論水質(zhì)狀況與WNS型工業(yè)鍋爐煙管腐蝕的關(guān)系

孔妍，宮杰，安婭琳

（1.濟寧市特種設(shè)備檢驗研究院，山東 濟寧 272000；2.濱州市特種設(shè)備檢驗研究所，山東 濱州 255600）

近年來，基于我國持續(xù)強化環(huán)保督查工作，燃煤鍋爐逐步淘汰掉，燃氣或燃生物質(zhì)鍋爐逐步取代燃煤鍋爐。燃氣鍋爐的特點是環(huán)保清潔、能效值高、方便控制等，從而在工業(yè)生產(chǎn)中得以普遍地應(yīng)用，其中非常普遍的一種燃氣鍋爐是WNS型鍋爐。本文根據(jù)腐蝕原理并結(jié)合鍋爐運行狀況，對水質(zhì)狀況與WNS鍋爐煙管腐蝕的關(guān)系進行了詳細分析。

1 WNS型鍋爐的構(gòu)造特點

相較其他水管鍋爐，WNS型鍋爐的優(yōu)勢是：（1）構(gòu)造緊湊，一系列部件具備較高的集成化水平；（2）爐內(nèi)水容量空間相對較大，能適應(yīng)的負荷范圍廣；（3）多采用螺紋式煙管等新型煙管，提高了傳熱水平；（4）爐膽中實施微正壓燃燒，設(shè)計的爐膽空間與構(gòu)造方便燃氣和人燃油。對于WNS 型燃氣和燃油鍋爐，具備世界先進制造水平的是日本、德國、英國等，我國這種型號的鍋爐發(fā)展起步晚，近年來進行優(yōu)化、仿制、引進后，固有的產(chǎn)品技術(shù)水平不斷提升。

2 金屬的腐蝕

金屬腐蝕是指金屬因為電化學(xué)作用或外部介質(zhì)的化學(xué)作用而導(dǎo)致的破壞過程。結(jié)合腐蝕機理能夠劃分金屬腐蝕為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。根據(jù)腐蝕的形式能夠劃分為局部腐蝕和全面腐蝕。工業(yè)鍋爐常見的腐蝕種類是苛性脆化、酸腐蝕、氧腐蝕、垢下腐蝕、堿腐蝕等。縱觀鍋爐受壓元件的腐蝕情況而言，其火側(cè)主要是化學(xué)腐蝕，其水側(cè)主要是電化學(xué)腐蝕。

鐵受水中溶解氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕的一種。因為鍋爐并非純鐵材料的金屬壁，雜質(zhì)在其中存在，為此，電位差會形成于雜質(zhì)與純鐵之間，純鐵位置屬于陽極，鍋水中持續(xù)溶解鐵；雜質(zhì)位置屬于陰極，鍋水中的H+等離子跟電子結(jié)合而持續(xù)除去，形成微電池（腐蝕電池）。在電化學(xué)腐蝕時，如果陽極聚集腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致金屬表面狀態(tài)出現(xiàn)改變，那么金屬離子到達溶液發(fā)生困難，要么不可以迅速排走陰極反應(yīng)物，陰極集聚電子，從而減少兩極間的電位差，這種情況下的腐蝕較為緩慢，如此的情況被叫作極化。因為極化影響，所以能夠使腐蝕停止。然而，依舊存在嚴重的電化學(xué)腐蝕，這是由于易于接受電子的物質(zhì)存在溶液中，體現(xiàn)消極陰極極化的效果，如此的效果被叫作去極化。而可以體現(xiàn)去極化效果的物質(zhì)即去極劑，常見的去極劑如水中溶解氧。

為此，當存在如此的去極化劑（溶解氧類）時，會加劇電化學(xué)腐蝕，從而使金屬以較快的速度腐蝕。

金屬表面發(fā)生腐蝕時，形成一些小鼓皰，其直徑為一毫米到幾十毫米。在深度與直徑基本相同的情況下，被叫作點腐蝕；而潰瘍型腐蝕即深度小于直徑的情況；針孔型腐蝕即深度大于或顯著大于直徑的情況。鼓皰表面屬于紅褐色，其次層為粉末狀黑色物質(zhì)，這都屬于腐蝕產(chǎn)物。在清除這一系列腐蝕產(chǎn)物后，一凹坑形成于下部。在腐蝕產(chǎn)物的最深層屬于黑色層，其緊靠金屬表面。不同的腐蝕產(chǎn)物的顏色存在差別，其組成也各不相同。

3 WNS型工業(yè)鍋爐煙管腐蝕原因分析

3.1 氧腐蝕

對于長時間運行的鍋爐而言，其常常處于的一種狀態(tài)即運行與熱備用交替。當鍋爐正常使用的過程中，隨著不斷提升的鍋水溫度，其溶解氧含量水平下降，并且不斷將氧氣等氣體析出。同時，鍋水上升會夾持氧氣運行于高處，由于流速較快，因此不容易停留。而在熱備用的狀態(tài)之下，鍋水的狀態(tài)一直是停滯的，金屬表面水膜層會吸附一部分鍋水的溶解氧，鍋水的運行暫停，氧則更易吸附在煙管，進而加速腐蝕煙管，其中氧腐蝕的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

上述反應(yīng)即為氧腐蝕，產(chǎn)生的Fe2+在水中進行二次反應(yīng)，公式為：

另外，對于運行中的鍋爐而言，水渣和水垢以及鐵的腐蝕產(chǎn)物較易沉積在水平布置的煙管表面，并且加速了腐蝕過程。這是因為沉積物在煙管表面，沉積物下的金屬面難以進行供氧，從而使陽極形成，而沒有覆蓋沉積物的金屬表面形成腐蝕電池，即陰極。

3.2 堿腐蝕

堿腐蝕即游離的氫氧化鈉腐蝕金屬。當常溫時，氫氧化鈉保持為至少30%的濃度才更易腐蝕鋼鐵表面氧化膜。堿腐蝕的目的在于將鋼鐵表面的氧化膜迅速地溶解掉，從而使其表面的保護效果喪失，最終使不間斷形成腐蝕過程的可能大大增加。當鋼鐵表面養(yǎng)護膜跟氫氧化鈉反應(yīng)的情況下，可溶性亞鐵酸鹽形成，基于高溫條件下分解為磁性的四氧化三鐵（磁性的），且將氫氣放出。其反應(yīng)為。

如此的過程持續(xù)循環(huán)，沒有減小氫氧化鈉的濃度，且持續(xù)腐蝕了煙管外壁的金屬，從而使一些皿狀腐蝕坑形成。并且，腐蝕產(chǎn)物還會逐層往上生長，這樣一來，最終的蘑菇突起形成。

3.3 氯離子的影響

軟化水在鍋爐中一般要濃縮15～20倍，即鍋水中Cl-含量正常應(yīng)為3100～4200mg/L，然而，氯離子含量很高時極易造成鍋爐小孔腐蝕。小孔腐蝕的機理是：金屬表面不均勻地分布氧化膜，水中氯離子屬于活性陰離子成分，其可以優(yōu)先選擇在較為薄弱的氧化膜上吸附，以及還原破壞掉氧化膜，這樣小蝕孔可以形成于新露出的金屬表面，即FeCl3的水解后生成的小蝕孔。孔內(nèi)金屬表面狀態(tài)是活化的，電位較負，是陽極；蝕孔外的表面狀態(tài)也屬于鈍化的，電位較正，屬于陰極。孔內(nèi)反應(yīng)式是

孔內(nèi)外組成一個微電偶腐蝕電池。該電池大陰極，小陽極，陽極電流密度大，所以蝕孔加深速度很快。鍋水呈弱堿性，孔外的主要反應(yīng)式是

OH-與擴散出來的Fe2+，在孔口形成二次腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2，與鍋水中氧氣繼續(xù)反應(yīng)生成Fe(OH)3沉淀。這種情況下，孔內(nèi)的介質(zhì)鐵離子逐步降低濃度，然而，氯離子保持不變的濃度。

OH-離子濃度變小，H+濃度變大，孔內(nèi)酸度增加，加速了陽極溶解速度，再者受到介質(zhì)重力制約，蝕孔進一步向縱深發(fā)展?；诟g的發(fā)展，孔口介質(zhì)的pH值不斷增加，水中Ca(HCO3)2轉(zhuǎn)化為CaCO3和銹層共同在孔口沉積，形成一個閉塞電池。如此，孔內(nèi)外物質(zhì)愈加難以進行交換，加劇了氯化鐵濃縮和水解效果，進一步加速了陽極溶解速度，從而造成煙管穿孔泄漏。

3.4 pH值的影響

煙管氧腐蝕加速的一個因素是鍋水pH值不達標。氧腐蝕速度受到pH值的顯著影響，需要控制給水pH值至少為7；控制鍋水pH值為10～12，這樣保護膜能夠形成于金屬表面，試驗證實能夠很好地防范氧腐蝕以及實現(xiàn)氧腐蝕速度的減緩，如果在缺氧的時候，那么腐蝕即暫停；如果存在氧，那么會顯著減小氧腐蝕速度。如果給水的pH值在7以下，那么保護膜不易形成，以及當鍋水pH值在12以上，那么堿性溶液中會溶解保護膜，從而使氧腐蝕速度加快。

3.5 鍋爐運行工況的影響

煙管氧腐蝕加速的另一個因素是鍋爐運行情況失穩(wěn)。熱荷載可以推動氧腐蝕，基于高熱荷載下，形成于煙管金屬表面的蒸汽泡會破壞保護膜，并且基于逐步增加熱荷載的影響下，鐵的電極電位降低，這都會使氧腐蝕的速度加快。一些企業(yè)的熱荷載需要不是非常穩(wěn)定，并且司爐工難以對荷載的改變情況進行有效管控，然而，為了實現(xiàn)荷載需求，其常常違規(guī)進行操作，從而造成低壓力運行和高蒸發(fā)量運行的情況形成于鍋爐運行中，從而使煙管氧腐蝕的速度加快。

煙管的受熱面擔負了大部分的WNS型鍋爐的荷載，鍋爐荷載增加的情況下，鍋水愈加強烈蒸發(fā)。上游高溫螺紋煙管（處在煙氣流程）的工作溫度僅低于爐膽和回燃室管孔區(qū)，強烈的熱交換導(dǎo)致鍋水迅速增加濃度，提升了鍋水挾帶的溶解氧的濃度。在爐膽周圍密集排列高溫煙管，且很多煙管一起作用，這使鍋水濃縮加劇。螺紋煙管外表面的螺紋內(nèi)金屬有幾何形狀突變，基于高溫煙氣的強烈沖刷影響，具備較高的溫度與熱荷載，易聚集并濃縮鍋水，形成電化學(xué)腐蝕條件。

3.6 停爐維護不當

鍋爐停爐后，維護保養(yǎng)不當或不保養(yǎng)是煙管產(chǎn)生氧腐蝕的重要原因。鍋爐用戶在停爐后不進行保養(yǎng)維護造成的，因為運行幾年后的鍋爐密封性和閥門較易泄漏，從而導(dǎo)致鍋筒中進入很多空氣，導(dǎo)致煙管的氧腐蝕。