承壓鍋殼鍋爐煙管氧腐蝕穿孔的成因與預(yù)防

付 磊

（北京市海淀區(qū)特種設(shè)備檢測所 北京 100083）

目前燃?xì)忮仛な藉仩t是海淀區(qū)承壓工業(yè)用鍋爐的主要形式，該鍋爐使用中煙管的腐蝕是最常見的問題之一。本文通過一起煙管腐蝕穿孔事故，分析其腐蝕產(chǎn)生的原因，并探討預(yù)防和解決的方法，以最大限度地降低煙管的腐蝕程度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。

1 煙管水側(cè)氧腐蝕問題的提出

隨著社會(huì)的發(fā)展和北京市對環(huán)保要求的提高，海淀區(qū)現(xiàn)有的承壓工業(yè)鍋爐基本以燃?xì)忮仛ゅ仩t為主。相對于燃煤和燃油鍋爐，該型鍋爐有節(jié)能環(huán)保、熱效率高、體積小的特點(diǎn)。在其運(yùn)行中，煙管水側(cè)的氧腐蝕是導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)的問題之一。而根據(jù)美國電力研究院的相關(guān)研究[1]，見表1，鍋爐因?yàn)楦g造成的爆管事故占了較大部分。其中煙管水側(cè)氧腐蝕比較常見，有些煙管上有泥污和水垢覆蓋后，氧腐蝕情況更不容易發(fā)現(xiàn)和確定，尤其是局部的煙管因氧腐蝕穿孔后，給鍋爐的安全運(yùn)行埋下了隱患。本文針對此問題，查找其形成的原因，并探討解決方法。

表1 美國電力研究院鍋爐爆管機(jī)理分類

2 樣例分析

2.1 氧腐蝕穿孔案例

該鍋爐為一工廠生產(chǎn)用蒸汽鍋爐，燃料為燃?xì)?，蒸發(fā)量為4 t，使用壓力為0.6 MPa，2015 年至今內(nèi)部檢驗(yàn)無重大問題。無除氧設(shè)備，回水為冷凝水，水質(zhì)檢測一直符合GB／T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》[2]的要求，硬度和pH 值與堿度一直沒有問題，但從未檢測水中含氧量，軟化水設(shè)備為全自動(dòng)鈉離子交換器，軟化樹脂定期更新。管理無問題，定期排污，設(shè)備投用7 年。煙管為φ60 mm×3 mm 的螺紋煙管，材質(zhì)為20#鋼，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》。以前幾次內(nèi)部檢驗(yàn)主要發(fā)現(xiàn)的問題是煙管水側(cè)存在點(diǎn)腐蝕，普遍深度約0.3 mm，并結(jié)有0.2 mm 左右的水垢。本次內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其面對回燃室前管板，左側(cè)上數(shù)第3 排左數(shù)第2 根煙管，距回燃室后管板管端約20 cm 處有1 個(gè)氧腐蝕穿孔，造成了煙管泄漏。硬度檢測結(jié)果為138 HB，沒有問題。腐蝕部位見圖1。

圖1 氧腐蝕穿孔后的煙管

2.2 光譜分析

對樣品進(jìn)行X 衍射法的光譜分析，成分分析結(jié)果見表2，驗(yàn)證了其材質(zhì)是20G 鋼，材質(zhì)沒有問題。

表2 光譜分析結(jié)果

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

對穿孔處的產(chǎn)物取小樣進(jìn)行能譜分析，得到Fe 元素占大部分。然后進(jìn)行垢樣的成分分析，得到的結(jié)果見表3。

表3 氧化物分析結(jié)果

根據(jù)金屬氧化產(chǎn)物顏色有紅色和黑色可知，其中鐵氧化物至少包括Fe2O3和Fe3O4。

3 腐蝕機(jī)理分析

由于事故鍋爐蒸發(fā)量為4 t，根據(jù)GB／T 1576—2018，無論是2008 版還是2018 版都沒有強(qiáng)制安裝除氧器的要求，故該單位鍋爐并未安裝除氧裝置，所以，相比有除氧的給水，該單位鍋爐給水中含有較多的溶解氧，這也給鍋爐煙管的氧腐蝕創(chuàng)造了條件。

3.1 溶解氧腐蝕

●3.1.1 原理

鐵受水中溶解氧腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，鐵為陽極，被腐蝕；氧作為去極化劑發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)見式（1）和式（2）[3]：

上述即為氧的去極化腐蝕反應(yīng)。

鐵受到溶解氧腐蝕后產(chǎn)生Fe2+，其在水中進(jìn)行的二次反應(yīng)見式（3）、式（4）和式（5）：

但因?yàn)镕e（OH)2不穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，最終形成Fe3O4。

●3.1.2 腐蝕特征

鐵受到水中溶解氧腐蝕時(shí)，會(huì)在其表面形成眾多小鼓包，直徑為1 ～30 mm 不等，這種腐蝕稱為潰瘍腐蝕。由于氧腐蝕產(chǎn)物由不同化合物組成，鼓包表面的顏色也是由黃褐色到磚紅色不等，下層是黑色粉末狀物體。當(dāng)把這些腐蝕物清除后，便會(huì)發(fā)現(xiàn)由腐蝕造成的凹坑。而氧腐蝕的推動(dòng)力就是氧的濃度差，即腐蝕坑內(nèi)外形成的濃度差電池。同時(shí)，腐蝕坑內(nèi)的OH-被消耗，形成了局部的微酸區(qū)域，也將產(chǎn)生局部的酸腐蝕，整個(gè)腐蝕過程見圖2。

圖2 腐蝕坑示意圖

●3.1.3 運(yùn)行中的氧腐蝕

該單位一共有2 臺蒸汽鍋爐，平時(shí)是2 臺都用。最近一段時(shí)間由于另一臺正在修理，所以這臺使用蒸汽量較大，熱負(fù)荷較高，鍋水的蒸發(fā)也就更加劇，而鍋水中必然攜帶溶解氧。高溫?zé)煿芊植加跔t膽周圍且密集排列，多根煙管共同作用，加劇了鍋水的濃縮[4]。同時(shí)由于煙管是螺紋狀，內(nèi)凹外凸的形狀本身就會(huì)導(dǎo)致水流和高溫?zé)煔鉀_刷嚴(yán)重，溫度較高，容易積蓄濃縮鍋水。一般情況下，碳鋼和低合金鋼在中性和弱堿性水中的氧腐蝕速率可表示為式（6）[5]：

式中：

icorr—— 氧腐蝕速率的氧腐蝕電流密度，A／cm2；

F——法拉第常數(shù)，一般認(rèn)為F=96 485 C／mol；

D——氧在水中的擴(kuò)散系數(shù)，cm2／s；

c——水中的溶解氧濃度，mol／cm3；

δ——擴(kuò)散層厚度，cm。

此煙管由于熱負(fù)荷的增加，溶解氧濃度增加；擾動(dòng)和沖刷的加劇，使氧的擴(kuò)散系數(shù)急劇增大，同時(shí)擴(kuò)散層厚度隨之減小，最后的結(jié)果就是氧腐蝕的速度急劇加速，促使原有的點(diǎn)狀氧腐蝕坑迅速擴(kuò)展，發(fā)生穿孔。

3.2 短期停爐時(shí)未做好停爐措施

該單位生產(chǎn)淡季時(shí)會(huì)短暫停爐，時(shí)間一般為21 ～28 天。因停爐時(shí)間較短，故停爐方法用的是濕保養(yǎng)法，司爐工在停爐時(shí)往往用常溫鍋水上滿水側(cè)，達(dá)到少許壓力就封爐了。但由于未進(jìn)行鍋水足夠加熱并放氣，爐內(nèi)鍋水中的溶解氧未能盡量排出，停爐時(shí)腐蝕同樣加速進(jìn)行。所以，停爐時(shí)給水不達(dá)標(biāo)，方法不當(dāng)也是腐蝕穿孔產(chǎn)生的原因之一。

3.3 垢下腐蝕是腐蝕穿孔的促進(jìn)因素

由于爐水中的鈣化合物的溶解度隨著溫度升高而降低，從爐水中析出后在煙管表面形成硬垢，同時(shí)氧去極化腐蝕使煙管中的鐵成為鐵銹附著在管壁上，在煙管表面形成混合的垢層，由于水垢熱脹冷縮系數(shù)與碳素鋼熱脹冷縮系數(shù)不一樣，所以在熱負(fù)荷波動(dòng)和水流速不穩(wěn)定時(shí)，垢層與管子外壁之間很容易存在縫隙，難以形成致密保護(hù)膜[6]。同時(shí)因水垢的導(dǎo)熱性差，會(huì)使煙管溫度升高，在水垢下的鍋水會(huì)發(fā)生急劇蒸濃作用。又因水垢的存在阻礙了此處高濃度鍋水與周圍鍋水的交換，從而使此處濃度越來越高，電位差也就越來越大，電化學(xué)腐蝕速率加快，腐蝕物濃度也加大，繼而產(chǎn)生了一個(gè)高腐蝕速率區(qū)域。而且這種垢下腐蝕如果不去除表層水垢，很難用肉眼發(fā)現(xiàn)。

4 改良措施

1）加裝除氧裝置。對于有條件的單位，應(yīng)加裝除氧裝置，并且注意除氧水箱的密閉，防止空氣進(jìn)入，同時(shí)加強(qiáng)對給水的含氧量的檢測，最大限度地減少給水的含氧量，避免氧氣的腐蝕。

2）避免熱負(fù)荷過高。應(yīng)避免過高的熱負(fù)荷，從而降低水中裹挾氧的含量和氧化速度，避免氧腐蝕穿孔的發(fā)生。

3）保證水處理裝置的正常運(yùn)行。鍋爐水處理工作的中心任務(wù)就是防止或減緩鍋爐結(jié)垢、腐蝕及積鹽等不良現(xiàn)象發(fā)生[7]?，F(xiàn)在的軟水設(shè)備多為全自動(dòng)運(yùn)行，有些水化人員就認(rèn)為其出來的水一定合格，也就疏于管理了，其實(shí)不盡然。當(dāng)鍋爐大量補(bǔ)水，樹脂置換能力下降或本身系統(tǒng)有問題時(shí)，其制出的水就很難合格。所以，水化人員不能疏忽大意，應(yīng)定時(shí)檢測，時(shí)刻保證給水的質(zhì)量合格。即使一次不合格，尤其是蒸汽鍋爐，就會(huì)使鍋內(nèi)結(jié)大量的水垢，后果嚴(yán)重，后期處理也很麻煩。

4）局部較薄疏松水垢可進(jìn)行堿煮處理。對于煙管上、爐膽底部和拉撐上等部位局部結(jié)有的水垢，本身厚度影響傳熱但確實(shí)又達(dá)不到鍋爐清洗的要求，如果是比較疏松的水垢或泥污，可選擇堿煮，除去疏松的水垢，以防止水垢繼續(xù)加厚。

5）停爐時(shí)正確保養(yǎng)。停爐時(shí)的腐蝕是金屬腐蝕主要原因之一，很容易因?yàn)闊煿鼙砻嫠ぶ泻写罅垦鯕?，造成煙管大面積腐蝕甚至穿孔。有時(shí)保養(yǎng)方法不當(dāng)，腐蝕程度甚至超過運(yùn)行時(shí)的腐蝕，所以做好停爐保養(yǎng)是預(yù)防鍋爐煙管腐蝕的重要一環(huán)。無論是干保養(yǎng)法、濕保養(yǎng)法還是聯(lián)合保護(hù)法，要針對停爐時(shí)間的長短、鍋爐的參數(shù)和類型以及現(xiàn)場的情況，選擇正確的方法，并且按規(guī)程操作，切忌偷工減料，不按要求操作。由于停爐時(shí)間短，可以使用濕保養(yǎng)法，也就是停爐時(shí)不放掉水，保持鍋水100 ℃以上，同時(shí)打開頂部的放空閥或者安全閥進(jìn)行簡單的熱力除氧，降低鍋水中溶解氧的含量，并控制pH 值為11.0 左右。

5 結(jié)論

綜上所述，本文通過煙管氧腐蝕穿孔的事例分析其原因，得出以下結(jié)論：為有效預(yù)防煙管腐蝕的產(chǎn)生，鍋爐給水處應(yīng)加裝除氧裝置；避免高負(fù)荷運(yùn)行，水質(zhì)檢測及分析嚴(yán)格按照GB／T 1576—2018 執(zhí)行；時(shí)刻關(guān)注鍋內(nèi)水垢情況，注意定期除垢；根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇正確的方法停爐保養(yǎng)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程保養(yǎng)。