电站脱硫循环泵磨蚀损伤焊接修复工艺试验研究及应用
李太江1，苗志彬2，李巍1，刘立营1，路涛2，王博1
1西安热工研究院有限公司； 2.华能国际电力股份有限公司上安电厂
摘 要：针对脱硫循环泵磨蚀损伤机理，在焊接修复试验基础上，研究分析了双相不锈钢焊接接头的组织结构、力学性能及耐点蚀性能。研究结果表明，采用手工焊接仿形修复工艺，脱硫循环泵焊接修复区域力学性能及金相组织满足使用要求，修复后脱硫循环泵部件型线恢复良好，各项运行指标正常。该焊接修复技术可以现场解决和改善我国在役电站脱硫循环泵部件普遍存在的磨蚀问题，可延长设备使用寿命。
关键词：脱硫循环泵；双相不锈钢；磨蚀损伤； 焊接修复；
引言
脱硫循环泵是电站石灰石(石灰)／石膏湿法脱硫装置中的关键设备。循环泵输送介质为石膏固相物以及高含量Cl –等腐蚀性浆液，在低转速循环泵运行条件下，吸收塔浆液携带大量多余空气进入循环泵内产生气蚀冲击，在Cl –腐蚀及石灰石磨料磨粒磨损的交互作用下，脱硫循环泵泵壳、叶轮及护板等部件易产生气蚀、腐蚀和磨损等损伤，形成严重的蜂窝状磨蚀缺陷（图1，图2），如不及时加以修复，磨蚀损伤扩展可能会导致泵壳穿裂泄露、叶轮断裂失效，造成机组设备损坏的严重事故[1]。因此，有必要针对脱硫循环泵部件磨蚀损伤现象，采取有效的修复措施，防止和减缓脱硫循环泵磨蚀损伤。
图1泵壳磨蚀损伤 图2叶轮磨蚀损伤
1 焊接试验
1.1 试验材料
试验选用脱硫循环泵常用的2205双相不锈钢进行焊接试验，试板规格为600×150×12mm。焊接材料为瑞典SANDVIK公司生产的E2205焊条和ER2209焊丝，规格分别为Φ3.2mm、Φ2.4mm。
双相不锈钢是铁素体与奥氏体各占约50%的不锈钢，其两相组织的特点，将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点[2] [3]。双相不锈钢焊接方法主要有手工电弧焊和钨极氩弧焊两种，焊接时应避免使用过低或过高的焊接线能量，过低的线能量又会使奥氏体相析出大量减少，甚至形成纯铁素体组织，工艺和使用性能大幅度降低；过高的线能量会使焊缝金属晶粒粗大，韧性下降；同时双相不锈钢适宜使用多层焊即多道次和低熔敷率；焊后应避免使用热处理，焊后中温去应力处理时，易发生中温敏化现象[4]。
1.2 焊接试样制备
焊接接头形式采用对接接头，开单边32.5oV形坡口，钝边为1mm，对口间隙为2～3mm，焊接方法为钨极氩弧焊GTAW打底，SMAW填充盖面，试板背面充氩气保护，焊接位置为1G(平焊)。焊接工艺参数见表1。
表1 焊接工艺参数
焊接工艺参数 GATW SMAW
极性 DC+ DC-
焊接电流(A) 80～90 105
焊接电压(V) 10～12 25～30
焊接速度(mm.min-1) 38～48 70～80
正面氩气流量（L.min－1） 10 /
背面氩气流量（L.min－1） 10 /
焊前预热(℃) 120～150
层间温度（℃） 120～150
焊接位置 平焊（1G）
1.3 焊接接头组织与性能试验
1.3.1显微组织及硬度试验
采用王水溶液浸蚀焊接接头金相试样，利用OLYMPUS - GX51 金相显微镜观察了双相不锈钢焊接接头的焊缝、热影响区和母材的显微组织,并依据GB/T 1954-2008，采用网格交点记数法，对双相不锈钢焊缝中的相含量进行了测定。
根据GB/T 2654-2008《焊接接头硬度试验方法》，对焊接接头上部和下部的焊缝、母材、热影响区三个区域进行显微硬度测试，焊缝和母材的测点间距为0.5mm，热影响区的测点间距为0.25mm。
1.3.2力学性能试验
根据国家相关标准对接头试样在3000kN万能试验机上进行了拉伸试验和弯曲试验。还对焊接接头的焊缝、热影响区和母材进行了常温冲击试验，试验采用V 型缺口冲击试样，试验在RKP450电子冲击试验机上进行。
1.3.3点蚀试验
点蚀是双相不锈钢最有害的腐蚀形态之一，试验根据美国ASTM G48A标准采用化学浸泡法进行了点蚀试验，将接头试样放入10% FeCl3.6H2O溶液中连续浸泡24小时后，测定双相不锈钢焊接接头试样在三氯化铁溶液中的腐蚀速率、单位面积的失重和观察试样表面情况，以此评价在氯化物环境中双相不锈钢焊接接头的耐点蚀倾向性。
2 试验结果与分析
2.1 焊接接头微观组织分析
熔合区（图2）及热影响区（图3）组织为灰色铁素体(δ)组织，白色奥氏体（γ）组织，两相组织各占一半，并呈带状交替分布。图4和图5分别为手工电弧焊和氩弧焊的焊缝组织，双相不锈钢焊缝金属为铸态组织，属于铁素体凝固模式，一次凝固相为单相铁素体。高温下铁素体相的高扩散速率得以使合金元素快速均匀化，容易消除凝固偏析，即使少量的镍、钼元素显微偏析对于奥氏体相的形成无较大影响。焊缝金属从熔点冷却至室温时，和焊接HAZ的高温区转变一样，部分铁素体会转变成奥氏体，两相平衡数量大小无论对焊缝的抗裂纹能力，或是对焊缝的力学性能和耐腐蚀性能都有重要影响。
将500倍下的双相不锈钢焊缝金相组织选取视场，在视场内划分10条横向线，10条纵向线，线间隔距离为10mm，平行线相交产生100个交点，如图6所示。以铁素体为记数基准时，则奥氏体百分含量=100%-铁素体百分含量。如果二个交点落在铁素体晶粒上，则记铁素体含量为1，铁素体晶粒上每增加一个交点，含量增加1%；如果交点落在铁素体、奥氏体双相组织晶界上则记为0.5，落在奥氏体晶粒中则记为0。试验测试结果表明，铁素体在视场中的含量占54%，则奥氏体占46%，两相比例满足要求。
图2接头熔合区金相组织200× 图3热影响区金相组织 500×
图4 SMAW焊缝组织 500× 图5 GTAW焊缝组织 500×
图6 焊缝组织网格划分 500×
2.2 焊接接头显微硬度分析
从图7的硬度分布来看，焊接接头硬度各部位的硬度最大不超过HV290，测得结果表明焊接接头硬度符合要求。上部焊接接头中热影响区的硬度大于母材和焊缝的硬度，这是因为铁素体的显微硬度大于奥氏体的显微硬度，因此，热影响区中含有较多的铁素体，硬度也随之升高，但并未对焊缝的脆化造成严重的影响。上部焊缝硬度较下部焊缝硬度偏高，这与多层多道焊工艺有关，前层（道）对后层（道）柱状晶生长有强化作用，而后层（道）对前层（道）有回火晶粒细化作用。
图7 焊接接头显微硬度曲线
2.3 焊接接头力学性能分析
焊接接头力学性能试验结果如表2所示。
表2 焊接接头力学性能测试结果
Rp0.2均值/MPa Rm均值/MPa Akv平均值/J 弯曲试验
结果
焊缝 热影响区
595 795 127.4 136.8 面弯、背弯180o无裂纹
从拉伸试验结果可以看出，所有试样的断裂位置均发生在母材位置，焊接接头抗拉强度平均值为795MPa，屈服强度平均值为585MPa，焊缝抗拉强度明显高于母材抗拉强度，分析原因主要有两个方面：（1）母材中铁素体和奥氏体组织沿轧制方向呈带状分布，而焊缝金属和热影响区中的铁素体和奥氏体相互交错，方向各异，晶界增多，能够锁定位错从而使焊缝区强化；（2）焊缝金属中的Cr、Mo、Ni原子经高温重熔，能够置换晶格中的Fe原子，扰乱了原来的晶格排列，也同样使位错移动困难，使钢强化。因此，焊缝金属经过多种强化方式，其强度明显优于母材。弯曲试验结果表明：所有弯曲试样弯至180o后受拉面表面均无裂纹，焊接接头抗弯曲性能良好。冲击试验结果表明，焊缝、热影响区的冲击韧性均远远大于27J，焊接接头表现出优异的冲击韧性。双相不锈钢焊接接头具有良好的冲击韧性是由于奥氏体相的存在，主要表现在：（1）它能抑制铁素体相中己产生裂纹的继续扩展；（2）碳、氮等间隙元素在奥氏体相中的溶解度高，与单相铁素体不锈钢相比，高温冷却时不易析出碳氮化物，从而能抑制晶界脆化（3）它能阻止高温加热时，如淬火时的铁素体晶粒长大[5]。
2.4 焊接接头点蚀试验结果分析
试验结果如表6所示。在10倍显微镜下，对腐蚀表面的观察未发现点蚀的出现。三组点蚀试验结果表明，点蚀试样失重较小，平均腐蚀速率为R为0.040 g/m2.h，最低腐蚀速率R仅为0.006 g/m2.h。这表明试验制备的双相不锈钢焊接接头具有良好的耐点蚀性能。
表6 点蚀试验结果（25℃，24h）
试样尺寸/mm 失重前重量/g 失重后重量/g 腐蚀速率R/g/m2.h
3.08×25.44×54.74 32.86931 32.8667 0.033
3.10×23.74×54.70 30.65571 30.6553 0.006
3.10×25.46×54.72 32.87902 32.8726 0.080
脱硫循环泵焊接修复试验研究.doc
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