汽水品質(zhì)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組金屬材料腐蝕失效的影響

【摘要】汽水品質(zhì)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組金屬材料的影響很大，它會(huì)造成汽輪機(jī)葉片、汽包、水冷壁、過熱器、凝汽器、省煤器等熱力設(shè)備產(chǎn)生腐蝕失效，因而形成裂紋、腐蝕坑、穿孔等損傷，從而影響機(jī)組設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)造成事故停機(jī)。本文著重介紹了汽水品質(zhì)對(duì)金屬材料腐蝕失效的特征，以及防止汽水品質(zhì)對(duì)金屬材料腐蝕的方法。

【關(guān)鍵詞】金屬材料；汽水品質(zhì)；失效特征；防止方法

1、前言

火力發(fā)電廠熱力設(shè)備的運(yùn)行常以水作為介質(zhì)。如果水質(zhì)不良，則會(huì)引起金屬的腐蝕失效。由于金屬材料與不合格水質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起金屬材料的破壞叫做金屬的腐蝕?；鹆Πl(fā)電廠的給水管道，各種加熱器，鍋爐的省煤器、水冷壁、過熱器和汽輪機(jī)凝汽器等熱力設(shè)備，都會(huì)因水中含有溶解性氣體和腐蝕介質(zhì)而引起腐蝕。腐蝕不僅會(huì)縮短金屬的使用壽命，而且由于金屬腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)入給水中，使給水雜質(zhì)增多，從而又縮短了在熱負(fù)荷高的受熱面上的結(jié)垢過程，結(jié)成的垢又會(huì)促進(jìn)鍋爐管壁的垢下腐蝕。這種惡性循環(huán)，會(huì)迅速導(dǎo)致爆管事故的發(fā)生。所以沒有合格的汽水品質(zhì)是影響火力發(fā)電廠熱力設(shè)備（鍋爐、汽機(jī)等）安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一，沒有合格的汽水品質(zhì)會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱金屬材料組件內(nèi)表面腐蝕或堵塞，降低鍋爐效率，并可能引起爐管過熱，甚至爆管，因此，防止汽水品質(zhì)對(duì)金屬材料腐蝕失效影響是一項(xiàng)重要的工作。

2、汽水品質(zhì)對(duì)金屬材料腐蝕失效的特征

2.1氫腐蝕

當(dāng)鍋爐受熱面管介質(zhì)受到環(huán)境污染而使?fàn)t水呈酸性是，介質(zhì)中的氫離子會(huì)對(duì)管子造成損傷，使金屬產(chǎn)生脆化。一般將氫損傷的物理過程稱為“氫脆”，化學(xué)過程稱為“氫腐蝕”。氫腐蝕是氫在高溫高壓下，與鋼中的滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷，甲烷在鋼中產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，使材料開裂或形成鼓包而破壞。出現(xiàn)氫損傷后，材料的力學(xué)性能下降。

氫腐蝕造成的泄漏一般出現(xiàn)在水冷壁管上，其爆口特征一般無明顯減薄，破口邊緣粗鈍，沒有塑性變形和脹粗現(xiàn)象，爆口形狀像開了窗戶一樣，具有脆性斷裂特征。其微觀組織為管子內(nèi)部存在裂紋，在主裂紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象，珠光體減少或消失，當(dāng)腐蝕嚴(yán)重時(shí)，表面出現(xiàn)全脫碳層。在組織內(nèi)部還可見細(xì)微的沿晶分布的微觀裂紋。氫腐蝕裂紋區(qū)的氫含量明顯升高，機(jī)械性能下降。

2.2氧腐蝕

氧腐蝕是鍋爐系統(tǒng)最常見的、較嚴(yán)重的腐蝕。氧腐蝕是由于鍋爐給水中的氧對(duì)陰極的去極化作用，使電化學(xué)腐蝕過程加快，由此形成的腐蝕就是氧腐蝕。鍋爐以水和汽為介質(zhì)，鍋爐給水雖然已經(jīng)過處理，但水里通常仍溶解有一定的氧，溶解氧能引起碳鋼的吸氧腐蝕其反應(yīng)為：

陽極過程：Fe→Fe2+2e

陰極過程：1/2O2+H2+2e→2OH-

腐蝕電池反應(yīng)：Fe+1/2O2+H2O→Fe（OH）2，因水中有溶解氧，故Fe（OH）2將進(jìn)一步被氧化為Fe（OH）3，其反應(yīng)為：4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

上述產(chǎn)物隨著條件不同，（如溫度、pH值、溶解氧含量）也可得到更為復(fù)雜的腐蝕產(chǎn)物：如FeO、Fe2O3、Fe3O4等。碳鋼受氧腐蝕后，破壞形式為點(diǎn)狀，常常在表面形成許多小型鼓包直徑由不到一毫米到幾十毫米不等，當(dāng)清除這些產(chǎn)物后，便可見金屬表面上的潰瘍狀腐蝕坑陷，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生小孔向外噴水，水溫越高，則產(chǎn)生的氧腐蝕后果越嚴(yán)重。

鍋爐氧腐蝕產(chǎn)生的原因正常運(yùn)行情況下，由于給水采取了除氧措施，水中氧含量很低，由于給水溫度較高，少量的氧在給水管道中就已耗盡，不會(huì)對(duì)鍋爐造成危害。但在除氧器運(yùn)行不正常時(shí)，給水中溶氧量增加，就會(huì)對(duì)減溫器、省煤器乃至汽包金屬內(nèi)壁造成嚴(yán)重氧腐蝕。

鍋爐停運(yùn)期間氧腐蝕產(chǎn)生有兩種：

（1）在小修或大修停爐時(shí)，空氣進(jìn)入鍋內(nèi)，空氣中的氧就會(huì)很快腐蝕鍋內(nèi)各系統(tǒng)金屬表面，再加上鍋內(nèi)金屬表面上往往因受潮而附著一層水膜，空氣中的氧便溶解在此水膜中，這就給氧腐蝕創(chuàng)造了便利的條件；

（2）故障停爐，鍋爐停止運(yùn)行后，壓力減低，此時(shí)大氣中的氧氣便通過各個(gè)泄漏點(diǎn)迅速地進(jìn)入氧分壓很低的鍋內(nèi)，并溶解于水中造成腐蝕。

鍋爐停用狀態(tài)下氧腐蝕，與運(yùn)行中發(fā)生的氧腐蝕機(jī)理基本相同，但比運(yùn)行時(shí)更嚴(yán)重，這不僅是因停用時(shí)進(jìn)入了大量的氧氣，而且停用時(shí)鍋爐所有部件都能發(fā)生氧腐蝕。腐蝕范圍更大。由上可知鍋爐在運(yùn)行或停爐狀態(tài)下都可能有氧腐蝕發(fā)生，且停運(yùn)時(shí)腐蝕更大。因此控制進(jìn)入鍋爐的氧氣含量對(duì)保證鍋爐安全運(yùn)行具有重要的意義。

2.3酸腐蝕

酸腐蝕主要是析氫腐蝕。在鍋爐系統(tǒng)中，這種腐蝕經(jīng)常發(fā)生在下列部位：

（1）給水系統(tǒng)：

給水系統(tǒng)運(yùn)行中，由于二氧化碳的大量存在，會(huì)引起強(qiáng)烈的酸腐蝕。特別是經(jīng)過H—Na離子交換或鈉離子交換加酸處理的給水，PH值經(jīng)常在7以下，這種腐蝕將更為嚴(yán)重。

（2）鍋爐內(nèi)部：

當(dāng)鍋水氯化鎂含量較高時(shí)，在鍋內(nèi)高溫（180℃以上）下，容易發(fā)生水解反應(yīng)而生成酸。生成的鹽酸是一種強(qiáng)酸，它既能破壞金屬表面氧化膜又能溶解鐵，在鍋水pH值較低情況下，腐蝕反應(yīng)生成的鐵的氯化物，又可能與氫氧化鎂作用再次生成氯化鎂，氯化鎂又水解成鹽酸而引起金屬的腐蝕。

（3）回水系統(tǒng)：

回水系統(tǒng)很容易受到酸腐蝕，尤其是在含有溶解氧時(shí)。酸腐蝕的特征大多是均勻腐蝕，這種腐蝕雖然對(duì)金屬的強(qiáng)度破壞不大，但溶解鐵量較多，使給水中大量帶鐵，容易在鍋內(nèi)形成鐵垢及產(chǎn)生垢下腐蝕。

2.4堿腐蝕

堿腐蝕是指游離氫氧化鈉（NaOH）對(duì)金屬的腐蝕。堿腐蝕的作用，主要是溶解鋼鐵表面的氧化膜，使其表面失去保護(hù)作用，從而造成了腐蝕過程連續(xù)發(fā)生的可能性。堿腐蝕是電化學(xué)腐蝕的結(jié)果。

發(fā)生堿腐蝕的原因是由于在爐管的局部地方發(fā)生了堿的濃縮，它一般具有局部性的特征，呈現(xiàn)小溝槽或不規(guī)則的潰瘍型。因此，堿腐蝕一般發(fā)生在水冷壁管的向火側(cè)，通常是在一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)干擾使?fàn)t水雜質(zhì)發(fā)生沉積的地方。容易發(fā)生堿腐蝕的部位包括：爐水流動(dòng)受干擾的位置，主要有焊接接口、向火側(cè)有較多水垢處、爐管的方向驟變處及管子內(nèi)徑改變處等；高熱負(fù)荷部位，如：噴燃器附近；容易出現(xiàn)膜態(tài)沸騰的部位，如：水平管及斜管處。腐蝕最嚴(yán)重的部位是在焊縫處，因?yàn)榇颂幦菀谆鞀A雜質(zhì)，金屬組織也有一定的改變，有時(shí)在焊口附近附著不緊密的氧化皮也給鍋水濃縮提供了有利條件。

2.5垢下腐蝕

當(dāng)凝結(jié)水和給水PH值不正常，爐水受酸或堿污染或水質(zhì)雜質(zhì)超標(biāo)時(shí)，如果這此水質(zhì)進(jìn)入鍋爐或其他熱交換器，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，在和水接觸的受熱面上，會(huì)生成一些固體附著物，這些固體附著物稱為水垢，這種現(xiàn)象稱為結(jié)垢。這些水垢在蒸發(fā)面管子內(nèi)壁沉積，由于沉積物熱阻較大，管壁溫度升高，而使垢下的酸性介質(zhì)或者堿性介質(zhì)進(jìn)一步濃縮，造成更嚴(yán)重的腐蝕，當(dāng)管壁減薄到一定程度后而爆管。水垢的導(dǎo)熱性能比金屬的差幾百倍，又易形成在熱負(fù)荷很高的鍋爐爐管中，這樣也會(huì)使結(jié)垢部位的金屬管壁溫度過熱，引起金屬強(qiáng)度下降，在管內(nèi)壓力作用下，就會(huì)發(fā)生管道局部變形，產(chǎn)生鼓包，導(dǎo)致爆管。

垢下腐蝕的特征為：鹽垢為多孔沉積物，垢下腐蝕呈坑穴狀，為均勻腐蝕。腐蝕坑處沒有裂紋。在腐蝕過程中，金屬組織和機(jī)械性能沒有明顯的變化。大多數(shù)發(fā)生在爐水高堿度處理狀態(tài)。

2.6積鹽

如果鍋爐使用的水質(zhì)不良，就不能產(chǎn)生高純度的蒸汽，隨蒸汽帶出的雜質(zhì)就會(huì)沉積在蒸汽流通部分，例如過熱器和汽輪機(jī)里，這種現(xiàn)象稱為積鹽。過熱器管內(nèi)積鹽會(huì)引起金屬管壁過熱，甚至爆管；汽輪機(jī)內(nèi)積鹽會(huì)大大降低汽輪機(jī)的出力和效率。特別是對(duì)于高溫、高壓的大容量汽輪機(jī)，它的高壓蒸汽通流部分的截面積很小，所以少量的積鹽就會(huì)大大增加蒸汽流通的阻力，使汽輪機(jī)的出力下降。當(dāng)汽輪機(jī)積鹽嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使推力軸承負(fù)荷增大隔板彎曲，造成事故停機(jī)。

3、防止金屬材料腐蝕的方法

金屬材料腐蝕是由于金屬和介質(zhì)接觸時(shí)形成腐蝕電池所引起的。為了使金屬免受腐蝕，辦法是設(shè)法消除產(chǎn)生腐蝕電池的條件，這可從金屬設(shè)備的材質(zhì)和周圍介質(zhì)兩方面著手。

3.1金屬材料的選用

金屬材料本身的耐蝕性，主要與金屬的化學(xué)成分、金相組織、內(nèi)部應(yīng)力及表面狀態(tài)有關(guān)，還與金屬設(shè)備的合理設(shè)計(jì)與制造有關(guān)。從防止金屬腐蝕的角度看，無疑應(yīng)該選用耐蝕性強(qiáng)的材料，但是金屬材料的耐蝕性能是與它所接觸的介質(zhì)有密切關(guān)系的，所以應(yīng)該根據(jù)金屬周圍介質(zhì)的性質(zhì)來選用金屬材料。在工業(yè)實(shí)踐中，選用金屬材料時(shí)，除了應(yīng)考慮它的耐蝕性之外，還要考慮它的機(jī)械強(qiáng)度、加工特性及材料價(jià)格等方面的因素。

3.2控制和調(diào)節(jié)鍋爐給回水中的PH值

當(dāng)PH 值低時(shí)可以向水中加入碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉等堿性藥劑使鍋水的PH值達(dá)到10-12；當(dāng)鍋內(nèi)PH值高時(shí)，可向水中加入磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、硫酸銨等藥劑，使PH值達(dá)到10-12。

3.3對(duì)鍋爐用水的堿度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)

防止堿腐蝕，應(yīng)及時(shí)對(duì)鍋爐水中游離堿進(jìn)行有效控制，才能消除鍋爐水的侵蝕性，在鍋爐設(shè)計(jì)上盡量避免采用水平管段或傾斜度小的管段。在鍋爐安裝中應(yīng)當(dāng)保證焊口的質(zhì)量，不應(yīng)使焊口內(nèi)出現(xiàn)夾雜物和在焊口外殘留有氧化皮，設(shè)法消除焊口處的殘余應(yīng)力。在鍋爐運(yùn)行中應(yīng)盡量消除過熱現(xiàn)象，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制好鍋水的水質(zhì)。

3.2介質(zhì)的處理

同金屬相接觸的介質(zhì)，對(duì)金屬材料的腐蝕性，在某些情況下是可以改變的，也就是說，通過改變介質(zhì)的某些狀況，可以減緩或消除介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕作用。例如，鍋爐給水的除氧處理，就是除掉鍋爐給水中溶解氧這種有害成分，提高了水質(zhì)，從而達(dá)到了防止給水對(duì)金屬腐蝕的目的。又例如，在鍋爐化學(xué)清洗時(shí)，在除垢用的酸液中加入少量緩蝕劑等藥品，改變了清洗液的化學(xué)組成，就可以大大減少了酸液對(duì)鍋爐鋼材的腐蝕。

3.2加強(qiáng)機(jī)組的化學(xué)監(jiān)督

通過加強(qiáng)機(jī)組的化學(xué)監(jiān)督，積極調(diào)整機(jī)組的水化學(xué)運(yùn)行工況，可有效防止熱力設(shè)備金屬材料的腐蝕、結(jié)垢等失效。

4、結(jié)束語

總之，控制火力發(fā)電機(jī)組的汽水品質(zhì)是解決熱力系統(tǒng)設(shè)備金屬材料腐蝕，最有效的途徑，它事關(guān)機(jī)組設(shè)備的保護(hù)，甚至整個(gè)熱力系統(tǒng)的安全，因此，必須制定足夠的措施，保證機(jī)組汽水品質(zhì)的合格，所以各級(jí)鍋爐管理工作人員及水處理工作人員和鍋爐運(yùn)行人員應(yīng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的汽水品質(zhì)給予高度重視，及時(shí)防止和處理金屬材料腐蝕所帶來的損失，把它消滅在萌芽狀態(tài)，延長鍋爐和熱力系統(tǒng)的使用壽命，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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[4]徐洪，高壓鍋爐水冷壁堿腐蝕診斷與機(jī)理研究，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003.

作者簡(jiǎn)介

曾祥濤，性別：男，1979年10月出生，2001年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，材料成型與控制工程專業(yè)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)為內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電限責(zé)任公司金屬監(jiān)督專業(yè)工程師。