船用鍋爐過熱器管內(nèi)腐蝕原因分析及預防措施

李志民，楊自春

(海軍工程大學船舶與動力學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

過熱器是增壓鍋爐最重要的部件之一，其作用是將上鍋筒出來的濕飽和蒸汽加熱成為具有一定過熱溫度的過熱蒸汽。過熱器管子是整個鍋爐中最薄弱的部件其工作環(huán)境十分惡劣，管內(nèi)流動的是高溫蒸汽，管子在高溫下還受到由過熱蒸汽 (或飽和蒸汽)產(chǎn)生的熱應力，因此過熱蒸汽管子很容易發(fā)生腐蝕失效現(xiàn)象。某船用鍋爐過熱器自投入使用后，運行時間約1500 h就陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的腐蝕破損現(xiàn)象。本文通過對過熱器腐蝕管子內(nèi)壁橫截面的SEM形貌和化學元素檢查，從鍋爐運行水質(zhì)、腐蝕元素和濕保養(yǎng)3個方面分析了影響某船用鍋爐過熱器管子內(nèi)部發(fā)生腐蝕失效的原因，并針對這些原因提出了預防管內(nèi)腐蝕的具體措施，為船用過熱器的安全運行提供了決策依據(jù)。

1 腐蝕原因分析

某船用鍋爐過熱器管子出現(xiàn)過早的腐蝕破損現(xiàn)象，嚴重危害鍋爐的安全運行，其原因如下。

1.1 水質(zhì)的影響

鍋水是整個蒸汽動力裝置傳遞能量的工作介質(zhì)，鍋水水質(zhì)的好壞直接影響到整個動力裝置工作的可靠性、經(jīng)濟性與機動性。某船用鍋爐過熱器中所運行中的介質(zhì)含有較多的硬度雜質(zhì)、堿度雜質(zhì)、鹽度雜質(zhì)和各種氣體。如表1、表2、表3所示［3］。給水的總鹽量、硬度、堿度等超過了設計標準的幾十倍，這些雜質(zhì)進入鍋爐后，隨著鍋水不斷蒸發(fā)，雜質(zhì)不斷濃縮，沉積在鍋水中的雜質(zhì)越來越多，在受熱面上生成水垢，加上管子在熱應力的影響下，過熱器管子發(fā)生腐蝕就在所難免了［1］。

表1 船用蒸汽鍋爐鍋水、給水的極限值

表2 本船用鍋爐實際鍋水、給水值

表3 保養(yǎng)水指標差異 mg/l

另一方面，鍋水水質(zhì)差將引起鍋水導電率增大，促使鍋爐內(nèi)部電化學腐蝕速率加快，程度加劇。以鍋水中NaCl和Na3PO4為例:當NaCl的濃度從8mg/l增加到22mg/l時，其導電率將由15μS/m增加到41μS/m;當鍋水中Na3PO4的濃度從20mg/l增加到55mg/l時，鍋水中Na3PO4導電率將由10.5μS/m 增加到27μS/m 。兩者的導電率分別增加2.73和2.57倍，相應的腐蝕率也將加快，將嚴重危害過熱器管子的安全運行［3］。

1.2 Cl－含量的影響

從圖1可知，過熱器管內(nèi)銹層局部位置的Cl－含量較高，銹層厚薄不均，有的部位銹層分層明顯，層間有裂紋;有的部位銹層分層不明顯。從圖2所示，管內(nèi)壁局部位置的銹層與基體的界面附近含有較高的Cl－;從圖3所示，銹層間處含有較高的Cl－，這說明蒸汽中的Cl－易于沿著銹層裂紋等缺陷深入擴散，而使Cl－主要集中在銹層的缺陷處。

水中所含Cl－的濃度稱為鹽度，其相應氯化物如NaCl、MgCl2和CaCl2等雜質(zhì)通稱為鹽度雜質(zhì)。如表1、表2、表3所示，鍋爐水質(zhì)中的Cl－含量過高，易生成較多的鹽類雜質(zhì)，隨著鍋水的逐漸蒸發(fā)和鹽度雜質(zhì)的濃縮，鍋水鹽度逐漸增加，鍋水逐漸濃稠會破壞鍋內(nèi)正常的汽水分離，惡化蒸汽品質(zhì)，加快腐蝕速率，危及過熱器安全。

濕飽和蒸汽從汽筒不斷加熱到過熱器的過程中，所含爐水逐漸吸熱蒸發(fā)，鹽分便逐步沉淀在過熱器管子內(nèi)側(cè)。由于鹽分的沉積，Cl－與水蒸氣協(xié)同作用顯著加速了管內(nèi)腐蝕。且在相同的Cl－濃度的Cl－與水蒸氣協(xié)同作用時，隨著溫度的升高，Cl－加速腐蝕作用會更加明顯。

隨著過熱蒸汽溫度的升高，過熱器管內(nèi)壁銹層的組成相的形態(tài)和數(shù)量都發(fā)生了變化，使不同流程的管子內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)生了差異。管內(nèi)壁銹層中α－Fe2O3最多、Fe3O4最少，銹層孔隙大。且管內(nèi)壁Cl－沉積最大，銹層孔隙大，銹層層間有明顯裂紋，Cl－易于擴散到銹層內(nèi)部，因而腐蝕速度最大。管內(nèi)Cl－含量越高，氯脆越嚴重，管內(nèi)腐蝕也就越嚴重［4］。

圖2 腐蝕管子橫截面的元素分析圖

圖3 腐蝕管子內(nèi)壁橫截面的SEM形貌和線掃描圖

1.3 濕保養(yǎng)不當?shù)挠绊?/h3>

鍋爐停爐保養(yǎng)方法不當，也會造成鍋爐過熱器管內(nèi)腐蝕加劇。按照設計規(guī)定，鍋爐停爐24 h以上時，需對鍋爐進行濕保養(yǎng)，目的是除去鍋爐中的氧使鍋爐充滿帶堿性的水，以免腐蝕。但該型鍋爐濕保養(yǎng)存在著以下幾方面問題。

1)不應該將濕保養(yǎng)起點定在鍋爐汽壓0MPa。將鍋爐汽壓從工作壓力降為0MPa時，鍋爐本體和過熱器內(nèi)蒸汽的凝結(jié)使鍋爐內(nèi)部對外界產(chǎn)生很大的吸抽作用。如果個別閥門、水位表或連接處稍有滴漏，外界所含有氧和二氧化碳的空氣很容易由此進入過熱器管內(nèi)，造成停爐期間的氧化腐蝕。

2)濕保養(yǎng)時添加的藥品欠完備。按照設計要求，鍋爐濕保養(yǎng)時，需加入3種化學藥品:①磷酸三鈉，250 g;②苛性鈉，90 g;③維生素C，350 g。前2種藥品使爐水的磷酸根離子值和堿值保持在一定范圍內(nèi)，維生素C的還原性使其與水中可能含有的氧氣進行氧化還原反應，以除掉爐水中的殘余養(yǎng)分。而該船濕保養(yǎng)時添加的藥品是磷酸鈉和硝酸鈉溶液，殘余的氧氣將會帶來惡劣的腐蝕環(huán)境。

3)加熱除氧的方法欠科學。在主鍋爐加熱除氧時，從過熱器下排污閥通入輔鍋爐來汽，充分加熱其中滯水，一直到過熱器聯(lián)箱上諸空氣旋塞冒汽時再關閉。從目前過熱器下部汽水聯(lián)箱3個排污閥情況來看，只能從最后一個排污閥通入蒸汽。這樣，其它管子中的水只能靠熱擴散逐漸加熱。根據(jù)我們的實驗，通入此閥蒸汽加熱約50min后，從管子放出的水溫才68℃，若有時間要求，就難以達到徹底除氧的目的［5，6］。

2 預防管內(nèi)腐蝕的措施

針對上面分析的腐蝕原因，提出具體的措施如下。

1)提高鍋爐運行水質(zhì)。重新制定船用鍋爐用水水質(zhì)標準，提高鍋爐給水、鍋水水質(zhì)，盡可能降低鍋水總鹽量;改進水處理技術，首先鍋外水處理包括鍋爐給水的離子交換處理及除氧處理等，然后鍋內(nèi)處理方法是向爐內(nèi)加堿、磷酸鹽等處理方法，把能形成水垢的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎门盼鄯椒ㄅ懦哪嘣?，以防止或減緩水垢的生成。

2)控制Cl－的含量?？刂艭l－的含量最有效的措施是控制鍋水的含鹽量，可通過適當?shù)呐盼?，并補充給水以降低鍋水的含鹽量。

3)改進濕保養(yǎng)方案。建議在鍋爐汽壓降至0.05MPa時開始濕保養(yǎng)，且當預計鍋爐停爐超過24 h時一定要進行滿水保養(yǎng);適當加入維生素C，以除去水中的殘余氧分，以免造成停爐期間的腐蝕損壞;使金屬浸泡在含有除氧劑或其他保護劑的水溶液中;進行過熱器濕保養(yǎng)管路的改造，考慮讓除氧器內(nèi)的除氧水不經(jīng)鍋爐本體就直接送入過熱器內(nèi)，由此降低過熱器內(nèi)保養(yǎng)水的鹽度。

3 結(jié)論

船用鍋爐過熱器管內(nèi)發(fā)生腐蝕的主要原因是由于運行水質(zhì)較差引起的，建議立即制定鍋爐用水水質(zhì)新標準，提高鍋爐運行水質(zhì)，從根源上改善鍋爐的運行條件。在實際的工作中，還應改進水質(zhì)管理、停爐期間的濕保養(yǎng)、加熱除氧的方法等，杜絕或減少腐蝕的發(fā)生。

［1］湖南省電機工程學會.火力發(fā)電廠鍋爐受熱面失效分析與防護［M］.北京:中國電力出版社，2004:79－82.

［2］馬青華，付大海，裘達夫.船舶鍋爐燃油管內(nèi)部腐蝕與防護 ［J］.中國修船，2008，21(2).

［3］車銳，王世年.船用鍋爐及壓力容器檢驗 ［M］.北京:中國電力出版社，2007:39－55.

［4］秦曉勇，陳兵，陳德斌.船用鍋爐過熱器管子腐蝕原因分析 ［J］.鍋爐制造，2010(4).

［5］李彥林.鍋爐熱管失效分析及預防［M］.北京:中國電力出版社，2005:53－54.

［6］呂軍文，樓臺芳.高溫爐水的性質(zhì)對水冷壁腐蝕的影響 ［J］.四川電力技術，2003(5).