何建军,周承伟,余仁强,李 微,任延杰,鲍江涌

(长沙理工大学能源与动力工程学院,长沙 410114)

摘 要:在模拟湿法脱硫浆液流动环境中,研究了 NaCl溶液+石英砂酸性浆液冲击角度(与试 样冲击表面夹角)对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀行为的影响。结果表明:在浆液以60°和30°角度冲击铸 铁后,在腐蚀与磨损的交互作用下铸铁的质量损失较大;浆液垂直冲击铸铁后,铸铁的质量损失较 小,质量损失的主要原因是冲击磨损;浆液平行冲击铸铁后,铸铁的质量损失最小,质量损失的主要 原因是点蚀。浆液平行冲击时铸铁的冲蚀机理以显微切削为主;浆液以30°角度冲击时的冲蚀机 理以切削、犁削为主,铸铁表面存在挤出棱、冲击坑以及浅层片状疲劳剥落现象;浆液以60°角度冲 击时的冲蚀机理以深层材料大块脱落和严重腐蚀磨损为主;浆液垂直冲击时的冲蚀机理主要是表 层材料脱落,并伴随轻微腐蚀磨损。

关键词:Cr30A 铸铁;冲击角度;冲蚀行为;腐蚀;磨损 中图分类号:TG143.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0020-05

0 引 言

脱硫浆液循环泵是湿法脱硫系统中的关键和核 心设备之一。特定的服役环境要求脱硫浆液循环泵 具备优异的耐磨耐腐蚀性能,以适应长时间浆液的 冲蚀磨损[1-2]。冲蚀磨损是由多相流动介质冲击材 料表面造成的一类磨损,是现代工业生产中常见的 一种磨损形式,也是造成机器设备及其零部件损坏 报废的重要原因之一[3-4]。在脱硫浆液循环泵工作 的具体工况中,浆液冲蚀间的交互作用是循环泵寿 命缩短的重要原因[5-7]。 20 何建军,等:浆液冲击角度对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀行为的影响 目前,脱硫浆液循环泵破坏最严重的部分是受 到脱硫浆液冲击的过流件及周围配套零件。在火电 厂湿法脱硫浆液循环泵运行过程中,脱硫浆液循环 泵的过流件同时受到浆液的腐蚀和浆液中固体颗粒 的冲击,过流件局部损伤十分严重。由于循环泵工 作过程中过流件各个部分的冲蚀环境不同,尤其是 浆液冲击角度的不同造成不同部位存在轻重不一的 冲蚀损伤[8-9]。在实际工况下受到浆液冲蚀损伤最 明显的部分包含泵壳、前后护板、叶轮、轴封、轴套、 吸入口等。其中,叶轮主要受浆液的小角度冲击而 出现切削损伤,泵壳主要受浆液的大角度冲击而出 现块状脱落,流道壁面在脱硫浆液的循环输送过程 中受到近平行角度冲击而出现损伤,护板主要受浆 液的接近垂直方向的冲击而出现损伤。 Cr30A 高铬铸铁具有良好的抗冲蚀性能[10],是 脱硫浆液循环泵过流件的主要材料之一。STACK 等[11]在失效机理的基础上通过分析冲蚀过程中造 成材料破坏的过渡边界因素,总结出了高铬铸铁的 失效行为规律。TIAN 等[12]分析了在不同介质浓 度、浆液温度和固体磨粒尺寸下,高铬铸铁的腐蚀磨 损失效机理变化。CHUNG 等[13]研究发现,随着冲 击载荷的增大,高铬铸铁的质量损失呈指数增大。 王阳阳等[14]分析了冲蚀角、冲蚀时间和冲蚀砂粒径 对高铬铸铁冲蚀磨损性能的影响。李秀兰等[15]研 究了不同铬含量的高铬铸铁在液-固两相流中的冲 蚀磨损行为,发现高铬含量铸铁的抗冲蚀能力较强。 但是,目前对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀失效规律与机理 的研究不多,尤其是不同浆液冲击角度对 Cr30A 高 铬铸铁冲蚀行为影响方面的研究更少。因此,作者 以湿法脱硫浆液循环泵脱硫工况为背景,研究了不同 浆液冲击角度下 Cr30A 高铬铸铁在 NaCl溶液+石 英砂酸性浆液介质中的冲蚀行为与冲蚀交互失效机 理,为脱硫系统的安全经济运行和脱硫浆液循环泵使 用寿命的提高提供试验数据。

1 试样制备与试验方法

试验材料选用第三代全金属泵用 Cr30A 高铬 铸铁。Cr30A 高铬铸铁属于双相耐磨耐蚀合金,该 合金在原有 Cr30合金基础上通过添加新的合金成 分镍和铜元素,并改变了原组织结构而获得了耐磨 耐蚀性 能 的 提 升[16]。Cr30A 高 铬 铸 铁 的 硬 度 达 48HRC左右,化学成分如表1所示。在试验材料 上截取尺寸为10mm×10mm×10mm 的立方体 试样,依次用 240 # ,400 # ,800 # ,1200 # 和2000 # 的 砂纸打磨表面,抛光,在无水乙醇中超声清洗10min, 烘干后待用。 表1 Cr30A高铬铸铁的化学成分 质量分数 Table1 ChemicalcompositionofCr30Ahighchromium castiron massfraction % C Cr Si Ni Mo Mn Cu Fe 1.2~2.028~32 ≤1.0 1.0~3.01.5~2.51.5~2.01.0~2.0 余 采用如图1所示的自制装置进行冲蚀试验,试 验过程中将立方体试样贴在容器内壁上,通过调节 搅拌叶片的旋转速度来控制浆液的冲击速度,通过 调整试样的受冲击面来设置浆液对试样表面的冲击 角度(定义为浆液冲击方向与冲击表面夹角)。在试 验中保留试样的其中一个表面进行冲蚀试验,其他表 面采用耐磨抗蚀聚合材料进行预保护处理。根据脱 硫浆液循环泵过流件的实际运行工况,浆液的冲击角 度设为 0°,30°,60°,90°,叶 片 旋 转 速 度 为 1000r· min -1。配制 的 脱 硫 浆 液 组 成 为 质 量 分 数 3.5% NaCl溶液+石英砂,二者的质量比3∶1,其中石英 砂粒径为180~250μm,莫氏硬度为7,用体积分数 98%硫酸将溶液pH 调至约为4,试验时间为24h。 试验结束后将试样在无水乙醇中超声清洗,烘干。 采用精度为0.1mg的电子天平称取试验前后试样 的质量,计算单位面积的质量损失 ΔW ,计算公式为 ΔW =(m0 -mt)/S (1) 式中:m0 为冲蚀试验前试样的质量;mt 为冲蚀试验 后试样的质量;S 为试样受冲击面的面积。 图1 自制冲蚀试验装置示意 Fig.1 Diagramofself-madeerosiontestdevice 冲蚀试验结束后,采用 SM-6700F 型扫描电镜 (SEM)观察试样的表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 0°冲击时的冲蚀行为

当浆液 的 冲 击 角 度 为 0°时 (浆 液 平 行 冲 击), Cr30A 高 铬 铸 铁 的 平 均 单 位 面 积 质 量 损 失 为 21 何建军,等:浆液冲击角度对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀行为的影响 图2 浆液以0°角度冲击 Cr30A铸铁后的冲蚀表面与截面形貌 Fig 2 Erosionsurface a andsection b morphologyofCr30A castironafterimpactbyslurryatangleof0° 141.59mg·cm -2。由图 2 可 知,在 冲 击 角 度 为 0° 时,试样表面比较平整,少量基体遭到磨损,不存在 明显塑性变形和坑洞,但试样表面切削痕迹明显,同 时晶界腐蚀后受浆液冲击而出现明显的材料流失痕 迹。在浆液 冲 击 角 度 为 0°,即 平 行 冲 击 试 样 表 面 时,试样表面主要受到切向力作用,而法向冲击力几 乎为0,所以浆液中的石英砂颗粒不会压入试样表 面。Cr30A 铸铁硬度高,石英砂颗粒尖角部分在切 应力作用下对其只产生显微切削作用,因此表面观 察到明显的显微切削形貌。可知,Cr30A 高铬铸铁 在浆液平行冲击下的冲蚀机制以显微切削为主。

2.2 30°冲击时的冲蚀行为

当浆液的冲击角度为30°时,Cr30A 高铬铸铁的 平均单位面积质量损失为340.75mg·cm -2。由图3 可以看出:当冲击角度为30°时,试样表面存在明显 的切削和犁削痕迹,以及挤出棱和冲击坑,并且冲击 坑周围材料存在因浆液的二次切削作用而减少的现 象,这说明试样表面出现了一定程度的塑性变形;试 样表层发生了一定程度的挤压塑性变形,存在由浆 液冲击而形成的坑洞,且腐蚀痕迹明显。当腐蚀浆 液以小角度冲击试样表面时,试样表面同时受到了 切向力和法向力的作用[13]。石英砂颗粒在法向冲 击力作用下压入试样表面,然后在切向力作用下滑 动,挤压材料使其发生塑性变形,并形成挤出棱和坑 图3 浆液以30°角度冲击 Cr30A铸铁后的冲蚀表面与截面形貌 Fig 3 Erosionsurface a andsection b morphologyofCr30A castironafterimpactbyslurryatangleof30° 洞。Cr30A 高铬铸铁虽然硬度高但韧性较低,这导 致该材料受冲击时极易发生变形而断裂脱落。在小 角度反复冲击作用下,试样表层发生塑性变形,导致 亚表层发生加工硬化;加工硬化层具有更高的硬度 但相应的韧性会进一步降低,多次塑性变形导致试 样内部产生变形损伤以及各种结构缺陷,裂纹便在 这些区域萌生。由冲蚀截面形貌可以看出,裂纹萌 生于试样亚表层中硬化层与非硬化层的交界处,并 在表层截面中沿近似平行于冲击表面方向扩展,最 终导致试样发生浅层片状疲劳剥落。

2.3 60°冲击时的冲蚀行为

浆液的冲击角度为60°时,Cr30A 高铬铸铁 的平均单位面积质量损失为427.26mg·cm -2。由 图4(a)可以看出:当浆液的冲击角度为60°时,试样 表面存在明显的塑性变形,表层塑性流变量大,同时 试样表面分布着由浆液不断冲击形成的坑洞,且在 坑洞边缘存在明显的材料堆积现象;试样表层截面 出现由浆液冲击造成的冲击腐蚀坑,并且在坑洞底 部存在裂纹,裂纹周围的基体受到严重腐蚀。当浆 液以大角度冲击试样表面时,试样表面受到的法向 压应力使得石英砂颗粒易压入试样表面,并在切向 力作用下挤过金属材料而形成犁沟;但由于在冲蚀 过程中试样 表 面 承 受 的 切 向 力 较 小,浆 液 对 试 样 表面挤出产 物 的 去 除 能 力 不 强,因 此 在 试 样 表 面 22 何建军,等:浆液冲击角度对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀行为的影响 图4 浆液以60°角度冲击 Cr30A铸铁后的冲蚀表面和截面形貌 Fig 4 Erosionsurface a andsection b morphologyofCr30A castironafterimpactbyslurryatangleof60° 出现材料堆积现象。材料表面发生的塑性变形会 增加腐蚀面 积,而 且 变 形 材 料 具 有 极 高 的 腐 蚀 活 性并与周围 基 体 组 成 应 变 差 异 电 池,从 而 极 大 促 进基体的腐蚀。

2.4 90°冲击时的冲蚀行为

当浆液的冲击角度为90°时,Cr30A 高铬铸铁的 平均单位面积质量损失为210.48mg·cm -2。由图5 可以看出,当浆液的冲击角度为90°时,即垂直冲击 试样时,试样表面凹凸不平,存在因石英砂冲击而产 生的凿坑。当冲击角为90°时,试样表面主要承受 法向压应力,切削作用力几乎为0,同时高铬铸铁中 的碳化物可有效抵抗磨料垂直冲击磨损作用。在冲 蚀过程中,铸铁中的碳、铬元素从饱和奥氏体中以 Cr23C6 形态析出,造 成 奥 氏 体 晶 界 贫 铬、贫 碳[13] ; 碳元素可提 高 材 料 的 强 度 与 硬 度,铬 元 素 具 有 很 好的钝化能力可有效抑制腐蚀,而晶界处的贫铬、 贫碳会导致晶界周围因腐蚀程度增大和硬度下降 而更容易遭 受 石 英 砂 颗 粒 的 冲 击 破 坏,因 此 在 晶 界周围存在因石英砂颗粒冲击造成的冲击坑及表 层材料脱落现象。

2.5 分析与讨论

Cr30A 铸铁在受到浆液的冲蚀作用时,同时存 在磨损和腐蚀的交互作用。当浆液冲击角度为0° 时,试样表面平整,且晶界轮廓凸显,此时质量损失 图5 浆液以90°角度冲击 Cr30A铸铁后的冲蚀表面和截面形貌 Fig 5 Erosionsurface a andsection b morphologyofCr30A castironafterimpactbyslurryatangleof90° 的主要原因为腐蚀,由试样表面的点蚀坑可知其腐 蚀机制以点蚀为主;在浆液的冲蚀作用下,试样表面 因腐蚀形成的少量钝化膜遭到破坏而裸露出金属表 面,此时材料的质量损失相对最小。当浆液冲击角 度为30°时,试样表面发生塑性变形,表面存在挤出 棱和坑洞,在腐蚀与磨损的交互作用下,试样的质量 损失较大。当浆液冲击角度为60°时,浆液的磨损 作用增强,试样表面发生大范围塑性变形,碳化物和 挤出棱明显,坑洞尺寸增大,此时腐蚀与磨损交互作 用明显,腐蚀加速磨损,磨损加速腐蚀,导致材料损 失极为严重。当浆液冲击角度为90°时,浆液垂直 冲击试样表面,由于高铬铸铁具有优良的抗磨料垂 直冲蚀性能,浆液的冲击作用仅将试样表面钝化膜 去除,同时晶界周围出现少量材料脱落现象,因此与 浆液以0°角度冲击后的相比,其质量损失稍大,但 低于以其他角度冲击后的。 浆液中固体粒子对试样表面的作用可以分解为 平行于试样表面的切削作用和垂直于试样表面的冲 击作用。切削和冲击使得基体对颗粒的支撑效应和 颗粒对基体的阴影效应受到很大的影响。随着冲击 角度的变化,切削与冲击作用的强弱发生变化,从而 影响了材料的冲蚀失效行为[17]。

3 结 论

(1)在浆液以60°和30°角度冲击后,在腐蚀与 23 何建军,等:浆液冲击角度对 Cr30A 高铬铸铁冲蚀行为的影响 磨损的交互作用下 Cr30A 铸铁的质量损失较大;受 到浆液垂直冲击后,铸铁的质量损失较小,质量损失 的主要原因是冲击磨损;受到浆液平行冲击后,铸铁 的质量损失最小,质量损失的主要原因是点蚀。 (2)浆液平行冲击时铸铁的冲蚀机理以显微切 削为主;浆液以30°小角度冲击的冲蚀机理以切削、 犁削为主,铸铁表面存在挤出棱、冲击坑以及浅层片 状疲劳剥离现象;浆液以60°大角度冲击时的冲蚀 机理以材料深层大块脱落和严重腐蚀磨损为主,铸 铁表面存在明显的塑性变形和腐蚀深坑;浆液垂直 冲击时的冲蚀机理主要是表层材料脱落,并伴随轻 微腐蚀磨损。受到不同角度浆液冲蚀后铸铁表面均 存在不同程度的腐蚀与磨损的交互作用。

来源：材料与测试网