空氣預熱器搪瓷管腐蝕失效分析

湯志新

（江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214074）

0 引言

空氣預熱器是鍋爐行業(yè)重要的熱交換及節(jié)能設備，不僅能降低排煙溫度從而提高鍋爐熱效率，同時熱空氣助燃能夠穩(wěn)定燃燒[1]。然而，低溫腐蝕是空氣預熱器管容易產生的失效現(xiàn)象[2]。為提高空氣預熱器管子的耐腐蝕性能，在管子外壁涂敷耐腐蝕性能高的非金屬涂層技術得到了較快的發(fā)展[3]，如搪 瓷[4]、石墨[5]等。搪瓷具有較好的耐高溫、耐磨損及耐酸腐蝕性能，同時能減少積灰腐蝕，在鍋爐及石化行業(yè)等有廣泛的應用[6]。如何更好地利用搪瓷減少空氣預熱器管的低溫腐蝕，是搪瓷行業(yè)的熱門話 題[7]，搪瓷涂層的腐蝕失效分析[8]對搪瓷技術的理論研究和制造技術發(fā)展有著重要的作用。

1 樣品資料

1.1 樣品外觀與使用背景

某空氣預熱器搪瓷管投入運行三個月左右發(fā)生腐蝕失效，現(xiàn)場截取典型樣品，如圖1、圖2所示。

圖1 試樣外表面形貌

圖2 試樣內表面形貌

搪瓷管材質：Q235，規(guī)格：40×1.5mm，按UG0170《管式空氣預熱器技術條件》制造與驗收，搪瓷厚度300±20um，表面質量符合要求，耐電壓試驗、耐腐蝕測試、粘合度測試合格。使用環(huán)境 如下：

溫度：進口煙溫184℃，出口煙溫：136℃

進口風溫30℃，出口風溫：123℃

鍋爐設計燃料：蘭炭尾氣，成分：H2：23.5；N2：41.7；O2：0.92；CO：13.48；CO2：12.92；CH4：6.37；C2H4：1.11；熱值：1714kcal/Nm3；含水：366g/Nm3，尾氣主要雜質為氮氧化物、H2S等。

1.2 宏觀形貌

宏觀形貌顯示：兩根空氣預熱器搪瓷管樣品表面未腐蝕區(qū)域搪瓷涂層均勻，無明顯色差，無裂紋及剝落現(xiàn)象。用戶反映使用環(huán)境溫度無急劇變化情況，排除搪瓷釉涂層制造缺陷或急劇溫度變化導致的開裂。

管壁外側有多處明顯圓形腐蝕凹坑，生成白色腐蝕產物，腐蝕凹坑處搪瓷剝落，部分已經(jīng)貫穿管壁。將試樣管剖開可見試樣內壁光滑，無明顯氧化腐蝕現(xiàn)象。由此可見，搪瓷管的腐蝕失效是由外向內的發(fā)展過程，搪瓷釉涂層失效后，基體碳鋼材料進而遭到腐蝕。

2 試驗過程

在搪瓷管腐蝕未穿管區(qū)域割取10×10mm樣品，用丙酮擦拭銹蝕等污染物，置于干燥器皿中備用。

根據(jù)JY/T 0584-2020《掃描電子顯微鏡分析方法通則》[9]，用掃描電子顯微鏡Verios XHR SEM（FEI）觀察樣品腐蝕區(qū)域微觀形貌。

取腐蝕點表面灰白色沉積物，按照DL/T 1151.15-2012《水溶性垢待測試液的制備》[10]處理樣品，用離子色譜分析儀ICS-1100、鈉離子分析儀honeywell 2130和滴定法測定水溶性物質pH、鈉離子及主要陰離子。

根據(jù)GB/T 17359-2012 《微束分析 能譜法定量分析》[11]，用X射線電子能譜儀ESCALAB 250Xi（Thermo Fisher Scientific）分析腐蝕樣品中各元素成分及含量。

3 結果與分析

3.1 SEM分析

由圖3腐蝕位置的掃描電鏡SEM圖片可見，搪瓷管樣品基體碳鋼材料晶界已被破壞，腐蝕形貌為均勻腐蝕，表面附有疏松腐蝕產物，呈塊狀脫落。

圖3 腐蝕處掃描電鏡圖樣

樣品的腐蝕形貌與常見的低溫腐蝕[3]有較大區(qū)別，一般的低溫腐蝕管子外側呈現(xiàn)全面均勻的腐蝕，本樣品有許多點蝕發(fā)展而成的穿孔，同時腐蝕時間較快，腐蝕程度更加嚴重。

3.2 水溶性物質分析

由表1水溶性物質分析結果表明：搪瓷管表面灰白色腐蝕產物中F離子含量為1.73%，Cl離子含量為4.83%，硫酸根離子含量為52.13%。搪瓷涂層具有較好的耐酸腐蝕性能和熱穩(wěn)定性，但搪瓷不耐氫氟酸及含有氟離子溶液的腐蝕。鍋爐設計燃料為蘭炭尾氣，S、Cl、F等雜質元素含量較高，燃燒后生成的有害氣體和煙氣中水蒸汽結合，使煙氣露點溫度大為升高，可達130～150℃。含有S、Cl、F元素的煙氣經(jīng)空氣預熱器管的低溫受熱面，受熱面搪瓷管壁溫低于酸性煙氣的露點時，在搪瓷管表面形成酸露。酸露中的F離子對主要成分為SiO2的搪瓷層產生破壞：

表1 水溶性物質分析結果

搪瓷層表面產生全面均勻的凹坑，產物SiF4極不穩(wěn)定，在高溫煙氣環(huán)境中易汽化，在腐蝕產物中極少殘留。

搪瓷涂層遭到破壞后，酸露中的硫酸、鹽酸進一步腐蝕碳鋼基體，造成管子的低溫腐蝕，形成小孔狀的腐蝕凹坑，孔蝕逐漸發(fā)展最終造成管子穿孔失效。酸露腐蝕產生的硫酸鐵、氯化鐵在高溫煙氣中逐漸氧化，最終形成S、Cl含量較高的鐵氧化物的腐蝕產物。

3.3 能譜分析

由圖4及表2腐蝕產物的能譜分析可知，腐蝕產物中含有O、Si、S、Cl、Fe等元素，其中S元素含量為1.94%，Cl元素含量為2.11%,只含有極少量的Si。搪瓷釉主要成分為二氧化硅（SiO2），而腐蝕產物中Si含量極少，說明搪瓷層遭到破壞后，形成易分解產物SiF4經(jīng)高溫煙氣帶走，只殘留極少量的Si在腐蝕產物中。

表2 腐蝕產物元素含量

圖4 腐蝕產物能譜分析

腐蝕產物主要成分為S、Cl含量較高的鐵氧化物，說明腐蝕產物是基體碳鋼材料遭S、Cl腐蝕后 形成。

4 結語

空氣預熱器搪瓷管腐蝕失效是由F、S、Cl等雜質元素含量較高的高溫煙氣造成，煙氣中F元素破壞表面搪瓷涂層后，S、Cl進一步造成基體碳鋼材料低溫腐蝕。

采用吸附法或者沉淀法對煙氣做去氟處理[12]，采用燃料脫硫、加入添加劑減少煙氣中S、Cl含 量[13]，降低煙氣的露點溫度，能更好的發(fā)揮搪瓷管的性能，提高鍋爐的熱效率。