工業(yè)鍋爐氧腐蝕分析

趙興杰 程 超

（安徽省特種設(shè)備檢測院，安徽 合肥 230000）

0 引言

工業(yè)鍋爐受熱面的氧腐蝕是日常檢驗工作中經(jīng)常遇到的一種鍋爐腐蝕形式。鍋爐氧腐蝕引起的鍋爐損傷不僅會增加鍋爐使用單位的運行維護成本，還會影響使用單位的正常生產(chǎn)活動，最重要的是，氧腐蝕造成的承壓部件的損壞還會嚴重威脅鍋爐的安全運行。因此，對工業(yè)鍋爐受熱面的氧腐蝕應(yīng)予以足夠的重視，并在日常使用中加強預防管理措施，減少鍋爐氧腐蝕事故的發(fā)生。對于已經(jīng)發(fā)生氧腐蝕損傷的鍋爐，首先應(yīng)對缺陷進行評估以確定氧腐蝕的損傷程度是否能維持鍋爐安全運行，從而判斷是否需要進一步對缺陷進行消除或者對鍋爐進行修理。

本文針對一起鍋爐氧腐蝕檢驗案例，根據(jù)鍋爐的具體情況，從多個方面入手，基于鍋爐發(fā)生氧腐蝕的機理，對導致鍋爐氧腐蝕的因素進行分析，查明造成氧腐蝕的原因，并提出了針對性的整改意見，對在今后的鍋爐檢驗工作中遇到氧腐蝕相關(guān)情況的原因分析和處理具有一定的參考意義。

1 鍋爐氧腐蝕案例

在對某單位一臺WNS2-1.25-Y（Q）型鍋爐進行內(nèi)部檢驗時，檢驗人員發(fā)現(xiàn)在爐后側(cè)水空間的鍋爐二回程煙管和后煙管板上存在大量腐蝕現(xiàn)象，腐蝕形態(tài)為表面呈黃褐色鼓包，在對鼓包部位表層進行清除后，發(fā)現(xiàn)鼓包里層為黑色粉末的坑狀腐蝕（圖1），腐蝕深度1～1.5 mm，腐蝕坑最大半徑約20 mm。根據(jù)腐蝕形態(tài)的特點來看，該腐蝕為典型的鍋爐受熱面氧腐蝕。為進一步確定腐蝕形態(tài)，定性分析腐蝕產(chǎn)物的成分，檢驗人員將粉末狀腐蝕產(chǎn)物帶回實驗室進行化驗分析，分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物中主要成分為鐵的氧化物和氯化物。結(jié)合腐蝕形態(tài)和腐蝕產(chǎn)物成分進行綜合判斷，可以進一步確認該腐蝕為受熱面氧腐蝕。

圖1 煙管腐蝕圖（凹坑形態(tài)）

2 鍋爐氧腐蝕機理

為防止鍋爐氧腐蝕的進一步惡化，查找出鍋爐發(fā)生氧腐蝕的原因，首先應(yīng)該清楚鍋爐發(fā)生氧腐蝕的機理。工業(yè)鍋爐氧腐蝕屬于電化學腐蝕[1]，工業(yè)鍋爐多以低碳鋼為材質(zhì)，其承壓部件浸潤在工質(zhì)鍋水中，由于鍋水中溶解有酸、堿和鹽類等物質(zhì)，所以鍋水是一種有極性的電解質(zhì)。

在極性電解質(zhì)溶液中氧和鐵共同形成腐蝕電池，分為兩個電極；在這個腐蝕電池中，由于氧的電極位比鐵高，因此鐵作為負極失去電子而遭到腐蝕，氧作為去氧化劑得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，其中溶解氧起陰極去極化作用。

由此反應(yīng)所產(chǎn)生的腐蝕稱為氧去極化腐蝕，簡稱為氧腐蝕，具體腐蝕機理[2]如下：

陽極：Fe-2e→Fe2+；

陰極：1/2O2+H2O+2e→2OH-。

反應(yīng)生成的亞鐵離子Fe2+與水中的OH-反應(yīng)生成不穩(wěn)定的Fe（OH）2，繼續(xù)與水中溶解的氧反應(yīng)生成穩(wěn)定的Fe（OH）3和Fe3O4，具體反應(yīng)如下：

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

2Fe（OH）2+1/2O2+H2O→2Fe（OH）3

Fe（OH）2+2Fe（OH）3→Fe3O4+4H2O

根據(jù)具體的氧腐蝕機理的反應(yīng)方程式可以發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣濃度增大，反應(yīng)朝向右的正反應(yīng)方向進行，氧氣濃度越大腐蝕速率越高，兩者成線性關(guān)系，因此鍋爐內(nèi)部存在氧氣是鍋爐發(fā)生氧腐蝕的重要條件，鍋爐的工質(zhì)也就是水溶液中的含氧量高低直接決定著鍋爐發(fā)生氧腐蝕速度的快慢。另外，鍋爐的氧腐蝕與鍋水的pH值有著密切的關(guān)系，當鍋水pH值小于10時，極易發(fā)生氧腐蝕，pH值在10～12，鍋爐的氧腐蝕就會減緩[3]。溶液在較高的pH值下氧腐蝕反應(yīng)受到抑制，可以看出，鍋水較低的pH值為氧腐蝕的發(fā)生提供了必要的反應(yīng)環(huán)境條件。因此，為有效減緩甚至阻止鍋爐氧腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，應(yīng)降低鍋水的含氧量，使pH值維持在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。

3 鍋爐氧腐蝕原因分析

在對鍋爐氧腐蝕的影響因素進行分析時，依據(jù)氧腐蝕發(fā)生的機理，從有利于氧腐蝕發(fā)生的條件出發(fā)查找出氧腐蝕的原因。導致鍋爐發(fā)生氧腐蝕的原因有很多種，并且多數(shù)情況下氧腐蝕的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果；無論是何種因素造成了鍋爐氧腐蝕的發(fā)生，都無法脫離氧腐蝕機理。

因此，要查明鍋爐發(fā)生氧腐蝕的原因，就要以鍋爐氧腐蝕的機理為依據(jù)，結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)、各系統(tǒng)的布置形式以及使用管理等具體情況來分析。

本文根據(jù)檢驗案例中鍋爐的具體情況，從鍋爐水質(zhì)、鍋爐水處理系統(tǒng)布置及供水方式、運行管理情況等方面分析了造成鍋爐氧腐蝕的原因，并闡述了這些因素對鍋爐氧腐蝕的影響。

3.1 鍋爐水質(zhì)狀況分析

由鍋爐近期的水介質(zhì)檢測結(jié)果（表1）可知，鍋水的總堿度為1.4，pH值為7.8，二者均低于現(xiàn)行標準《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T 1576—2018）[4]所要求的范圍。由鍋爐受熱面氧腐蝕機理可知，當鍋水pH值和堿度較低時會促進氧的去極化反應(yīng)，另外較低的鍋水pH值也不利于氧化膜的抗腐蝕性能。因此該鍋爐的水質(zhì)狀況不滿足要求，較低的pH值和堿度為鍋爐氧腐蝕的發(fā)生提供了必要條件，應(yīng)加強水質(zhì)監(jiān)督工作，保證鍋水滿足GB/T 1576—2018相關(guān)要求。

表1 鍋水分析結(jié)果部分項目表

3.2 鍋爐供水系統(tǒng)和運行管理分析

鍋爐水處理系統(tǒng)的布置方式以及鍋爐的運行管理都是影響鍋爐安全狀況的重要因素，應(yīng)予以重視。經(jīng)過對鍋爐整個系統(tǒng)的查看，該鍋爐的水處理及供水系統(tǒng)布置形式如圖2所示，結(jié)合對鍋爐運行日志的檢查，同時與鍋爐運行人員現(xiàn)場交流后發(fā)現(xiàn)，該鍋爐的供水系統(tǒng)布置形式和日常使用管理都是造成鍋爐氧腐蝕的重要原因。下面從不同的方面對這些因素進行分析求證。

圖2 鍋爐給水系統(tǒng)圖

（1）該鍋爐采用的是鍋外水處理系統(tǒng)，以自來水為原水，原水經(jīng)離子交換器軟化處理后生成的軟化水從水箱頂部注入給水箱，通過浮球來控制水位，軟化水注入水箱的水管懸于水箱上部，且水管出口高于水箱水面，因此在軟化水注入水箱的過程中會卷入額外的空氣，從而增加水箱中軟化水的氧含量。軟化水箱中的水作為鍋爐給水經(jīng)給水泵直接注入鍋爐內(nèi)部，增加了鍋爐內(nèi)部的氧氣含量，從而為氧腐蝕的發(fā)生提供了氧氣條件。

（2）經(jīng)過和鍋爐運行人員交流，了解到鍋爐正常使用期間每周運行兩到三天，僅為白天運行，且一般會在鍋爐水位較低狀態(tài)下直接熄火停爐，并關(guān)閉分氣缸上的主蒸汽進氣閥門，鍋爐汽空間容積較大，經(jīng)過一夜時間的冷卻后，隨著壓力的降低會在鍋爐汽空間形成負壓，使水箱內(nèi)氧含量較高的軟化水經(jīng)給水管道和單向閥直接被倒吸到鍋爐內(nèi)，增加了爐水中的氧含量，為氧腐蝕提供了氧氣條件。

（3）在上個檢驗周期內(nèi)，受生產(chǎn)因素的影響，該鍋爐存在短期停爐現(xiàn)象，在停爐期間鍋爐處于半滿水的閑置狀態(tài)，沒有根據(jù)停爐需要有計劃地采取干法保養(yǎng)或者濕法保養(yǎng)等任何保養(yǎng)措施，因此在停爐期間通過管道閥門等進入鍋爐內(nèi)部空間的氧氣溶于水后與鍋爐發(fā)生氧腐蝕反應(yīng)。

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐的水質(zhì)條件特別是較高的氧含量給氧腐蝕的發(fā)生提供了必要的環(huán)境條件；水處理系統(tǒng)的供水方式、鍋爐的使用情況以及司爐人員的日常運行操作習慣都是造成鍋爐給水氧含量較高的原因；同時在鍋爐的日常管理工作中，停爐期間的維護保養(yǎng)不到位等相關(guān)因素共同作用導致了鍋爐氧腐蝕的發(fā)生。

4 防范措施

要防范鍋爐氧腐蝕，須根據(jù)工業(yè)鍋爐型號、參數(shù)、運行特性等，在兼顧鍋爐運行經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上制訂相應(yīng)的防范措施。依據(jù)鍋爐氧腐蝕機理，相應(yīng)措施一方面應(yīng)能減少鍋爐給水的溶氧量，另一方面應(yīng)盡量避免鍋水中促進氧腐蝕發(fā)生的環(huán)境，同時還要結(jié)合該鍋爐運行周期做好停爐保養(yǎng)工作。

在本案例中，根據(jù)實際情況，具體采取以下幾點措施減少氧腐蝕的發(fā)生：

（1）加強水質(zhì)監(jiān)督工作，通過合理加藥配合排污嚴格控制鍋水pH值和堿度等，確保鍋爐水質(zhì)滿足GB/T 1576—2018的相關(guān)要求，避開氧腐蝕發(fā)生的水質(zhì)環(huán)境條件。

（2）更換水箱的浮球控制裝置，比如采用電磁控制閥的型式保證制水設(shè)備出來的軟水從水箱水面以下位置注入，減少水箱中軟化水的氧含量，降低鍋爐給水氧含量。

（3）鍋爐日常使用過程中盡量提高鍋爐的停爐水位，再次啟動時，先打開放空閥，隨著鍋爐壓力升高排出鍋爐內(nèi)的空氣后再關(guān)閉閥門，這樣一方面可以縮小鍋爐內(nèi)部汽空間容積，減小因為降溫后的壓差而被吸入到鍋爐內(nèi)部的空氣量，另一方面又能在熱力的作用下釋放出鍋水中溶解的氧氣，通過排氣閥排向鍋爐外部，從而降低鍋爐內(nèi)部含氧量。

（4）為減輕鍋爐運行期間的氧腐蝕，根據(jù)該鍋爐的型號和運行參數(shù)低等特點，可采用化學除氧的方式，建議采用亞硫酸鈉除氧[5]，同時配合好排污工作。

（5）加強鍋爐的停爐保養(yǎng)工作。根據(jù)鍋爐停爐時間長短采取相應(yīng)的保養(yǎng)措施，同時多注意閥門等細節(jié)問題，保證停爐期間閥門的嚴密性，防止空氣滲入爐內(nèi)。

5 結(jié)語

鍋爐氧腐蝕作為一種常見的工業(yè)鍋爐損傷模式，嚴重危害了鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，因此，無論是設(shè)計制造、安裝改造、使用管理環(huán)節(jié)，還是檢驗檢測環(huán)節(jié)都應(yīng)予以重視。設(shè)計和安裝時應(yīng)盡量避免能促進氧腐蝕發(fā)生的條件，在使用管理中對于已經(jīng)發(fā)生的氧腐蝕要根據(jù)鍋爐的具體情況進行具體分析，查明并消除造成氧腐蝕的因素，確保鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。