 d后均没有发生明显的变化，这也验证了2种材料在此种介质条件下均具有极强的耐腐蚀性能。

焊缝与母材分别在5 mol/LH2SO4，5 mol/LH2SO4+ 10（wt）%NaCl 2种溶液中的浸泡腐蚀失重曲线图13、图14所示。

图13　试样在5 mol/L H2SO4溶液中的失重随时间的变化曲线

图14　试样在5 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中失重随时间变化曲线

由图13、图14可知，焊缝与母材在2种溶液中浸泡30 d后几乎没有重量损失，损失均小于1 mg。说明2种材料在此种介质条件下均具有极强的耐腐蚀性能。

焊缝与母材分别在5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+ 10（wt）%NaCl 2种溶液中浸泡30 d后的表面形貌如图15、图16所示。

图15　试样在1 mol/L H2SO4溶液中浸泡30 d后的表面形貌

图16　试样在1 mol/L H2SO4+3.5（wt）%NaCl溶液浸泡30 d后的表面形貌

由图15、图16可知，焊缝与母材在2种溶液中浸泡30 d后均没有发生明显的变化，这也验证了2种材料在此种介质条件下均具有极强的耐腐蚀性能。

3　分析与讨论

3.1电化学腐蚀测试实验

在1 mol/L H2SO4溶液中母材的电化学反应电阻为11.55 kΩ，大于焊缝的电化学反应电阻10.61 kΩ，且母材和焊缝的电化学反应电阻都在10 kΩ以上且基本相同，说明母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性稍优于焊缝的耐腐蚀性，但都具有极强的耐腐蚀性且耐腐蚀性能差别不大；在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中，焊缝的电化学反应电阻为14.3 kΩ，大于母材的电化学反应电阻10.59 kΩ，且母材和焊缝的电化学反应电阻都在10 kΩ以上且基本相同，说明焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蚀性优于母材，但都是具有极强的耐腐蚀性，且耐腐蚀性能差别不大。

3.2腐蚀浸泡试验

在 1 mol/L H2SO4，1 mol/L H2SO4+3.5（wt）% NaCl，5 mol/L H2SO4，5 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl 4种介质条件下腐蚀速率均在0.008～0.012 mm/a，腐蚀速率极低，说明双相不锈钢的母材和焊缝在此种条件下具有极强的耐腐蚀性且耐腐蚀性能差别不大。同时通过表面形貌观察，焊缝与母材在四种条件下浸泡30 d后均没有发生明显的变化，这也验证了焊缝和母材均具有极强的耐腐蚀性能。

5　结束语

通过对焊缝与母材在H2SO4，H2SO4+NaCl 2种溶液中的电化学腐蚀测试与浸泡腐蚀测试，完成了对焊缝替代母材可行性的评估，并得到以下结论：

（1）母材在1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能优于焊缝；

（2）焊缝在1 mol/L H2SO4+10（wt）%NaCl溶液中的耐腐蚀性能优于母材；

（3）母材和焊缝均具有极强的耐腐蚀性，其在不同条件下耐腐蚀性能差别不大。

综合各种条件下，母材和焊缝的耐腐蚀性能基本相当，焊接修复后形成的焊缝耐腐蚀性能可以满足现场使用要求。

［1］彭祖辉.江苏省燃煤机组脱硝装置运行现状分析［J］.江苏电机工程，2013，32（6）：77-80.

［2］祝业青，傅高健，顾兴俊，等.脱硫废水处理装置运行现状及优化建议［J］.江苏电机工程，2014，33（1）：72-75.

［3］刘英炎，曾庭华.连州发电厂烟气脱硫系统吸收塔搅拌器损坏的原因分析［J］.广东电力，2003，16（3）：69-71.

［4］雍兴跃，刘景军，林玉珍，等.金属在流动氯化物体系中流动腐蚀的EIS研究［J］.金属学报，2005，41（8）：871-875.

［5］曹楚南.腐蚀电化学原理［M］.北京：化学工业出版社，2008：44-45，106-109.

王环丽（1967），女，江苏徐州人，高级工程师，从事电厂金属与焊接管理工作；

杨庆旭（1978），男，河南平顶山人，高级工程师，从事电站焊接、金属结构评估和金属材料理化分析等相关工作；

曾勇（1987），男，重庆万州人，工程师，从事电站金属腐蚀分析等相关工作。

Corrosion Resistance Test and Research on the Welding of the Desulfurization Agitator Blade

WANG Huanli1，YANG Qingxu2，ZENG Yong2
（1.Guohua Xuzhou Electric Power Generating Company Limited，Xuzhou 221166，China
2.Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

Desulfurization agitator blade specimens，which have been used in the repair welding simulation test，were utilized to research the corrosion resistant of their base metal and welds，combining electrochemical corrosion test with immersion corrosion test.The results indicated that the corrosion resistance of the base metal and the welds was extremely strong in the test environment.The circumstance had no obvious effect on corrosion resistance，and corrosion resistance of weld was sufficient to meet the field operation demand.

ddesulfurization agitator blade；welding repair；simulated specimen；corrosion resistance

TG174.3+6

B

1009-0665（2016）04-0090-05

2016-03-20；修回日期：2016-04-25