高硫燃料工况下湿式静电除尘器用耐蚀合金再选择

基于日立Plant Technologies湿式静电除尘器腐蚀实验的材料选型新思路

关键词
湿式静电除尘器, SO3酸雾, pH, 耐蚀合金, 一般腐蚀, 点蚀, 应力腐蚀开裂, 缝隙腐蚀, 脱硫除尘一体化, 高硫燃料

在燃煤机组超低排放和深度治理的背景下，湿式静电除尘器（Wet ESP, WESP）越来越多地被布置在脱硫（DeSOx）之后，用于高效捕集细颗粒物和SO₃酸雾。与传统干式ESP相比，湿式静电除尘器长期暴露在酸性冷凝液和含氯离子的复杂腐蚀环境中，材料选型往往决定了设备的全寿命周期成本和可用率。特别是在使用高硫燃料、配套间歇冲洗的WESP中，内部环境pH可能一度低于1，常规不锈钢产生严重腐蚀已经在工程实践中屡见不鲜，这也使“WESP耐蚀材料”成为当前烟气治理行业关注的技术热点。

由日立Plant Technologies的Keigo Orita和Nobuhiko Shiromaru开展的一项系统研究，从工业实际工况出发，对多种可用于湿式静电除尘器的耐蚀合金进行了定量对比评估，给出了在不同pH条件下的材料推荐组合，为高硫燃料电厂的WESP设计和改造提供了具有工程指导意义的技术路径。

该研究首先区分了日本与海外典型工况的差异：日本燃煤电厂多使用低硫燃料，并在湿式静电除尘器内实施连续冲洗，使得排出液的pH通常维持在2–3之间，这样S31703等相对低成本奥氏体不锈钢即可满足耐蚀要求。而在部分海外机组中，燃料含硫量达到3%–4%，且WESP多采用间歇冲洗模式，SO₃酸雾在未冲洗期间在内部冷凝，局部pH接近0.5甚至更低，形成强酸、含Cl⁻、升温条件下的多重腐蚀环境，传统材料难以胜任。研究工作正是针对这一类工况，系统评估在烟气SO₃酸雾冷凝液环境中的耐蚀合金性能，并兼顾成本因素提出材料选型建议。

在材料筛选方面，作者选取了7种在工程应用中具有代表性的耐蚀材料，统一以UNS牌号标识，包括常用不锈钢S30400、S31703，以及高合金不锈钢S31727、S32053、双相不锈钢S32506和高Ni-Mo合金N06022、N10276等。为便于初步对比，这些材料先根据合金化学成分中的Cr、Mo、N含量计算了点蚀当量值（Pitting Resistance Equivalent, PRE），其典型形式为：PRE = Cr + 3.3Mo + 20N。该指标从理论上反映了材料抵抗氯化物点蚀的能力，PRE越高，耐点蚀性能通常越好。再结合市场成本（以S30400为基准，其他材料按相对成本百分比折算），研究团队在“耐蚀性–成本”二维空间内进行了材料的初步分级，为后续实验评价建立了“候选池”。

考虑到湿式静电除尘器典型的腐蚀形式，研究重点围绕四类失效模式展开：均匀腐蚀（general corrosion）、点蚀（pitting corrosion）、应力腐蚀开裂（SCC）以及缝隙腐蚀（crevice corrosion）。为此，作者设计了三类模拟实验：

一是电化学测试，用于定性判断不同pH下的均匀腐蚀趋势及点蚀敏感性。试验采用标准三电极体系，试样与铂对电极共同浸泡在模拟SO₃酸雾冷凝液中，参比电极为饱和KCl电极，使用氮气鼓泡除氧后，通过电位扫描获取阳极极化曲线。模拟溶液条件统一为Cl⁻质量分数3%、温度328 K（约55 ℃），通过调节硫酸浓度将pH控制在0–2范围内。作者根据曲线上是否出现“活性溶解峰”判定是否存在明显一般腐蚀倾向，并将电流密度超过10⁻⁴ A/cm²时对应的电位定义为点蚀电位，以此判断点蚀敏感性。

二是应力腐蚀开裂试验，用以考察材料在受拉应力和腐蚀介质共同作用下的开裂风险。试样为2 mm厚的不锈钢扁试片，弯成U形后通过螺栓固定保持恒定弯曲应力，同样浸泡在含3% Cl⁻、328 K的模拟酸雾溶液中，pH设置为0、1、2三档。浸泡500小时后，对试样表面进行显微检查，判定是否存在可见裂纹或严重沟槽，后者在实际湿式静电除尘器环境中往往会进一步发展成裂纹或贯穿性腐蚀。

三是缝隙腐蚀试验，重点模拟湿式静电除尘器中法兰连接、螺栓孔、板材搭接等缝隙部位的腐蚀行为。两块厚度3 mm的方形试片中部开15 mm孔，通过螺栓压紧形成典型缝隙形态，并同样在含3% Cl⁻、328 K的溶液中浸泡1000小时，考察不同pH（0、0.1、0.5、1、2）下的质量损失和厚度减薄情况，从而界定材料在实际WESP结构件中的适用边界。

电化学测试结果显示，在pH = 0条件下，常规不锈钢S31703以及高合金不锈钢S32053的极化曲线中均出现明显活性峰，表明在极强酸环境中仍存在均匀腐蚀风险；而高Ni-Mo合金N06022的极化曲线没有出现此类活性峰，显示出极佳的钝化稳定性，几乎不发生均匀腐蚀。不同pH条件下的点蚀电位比较则表明，S32053、N06022和N10276在0–2的pH范围内点蚀电位始终保持在约1 V（相对于SHE）以上，说明在含3% Cl⁻的模拟SO₃酸雾溶液中，这三种材料的抗点蚀性能相对可靠，而低合金不锈钢在低pH时则更易发生点蚀。

应力腐蚀开裂试验中，在pH = 0、Cl⁻ 3%、328 K、500 h的严苛条件下，双相不锈钢S32506试样出现了可见裂纹；S31703表面虽未见明显贯通裂缝，但出现了多条深沟槽，研究者认为在实际运行中这类沟槽在应力和腐蚀共同作用下极有可能演变为裂纹，因此也按不合格处理。相比之下，S32053和N06022在相同工况下未发现裂纹或严重沟槽，表现出更好的抗SCC能力。

综合电化学与SCC两项结果，研究团队进行了材料的“初选”。在考察的pH 0–2范围内，N06022和N10276在均匀腐蚀、点蚀、SCC方面均表现优异，被认为在耐蚀性方面“全场景适用”，因此无需再进行缝隙腐蚀验证。然而，这两种Ni基合金成本显著高于不锈钢体系，仅在极端低pH工况下具备经济合理性。S32053尽管在pH = 0时存在一定均匀腐蚀倾向，但综合其PRE值高、成本明显低于Ni基合金且在SCC测试中性能良好，被视为具有工程应用潜力的“高性价比”候选材料。而S30400、S31703、S31727、S32506在pH ≤ 1时不同程度表现出腐蚀或开裂问题，被判定不适用于高硫间歇冲洗WESP的酸雾环境。

在上述基础上，作者进一步聚焦于S32053的缝隙腐蚀行为，并选取传统的S31703作为对照材料。在pH = 2条件下，两种材料在缝隙腐蚀试验中均未出现显著质量损失，说明在较弱酸性环境中，以S31703为代表的常规高Mo奥氏体不锈钢仍具有较好的适用性。但随着pH降至1及以下，S31703出现显著质量损失，既有均匀腐蚀也有明显的缝隙腐蚀特征。在pH = 0.5及更低时，腐蚀速度明显加剧，从实验结果看已难以满足长期服役要求。

相比之下，S32053在pH ≥ 1时几乎无质量损失，缝隙与非缝隙区域均未见明显腐蚀，表明其在轻微到中度酸性、含Cl⁻环境中，既能有效抵抗均匀腐蚀，也能抑制缝隙腐蚀。当pH降至0.5时，S32053在螺栓孔周边及板间缝隙区域出现局部腐蚀坑，质量损失增大，缝隙腐蚀已经不可忽视，但非缝隙区域仍未见大面积均匀腐蚀；当pH < 0.5时，均匀腐蚀和缝隙腐蚀叠加，腐蚀速率明显提高，已经不再适合作为WESP主体结构的唯一材料。基于这一结果，作者提出了“S32053+局部防护”的工程化建议：在pH约为0.5的工况下，将S32053用作湿式静电除尘器主体壳体、电极框架等非缝隙主受力构件，同时对法兰面、螺栓孔、搭接缝等不可避免的缝隙位置施加涂层、垫片或结构优化等防缝隙腐蚀措施；而当工况pH长期低于0.5时，则建议直接采用N06022或N10276等Ni基高耐蚀合金，以保障长期可靠运行。 综合该研究可为湿式静电除尘器设计者和环保工程公司提供以下行业层面的技术风向：其一，在高硫燃料+间歇冲洗这一类WESP典型工况下，简单沿用脱硫吸收塔或传统烟道使用的S31703等材料并不安全，有必要根据SO₃酸雾冷凝液的实际pH、Cl⁻含量和温度进行专门的材料论证；其二，在pH 0.5–1的酸度范围内，高合金奥氏体不锈钢S32053在耐蚀性与成本之间提供了较为理想的平衡，是值得关注的“主材候选”，前提是对缝隙部位进行精细化防护设计；其三，当SO₃酸雾冷凝液pH低于0.5、或系统存在长时间干燥积垢再冷凝等极端腐蚀风险时，N06022、N10276等Ni基合金虽成本高昂，但在全寿命周期维度仍可能是经济的选择。 从行业应用角度看，这项工作体现了将实验室电化学测试、标准化SCC与缝隙腐蚀试验，与具体的湿式静电除尘器结构与工况深度结合的思路，为燃煤电厂、钢铁烧结烟气以及垃圾焚烧烟气湿式静电除尘系统的材料选型提供了可直接落地的技术框架。随着高硫燃料结构、灵活运行以及更严格超低排放要求叠加，湿式静电除尘器的工况复杂性还会进一步增加，如何在防腐设计阶段充分利用此类研究成果，形成“按pH分级选材、关键部位局部强化”的系统方案，将逐步成为工程总包商和设备制造商在市场竞争中的关键差异点。 参考文献 [1] Keigo Orita, Nobuhiko Shiromaru. Evaluation of Corrosion-Resistant Alloys for Wet Electrostatic Precipitator. Proceedings of the 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2008. [2] Behrens D (ed). DECHEMA Corrosion Handbook, Vol. 7. VCH Publishers, 1990. [3] Alfonsson E, Qvarfort R. "acom" No.1-92, 1992:1. [4] Japanese Standards Association. JIS G 0577: Method of Pitting Potential Measurement for Stainless Steels. JIS Handbook, 2005. [5] Japanese Standards Association. JIS G 0576: Stress Corrosion Cracking Test for Stainless Steels. JIS Handbook, 2001.

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