汽轮机不同汽缸、转子材料的腐蚀性能研究

同培茹，倪荣，范华，龚显龙，戴君

(东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳，618000)

汽轮机不同汽缸、转子材料的腐蚀性能研究

同培茹，倪荣，范华，龚显龙，戴君

(东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳，618000)

文章针对汽轮机在维护中汽缸腔室、转子流道等部位出现大量锈蚀，导致其服役寿命、安全性降低的现象，对0Cr17Ni4Cu4Nb、30Co2Ni4MoV、In718、ZG1Cr10Mo1NiWVNbN材料的耐蚀性进行分析研究，从而选出耐蚀性好的汽缸及转子材料，为后继机组的设计、改型、升级改造提供数据支持。

转子材料，耐蚀性，腐蚀速率，阻抗

1 前言

因汽轮机在试验时采用的水质较差 （自来水），试验后未及时保护，导致在厂内开缸后发现汽缸腔室、转子流道等部位存在大量锈蚀。由于返厂维护时必须保证汽缸中分面维持原状，因而汽缸腔室内部锈蚀无法通过部套拆解进行除锈；同时转子叶轮、流道等部位锈蚀严重，即使采用对表面损伤较小的喷粉法除锈，也有可能导致转子重量分布发生变化。一旦转子重量发生变化，则必须对除锈后的转子进行动平衡[1]。

该机组采用的汽缸材料在设计强度上已能满足要求，若两种材料电位相差较大，则会形成较为严重的电化学腐蚀体系，导致局部出现严重腐蚀、材料强度迅速下降，甚至出现机组在设计使用期限内的提前失效。

因此，亟需通过电化学技术对满足强度要求的材料进行耐蚀性及相互电位关系的评估，通过对转子、汽缸材料进行电化学分析、对比，以获得安全系数更高的转子、汽缸选材方案，为后继机组的设计、改型、升级改造提供相关数据支持。

本文在自来水中对汽缸、转子材料的腐蚀速率、点蚀电位、自腐蚀电位及电化学阻抗等性能进行测试，通过对比不同材料的腐蚀速率、阻抗等，选出耐蚀性较好的汽缸、转子材料和最优的汽缸、转子配对方案，以防止二者因电位差过大出现加速腐蚀的现象，从金属材料腐蚀的角度为产品改进提供数据支持。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

（1）0Cr17Ni4Cu4Nb：该钢主要用于压气机叶片，汽轮机低压长叶片，属于马氏体沉淀硬化不锈钢，使用温度低于300℃。

（2）ZG1Cr10Mo1NiWVNbN：该材料常用于超/超超临界机组汽缸、阀体、喷嘴室、高温隔板等，该材料属于马氏体不锈钢。

（3）30Cr2Ni4MoV：一般用于大功率汽轮机低压转子、主轴、中间轴、传动轴及其他大锻件，淬透性好、强韧性好，常用于汽轮机转子材料，组织为回火索氏体。

（4）In718：该材料是一种沉淀硬化型高温耐蚀合金，具有很高的强度和良好的焊接性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件[2]，一般用于燃气轮机高温部件。

2.2 实验方法

2.2.1 极化曲线（Tafel）

为测试不同转子材料的耐蚀性，采用三电极体系，研究试样为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极 （SCE）为参比电极，测试面积为1 cm2，测试介质为自来水。极化曲线由普林斯顿P4000系统测得，扫描速度4 mV/s，扫描范围为开路腐蚀电位±250 mV。

2.2.2 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱是研究传统有机涂层金属体系腐蚀性为目的一项强有力的技术[3]，实验中由普林斯顿P4000系统测得各材料的交流阻抗，阻抗谱测试的交流激励信号幅值为20 mV正弦波，频率区间 0.01～100 kHz。

2.2.3 循环极化

循环极化是测试点蚀电位的一项电化学测试[4]，点蚀电位是研究材料腐蚀钝化行为的一门技术，本论文中点蚀电位由普林斯顿P4000系统测得，测试起始相对电位为-0.1 V，相对终止电位为0 V，顶点电位为1.2 V。

3 结果与数据分析

3.1 极化曲线数据分析

为模拟汽轮机使用环境，对不同汽缸、转子材料在自来水中进行Tafel测试。图1所示为不同汽缸、转子材料在自来水中测得的极化曲线。由图1可得，ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、30Cr2Ni4MoV、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718极化曲线阴阳极的塔菲尔斜率都发生变化，这说明试样在自来水中发生电化学腐蚀时，其阳极溶解反应和阴极还原反应由金属界面的电化学反应控制。相比四种选材的极化曲线可以看出，0Cr17Ni4Cu4Nb的自腐蚀电位最正，自腐蚀电流密度最小，说明0Cr17Ni4Cu4Nb在自来水中的腐蚀相比ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、30Cr2Ni4MoV、In718较慢。

图1 不同选材在自来水中的极化曲线图

对图1的极化曲线采用普林斯顿P4000系统软件进行自腐蚀电位、自腐蚀电流和腐蚀速率拟合，其结果见表1。由表1可以得出，0Cr17Ni4Cu4Nb自腐蚀电位最正，为-161.542 mV，ZG1Cr10Mo1Ni WVNbN、In718自腐蚀电位次之，30Cr2Ni4MoV最负，由自腐蚀电位可以看出，在较小的电位下30Cr2Ni4MoV便在自来水中开始腐蚀，相反0Cr17Ni4Cu4Nb发生腐蚀的电位要正，腐蚀相对其他材料较困难。综上所述，从自腐蚀电位可以得出，0Cr17Ni4Cu4Nb的腐蚀最困难，在自来水中的耐蚀性相对其他选材较好。

材料的自腐蚀电流密度是材料腐蚀反应过程中腐蚀电流大小的指标，由图1及其拟合数据表1可以看出，各选材的自腐蚀电流密度数值相差较大，其中0Cr17Ni4Cu4Nb的自腐蚀电流密度为58.432 nA/cm2，是选材中自腐蚀电流密度最小的，说明当腐蚀反应开始时，其反应的电流较小，腐蚀反应过程发生的最慢。其次自腐蚀电流密度In718比0Cr17Ni4Cu4Nb大，但比ZG1Cr10Mo1Ni-WVNbN、30Cr2Ni4MoV小。四种选材中，自腐蚀电流密度最大的是30Cr2Ni4MoV，534.747 nA/cm2，说明30Cr2Ni4MoV一旦开始发生腐蚀反应，其反应电流较大，腐蚀发生得越严重。

表1 不同选材在自来水中的极化曲线拟合数

材料的腐蚀速率是材料腐蚀反应快慢的指标，由图1和表1可以得出，四种选材的腐蚀速率从小到大依次是：0Cr17Ni4Cu4Nb、In718、ZG1Cr10Mo 1NiWVNbN、30Cr2Ni4MoV。由此可得，0Cr17Ni 4Cu4Nb的腐蚀速率最小，腐蚀反应速度最慢。综合考虑自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、腐蚀速率，0Cr17Ni4Cu4Nb的自腐蚀电位最正，腐蚀现象相对较难发生，自腐蚀电流密度最小，腐蚀发生时腐蚀电流较小，且从0Cr17Ni4Cu4Nb的腐蚀速率可以看出，0Cr17Ni4Cu4Nb的耐蚀性相比其他三种选材最好。其次为In718，虽自腐蚀电位相对ZG1Cr10Mo1NiWVNbN低，但其自腐蚀电流密度比ZG1Cr10Mo1NiWVNbN小，腐蚀发生时反应较慢，腐蚀速率较小，因此耐蚀性比ZG1Cr10Mo1Ni WVNbN的耐蚀性好。

3.2 电化学阻抗分析

本文测试电化学阻抗谱时模拟汽轮机使用环境，在自来水中测试。虽然所测试的合金耐蚀性都较好，但自来水中含有Cl、S等元素，可加速合金在自来水中的腐蚀。本文的测试是在合金浸泡10 min后测试，这样可使得整个测试体系稳定，此时合金在自来水中的腐蚀属于浸泡初期，合金表面的阻抗对应的等效电路图如图2所示[5]，等效电路图中Rc为合金电极的电荷传递电阻，Cc为合金表面的电荷转移和离子吸附过程，即双电层电容，Rs为自来水溶液的电阻。

图2 合金在自来水中的等效电路图

实验测试过程中，待合金适应自来水测试环境，开始测试前浸泡10 min，等待系统稳定，测试时间半个多小时，测试时间较长，由此可见合金在自来水中有腐蚀现象发生，虽然测试时肉眼观察不出什么现象，但测试结束后，合金表面有腐蚀点存在。在浸泡初期，随着时间的延长，合金表面的Cc增大，合金的电阻值减小。由于两者是并联关系，故复合元件的阻抗主要显示阻抗小的元件。当电容很小电阻很大时，复合涂层相对于一个纯电容；当电容增大电阻减小时，合金中电阻的作用就不可忽略了[6]。故在浸泡初期阻抗的表达式如式（1）所示：

式中：j为虚部，w表示角频率，Rs是自来水介质的电阻；Cc为双电层电容；Rc为合金电极的电荷传递电阻。

合金在自来水中会产生腐蚀，腐蚀时会形成一层钝化膜，自来水中的有害离子浸入合金内部的难易程度是评判合金耐蚀性的一个重要指标。合金表面的Rc越大，阻碍自来水中的有害离子浸入合金内部的几率就越大，从而减少了合金的腐蚀。图3为不同汽缸、转子材料在自来水中的交流阻抗谱图，由图3可见，30Cr2Ni4MoV、ZG1Cr 10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718的交流阻抗谱图差距较大，为确切得到合金阻抗值，采用普林斯顿4000软件分析各合金的阻抗谱图，得到如表2所示的参数值。

图3 不同汽缸、转子材料在自来水中的交流阻抗谱图

由图3可见，30Cr2Ni4MoV的交流阻抗谱图与 ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718的交流阻抗谱图差距较大，虽都呈现近似半圆的容抗弧，但30Cr2Ni4MoV的容抗弧并非标准半圆，圆心下沉，说明体系出现了弥散效应，这是由于合金腐蚀产物与溶液内的离子粘附在一起，并附着在两端带有电极上，造成电极表面不均匀，从而导致电极表面状态发生变化引起的深度腐蚀。

由图3还可得，30Cr2Ni4MoV、ZG1Cr10Mo1Ni-WVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718交流阻抗谱图半径差距很大，即容抗弧的半径差距很大。由图3可得，30Cr2Ni4MoV的容抗弧半径最小，说明30Cr2Ni4MoV的极化电阻越小，结合表2数据可得，R（cR）的值最小，合金表面电阻最小，Rc值也最小，阻碍合金电极表面的电荷传递电阻最小，因此腐蚀的电流密度越大，腐蚀速率越大，与极化分析的结果相同。ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718三种合金的容抗弧圆度相似，且半径相差不大，但相比而言In718的容抗弧半径最大，说明In718合金表面电荷转移越小，耐蚀性越好。ZG1Cr10Mo1NiWVNbN的容抗弧半径次之，0Cr17Ni4Cu4Nb的容抗弧半径比ZG1Cr10 Mo1NiWVNbN、In718小，但比30Cr2Ni4MoV大。由此可得，在选材的四种高温合金中，观察它们的微观腐蚀的过程可得，30Cr2Ni4MoV的耐蚀性最差，In718的耐蚀性最好。对比表2中双电层电容的前后误差可见，ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni 4Cu4Nb、In718合金的误差相对30Cr2Ni4MoV的误差较小，表明在这三种合金表面吸附的有害元素量较少，引起的界面双层电容的变化较小，说明它们的腐蚀反应较慢。

表2 不同汽缸、转子材料的交流阻抗谱的阻抗数值

3.3 循环极化结果分析

循环极化是测试点蚀电位的一项电化学技术，如图4为不同汽缸、转子材料在自来水中浸泡5 min后的循环极化图。从理论上讲，材料的正向扫描（低电位向高电位方向）曲线代表的是合金未腐蚀区域的极化行为，而反向扫描（高电位向低电位方向）曲线与已腐蚀区域的极化行为有关[7]。

图4 不同汽缸、转子材料在自来水中的循环极化图

由图 4 可得，ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4 Cu4Nb、In718这三种合金的正向扫描曲线的电位高于反向扫描的电位，而30Cr2Ni4MoV正向扫描的电位低于反向扫描的电位，根据腐蚀微电池原理，电位较低的区域将受到腐蚀，而电位较高的区域则受到保护。ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni 4Cu4Nb、In718三种合金在腐蚀初期，其腐蚀难度较大，耐蚀性相对30Cr2Ni4MoV好。

表3为循环极化的模拟数据，由图4和表3可得，当腐蚀出现点蚀现象后，因为ZG1Cr10Mo1Ni WVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718未腐蚀区的腐蚀电位高于已经遭受腐蚀区域的腐蚀电位，腐蚀将继续在已腐蚀区域进行，而未腐蚀区域将会由于周围已腐蚀区域的腐蚀而被保护，这样点蚀坑就会越来越深，这三种材料表面看似完整，实则点蚀坑较深。而30Cr2Ni4MoV的未腐蚀区的腐蚀电位低于已受腐蚀区域的腐蚀电位，腐蚀将在腐蚀区域进行，已腐蚀区域反而腐蚀减慢，30Cr2Ni-4MoV的腐蚀就朝横向腐蚀发展，易形成全面腐蚀，形成比较浅且均匀的腐蚀坑。

表3 不同汽缸、转子材料的循环极化的模拟数值

4 结论

为选出耐蚀性好的汽缸、转子材料，本文分别测试了 ZG1Cr10Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718、30Cr2Ni4MoV四种材料在其模拟环境中的耐蚀性。

（1）对比四种不同选材在浸泡初期的极化曲线，0Cr17Ni4Cu4Nb的腐蚀速率最小，其次为In718，自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、腐蚀速率，0Cr17Ni4Cu4Nb的自腐蚀电位最正，腐蚀相对较难发生，自腐蚀电流密度最小，腐蚀发生时腐蚀电流较小，而30Cr2Ni4MoV的腐蚀速率最大，耐蚀性最差。

（2）在环境中浸泡10 min后，对比测试四种材料的交流阻抗曲线，In718的容抗弧半径最大，即In718合金在长久腐蚀下，其表面电荷转移最小，腐蚀反应最慢，耐蚀性最好。

（3）对比不同材料的循环极化曲线，ZG1Cr10 Mo1NiWVNbN、0Cr17Ni4Cu4Nb、In718合金的点蚀电位相同，但点蚀一旦开始形成，腐蚀将继续发生，加深点蚀坑，需采用外界手段对材料进行保护。In718的保护电位较低，有利于材料的防护。

综上所述，因汽缸、转子材料长期使用，需选用In718这样耐蚀性好，且腐蚀产物的防护性好，易采用外界手段防护的材料。

[1]朱明亮,轩福贞,梅林波,等.汽轮机高、低压一体化转子材料及性能的研究进展[J].动力工程,2008,28(5)：664-672.

[2]刘芳,孙文儒,杨树林,等.Al对IN718合金拉伸性能及稳定性的影响 [J].稀有金属材料与工程,2008,37(6)：1047-1050.

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Study on Corrosion of Different Cylinder and Rotor Materials of Steam Turbine

Tong Peiru， Ni Rong， Fan Hua,Gong Xianlong， Dai Jun

（State Key Laboratory of Long-Life High Temperature Materials Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

lots of rust corrosion was appeared in the cylinder chamber and rotor passase,during the maintenance of the turbine,this phenomenon led to the lower service life and security.So this paper studied the corrosion resistance of 0Cr17Ni4Cu4Nb、30Co2Ni4MoV、In718 and ZG1Cr10Mo1NiWVNbN,and the best corrosion resistance material would be chosen,which could provide data support for design,remodeling,upgrade reform of later turbine.

rotor material,corrosion resistance,corrosion rate,impedance

TH142

A

1674-9987（2017）04-0066-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.015

同培茹 （1988-），女，硕士，工程师，主要从事金属材料腐蚀防护、表面工程的应用研究工作。