工業(yè)鍋爐垢下腐蝕缺陷成因分析

摘要：某工業(yè)鍋爐出現(xiàn)鍋爐大面積腐蝕穿孔泄漏事故，本文對(duì)這一情況進(jìn)行缺陷成因分析，初步判斷是水處理不當(dāng)，鍋爐結(jié)垢，造成沉積物下腐蝕，并提出缺陷預(yù)防措施及意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：沉積物下腐蝕 加藥不當(dāng) 缺陷成因分析

福建某企業(yè)的一臺(tái)DZG2-1.25-WⅡ型工業(yè)鍋爐，工作壓力為1.25Mpa，額定蒸發(fā)量為2t/h，固定爐排，燃料為Ⅱ類無(wú)煙煤。該鍋爐補(bǔ)給水是使用地表水，水源由于受污染長(zhǎng)期呈弱酸性，該鍋爐水處理形式采用鍋內(nèi)加藥，藥劑為燒堿、純堿，加藥方式粗獷，司爐工常一次性把整袋燒堿投入給水池；該鍋爐投用時(shí)尚未配備水處理化驗(yàn)人員，鍋爐運(yùn)行時(shí)未監(jiān)測(cè)鍋爐給水、鍋水水質(zhì)；該鍋爐因生產(chǎn)緊張常超負(fù)荷運(yùn)行，僅偶爾在低負(fù)荷時(shí)排污；季節(jié)性生產(chǎn)，停用階段沒(méi)有采取任何保護(hù)措施，每年開(kāi)工前會(huì)以人工機(jī)械方式清理垢渣。投入運(yùn)行15年，常發(fā)生爐管穿孔泄漏事故。

1 宏觀檢查

打開(kāi)鍋爐所有人手孔，對(duì)鍋爐內(nèi)部進(jìn)行了全面檢查，鍋爐內(nèi)部水垢1mm，邊角后管板管束區(qū)及鍋筒底部積存較多難以清除的堅(jiān)硬老垢；清除垢渣后發(fā)現(xiàn)鍋筒前下側(cè)、后管板中下側(cè)發(fā)現(xiàn)大面積垢下潰瘍型腐蝕坑，深約2mm-

5mm；煙管、壁管均發(fā)現(xiàn)大面積垢下潰瘍型腐蝕坑，深1mm-3mm，部分已穿孔泄漏；腐蝕部位有堅(jiān)硬的黑褐色腐蝕產(chǎn)物。整體腐蝕情況明顯是向火側(cè)、溫度高的高熱負(fù)荷區(qū)域腐蝕較明顯：鍋筒底部前方受幅射加熱區(qū)腐蝕明顯；水冷壁管明顯是向火側(cè)腐蝕更嚴(yán)重；高溫區(qū)進(jìn)口段煙管腐蝕明顯比低溫區(qū)更深；未受熱的下降管、集箱未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，前管板腐蝕也不明顯，經(jīng)壁厚檢測(cè)，僅稍有減薄，未發(fā)現(xiàn)較大減薄。

2 檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果

2.1 檢查該鍋爐鍋檢部門抽查的歷年水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告：給水PH值5.7～6.3；硬度為1.8～2.6mmol/L；濁度1.0～

1.3（FTU）；鍋水：pH值8～12.5；堿度0.28～28mmol/L；結(jié)果顯示給水長(zhǎng)期呈弱酸性，硬度較高；鍋水pH值，堿度波動(dòng)較大，但大多偏高，這與其粗獷的加藥方式有關(guān)。

2.2 對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析：腐蝕產(chǎn)物主要是鐵氧化物。

2.3 管樣化學(xué)成分分析：爐管管樣主要成分均正常，符合20，GB3087-2008的標(biāo)準(zhǔn)。（表1）

2.4 對(duì)割取的腐蝕部位爐管管樣進(jìn)行了顯微分析，發(fā)現(xiàn)其金相組織為索氏體+珠光體，具有帶狀趨向，晶粒度8～9級(jí)，從組織和夾雜物分布認(rèn)為是正常的。

3 缺陷成因分析

根據(jù)調(diào)查獲得水樣分析、垢樣分析、鍋爐加藥方式、鍋爐內(nèi)表面的腐蝕狀況和腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，排除材質(zhì)引起缺陷，初步判斷該鍋爐的腐蝕是以沉積物下濃縮堿腐蝕為主，而且還存在鐵垢引起的電化學(xué)腐蝕和氧腐蝕。

由于使用單位管理不善，未配備水處理人員，未作日常水質(zhì)化驗(yàn)及記錄，未根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)加藥，在鍋檢部門抽樣發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常提出：應(yīng)往給水箱中加入適量防垢藥劑，以提高給水pH值及鍋水酚酞堿度、全堿度和PH值，防止鍋爐結(jié)垢和腐蝕后才采取在給水箱中加入（NaOH+Na2CO3）措施，但加藥時(shí)間及用量都不均勻，加藥時(shí)司爐工常一次性把整袋燒堿投入給水池，再由水泵抽進(jìn)鍋爐，這種加藥方式極易造成鍋水pH值超標(biāo)，堿度過(guò)大（至少是短時(shí)超標(biāo)），再加上該鍋爐積垢較多且常處于超負(fù)荷狀態(tài)，使游離的氫氧化鈉濃縮到危險(xiǎn)的濃度（特別是受熱溫度較高的高熱負(fù)荷部位），造成沉積物下濃縮堿腐蝕，直至穿孔泄漏。

4 腐蝕破壞機(jī)理分析

4.1 氧腐蝕

由于該鍋爐未采用除氧裝置，造成含氧的給水進(jìn)入鍋爐而造成爐管發(fā)生氧腐蝕，使用鍋爐內(nèi)產(chǎn)生了大量的氧腐蝕產(chǎn)物。氧腐蝕產(chǎn)物是比較疏松、沒(méi)有保護(hù)性的鐵氧化物，它們的密度不足鋼鐵的1/2，因此突起成丘狀，堆積在腐蝕潰瘍處，從而導(dǎo)致了腐蝕部位內(nèi)外氧濃差電池的形成，使腐蝕得以繼續(xù)進(jìn)行下去。

在鍋爐停用期間，如果不采取保養(yǎng)措施，鍋爐汽水系統(tǒng)金屬內(nèi)壁會(huì)遭到溶解氧的腐蝕。因?yàn)殄仩t停止運(yùn)行后，外界空氣必然大量進(jìn)入汽水系統(tǒng)內(nèi)部，雖然鍋爐已經(jīng)放水，但管子內(nèi)壁往往因?yàn)槭艹倍街粚铀?，溶解水膜中的氧，很容易腐蝕此處的金屬材料，尤其當(dāng)停用鍋爐的管子內(nèi)壁附著沉積物或水渣時(shí)，更會(huì)加快腐蝕的進(jìn)程。

4.2 鐵垢引起的電化學(xué)腐蝕。該鍋爐自身腐蝕產(chǎn)物，且由于原水呈酸性，給水系統(tǒng)酸腐蝕嚴(yán)重帶入鐵腐蝕產(chǎn)物；加之停用階段沒(méi)有采取任何保護(hù)措施，也導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)形成了大量的未排出停用腐蝕產(chǎn)物Fe2O3。這些鐵腐蝕產(chǎn)物起陰級(jí)去極化劑的作用，在鍋爐運(yùn)行時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成的FeO和Fe2+一遇到氧，又被氧化成高價(jià)鐵氧化物，這樣只要存在氧，就會(huì)使腐蝕過(guò)程反復(fù)進(jìn)行下去，形成惡性循環(huán)。

4.3 沉積物下介質(zhì)濃縮酸堿腐蝕：當(dāng)鍋爐蒸發(fā)受熱面附著沉積物時(shí)，金屬管壁溫度升高，使?jié)B透在沉積物下面的鍋水急劇蒸發(fā)濃縮，導(dǎo)致各種雜質(zhì)濃度升高所造成的腐蝕。垢下腐蝕可能是堿性腐蝕，也可能是酸性腐蝕。主要取決于鍋水中所含的物質(zhì)以及鍋水的pH值。而該鍋爐鍋水波動(dòng)較大，兩種情況都可能發(fā)生。

正常條件下，鍋爐金屬表面有一層致密的Fe3O4保護(hù)膜，只有當(dāng)它受到破壞時(shí)金屬才發(fā)生腐蝕。在pH11～12范圍，保護(hù)膜最穩(wěn)定。在鍋水pH值較低時(shí)，當(dāng)有少量CaCl2和MgCl2進(jìn)入鍋爐時(shí)，就會(huì)水解產(chǎn)生HCl，由于受熱面表面有多孔沉積物存在，受熱面和介質(zhì)之間就會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度。生成的HCl由于沉積物的阻礙不易和鍋水混合均勻，導(dǎo)致沉積物下HCl的濃度越來(lái)越高，使腐蝕繼續(xù)進(jìn)行下去。這時(shí)可能鍋水的pH值是合格的，而腐蝕坑內(nèi)形成的閉塞區(qū)的pH值可能低于5，同時(shí)水中氯離子能破壞金屬表面保護(hù)膜的完整性，降低其擊穿電位，引發(fā)金屬的酸性腐蝕。

從水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果、鍋爐腐蝕狀況和腐蝕產(chǎn)物分析來(lái)看，該鍋爐是沉積物下濃縮堿腐蝕為主。由于該鍋爐堿腐蝕是指游離的氫氧化鈉對(duì)金屬的腐蝕。鍋爐水堿度或pH偏高時(shí)，在高熱負(fù)荷部位由于沉積物下水流不暢或發(fā)生核態(tài)沸騰造成堿濃度過(guò)高發(fā)生堿腐蝕。濃縮堿的存在將損壞四氧化三鐵保護(hù)膜，造成金屬以光滑起伏刨槽形式的腐蝕，它的深度是濃度和金屬與堿接觸時(shí)間的函數(shù)。在常溫下，只有當(dāng)氫氧化鈉濃度高于30%時(shí)，才會(huì)因?yàn)殇撹F表面氧化膜的溶解而引起腐蝕。但在鍋爐的高溫高壓力條件下，鍋水中含有5～10%的氫氧化鈉，也能使鋼鐵發(fā)生較強(qiáng)烈堿腐蝕。鍋爐在運(yùn)行正常的情況下，是不會(huì)造成堿腐蝕的，即使pH=13，鍋水中相當(dāng)于NaOH含量也不過(guò)0.5%左右，碳鋼在這樣濃度的堿濃液是非常穩(wěn)定的。發(fā)生堿腐蝕原因是由于碳鋼的局部發(fā)生了堿的濃縮，使氫氧化鈉達(dá)到危險(xiǎn)的濃度，這時(shí)鋼鐵表面的保護(hù)膜四氧化三鐵首先和濃NaOH反應(yīng)，隨后其下的基體金屬鐵也和NaOH反應(yīng)，產(chǎn)生鐵酸鈉和亞鐵酸鈉。而這兩種物質(zhì)又可與滲入的鍋水發(fā)生水解反應(yīng)，生成氧化鐵和氧化亞鐵腐蝕產(chǎn)物和NaOH，后者又繼續(xù)腐蝕金屬，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程并不消耗NaOH，使腐蝕一直繼續(xù)下去。堿性腐蝕一般具有局部性的特性，呈現(xiàn)小溝槽或不規(guī)則的潰瘍型。堿腐蝕的作用，主要是溶解鋼鐵表面的氧化膜，使其表面失去作用，從而創(chuàng)造了腐蝕過(guò)程連續(xù)發(fā)生的可能性。同樣，發(fā)生這種腐蝕時(shí)，檢測(cè)鍋水的堿度和pH值很難發(fā)現(xiàn)局部的高濃度堿。

5 缺陷預(yù)防或監(jiān)控措施及意見(jiàn)

根據(jù)GB/T1576-2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：額定蒸發(fā)量小于或等于4t/h，且額定蒸汽壓力小于或等于1.3Mpa的自然循環(huán)蒸汽鍋爐、對(duì)水汽質(zhì)量無(wú)特殊要求的汽水兩用鍋爐、額定功率小于或等于4.2MW非管架工承壓的熱水鍋爐，均可采用單純鍋內(nèi)加藥水處理。該使用單位鍋爐符合要求，允許采用鍋內(nèi)加藥水處理，但鍋內(nèi)加藥量是需要科學(xué)計(jì)算，加藥方式要符合要求。鍋內(nèi)加藥處理藥劑用量的確定通常分兩種，一是根據(jù)原水的硬度、堿度和鍋水需維持的堿度、鍋爐排污率等參數(shù)，并按化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的量進(jìn)行計(jì)算確定，二是按實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)用量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)TSG G5001-2010《鍋爐水（介）質(zhì)處理監(jiān)督管理規(guī)則》規(guī)定：鍋爐使用單位應(yīng)當(dāng)結(jié)合本單位實(shí)際情況，明確崗位職責(zé)，建立健全水（介）質(zhì)處理管理制度并且嚴(yán)格執(zhí)行，確保水（介）質(zhì)的質(zhì)量符合要求。鍋爐使用單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)鍋爐的數(shù)量、參數(shù)、水源情況和水處理方式等配備相應(yīng)的鍋爐水處理作業(yè)人員。鍋爐使用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)水汽質(zhì)量定期進(jìn)行常規(guī)化驗(yàn)分析。該使用單位長(zhǎng)期對(duì)水處理工作不重視，未配備水質(zhì)化驗(yàn)人員，未作水質(zhì)分析及記錄，長(zhǎng)期任由司爐工隨意加藥。此次鍋爐因水處理不當(dāng)出現(xiàn)鍋爐腐蝕損壞，損失較大，須引起企業(yè)對(duì)水處理作業(yè)重視，培訓(xùn)水質(zhì)化驗(yàn)人員，作好水質(zhì)化驗(yàn)工作，合理加藥，科學(xué)排污，選擇合適的鍋爐停爐保養(yǎng)措施，清除水垢，避免同類事故的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：章振華（1981-），男，福建龍巖人，福州大學(xué)在讀工程碩士，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道等承壓類特種設(shè)備監(jiān)督、檢驗(yàn)工作。