鍋爐的氧腐蝕分析及改善措施探討

趙 兵

（吉林石化煉油廠，吉林吉林 132021）

0 引言

在日常檢查中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鍋爐的受熱表面發(fā)生了氧化現(xiàn)象，這是一種常見的氧腐蝕類型。氧腐蝕對鍋爐造成的損傷，不僅會提高設備的檢修維護費用，而且還會對設備的正常運行產生不利影響。所以，必須注意工業(yè)鍋爐的受熱表面的氧腐蝕現(xiàn)象，并在日常工作中采取相應的防治措施，從而降低其腐蝕程度。對于已經出現(xiàn)的氧腐蝕情況，首先應該對其進行檢查評估，以確定其破壞的嚴重程度，能否保證正常工作，以便判斷應該采取哪些措施對缺陷加以排除和修復。本文結合某電廠的實際情況和氧腐蝕案例，從多個角度找出氧腐蝕的主要原因，并給出相應的解決方案，為鍋爐檢驗工作提供依據。

1 鍋爐氧腐蝕事件闡述

某生產企業(yè)在鍋爐的內部檢查中發(fā)現(xiàn)二回程煙管和后煙管片出現(xiàn)了嚴重的銹蝕，其腐蝕形式是一種土黃色的凸起。而凸起內部為坑狀，布滿黑色粉末，從其侵蝕形式特征分析，這是典型的熱表面氧腐蝕。檢驗人員將粉末送至實驗室進行鑒定，發(fā)現(xiàn)腐蝕產物主要為氧化鐵和氯化鐵。通過對侵蝕形式及產物組成的分析，更加確定其為受熱面氧腐蝕。

2 鍋爐氧腐蝕原理分析

為了避免造成更嚴重的氧腐蝕，必須明確其產生的機理。氧腐蝕屬于電化學腐蝕，工業(yè)鍋爐以低碳鋼為主要材料，壓力元件浸泡在鍋爐水中，因為鍋爐水里含有酸、堿和鹽分等雜質，因此鍋爐水是一種極性的電解質。

在極性電解液中，氧與鐵合成為一種具有兩種不同的電極的腐蝕電池。在這種被侵蝕的電池內，因為氧的電極電位高于鐵，所以鐵是還原劑，會作為負極失去電子而被氧化，而氧是氧化劑，作為陰極得到電子而發(fā)生還原反應。這種反應引起的侵蝕叫做氧去極化腐蝕，簡稱氧腐蝕，其作用機制是：

在此電化學反應中，亞鐵金屬離子Fe2+在水溶液中與OH-發(fā)生反應，形成了不穩(wěn)定的Fe（OH）2，并與水溶液中的氧氣發(fā)生進一步反應，形成Fe（OH）3和Fe3O4。其反應方程式如下：

從反應方程可知，當氧的含量增加時，反應會朝著右邊的正反應方向進行，氧的含量越高反應進行速率越快，二者呈線性關系，所以當氧進入達到一定濃度時就會引起鍋爐的氧化。因此，鍋爐中水的含氧量是鍋爐發(fā)生氧腐蝕的先決條件，并且含量越多、氧腐蝕發(fā)生的程度越高。此外，在pH 值低于10 的情況下很容易產生氧腐蝕，而pH 值為10～12 的堿性環(huán)境可以延緩氧腐蝕程度。結果表明，在酸度高時，更容易發(fā)生氧腐蝕。所以，為了防止或延緩鍋爐的氧去極化腐蝕，可以通過適當措施來減少鍋水中的氧含量，并保持pH 值在一個堿性環(huán)境中。

3 鍋爐發(fā)生氧腐蝕的原因

在對影響鍋爐氧腐蝕的因素進行研究時，根據其產生的原理從環(huán)境中尋找原因。引起鍋爐氧腐蝕有許多種原因，其中大部分是由各種因素共同作用引起的。不管什么原因導致了鍋爐內的氧腐蝕，都不能離開氧腐蝕的原理。所以，要找出鍋爐的氧腐蝕的成因，必須從鍋爐的結構、各系統(tǒng)的布局、運行和管理等方面入手。結合上述事件中鍋爐腐蝕的實際情況，從鍋爐水質、鍋爐水處理設備及供水方式、運行管理等角度，對鍋爐的氧腐蝕進行全面、詳細的分析。

3.1 鍋爐水質的調查情況

根據最近的鍋爐水質測試（表1），發(fā)現(xiàn)該鍋水的總堿度為2.1、pH 值為8.2，均小于GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質》規(guī)定的限值。從受熱表面的氧腐蝕原理可以看出，在低pH 值、酸性條件下，可以加速氧的去極化，而較低的pH 值也會使氧化膜的耐蝕性降低。由于pH 值低、酸性偏高，為防止鍋爐的氧腐蝕，必須對其進行嚴格的檢測，定期監(jiān)督水質情況，確保其達到GB/T 1576—2018 的有關規(guī)定。

表1 鍋爐水的分析項目及數(shù)值比較

3.2 鍋爐給水及操作與管理問題

在實際生產中，鍋爐的設計和使用是一個有關設備安全運行的重要問題。通過對鍋爐全過程的考察，確定了水處理和給水的配置方式，并通過鍋爐操作記錄和與鍋爐操作工人溝通，發(fā)現(xiàn)其主要原因。

（1）鍋爐供水系統(tǒng)所使用的是鍋外水處理系統(tǒng)，以工業(yè)水為原料，經過離子交換軟化后產生的軟化水由罐體頂端注入，由懸浮球來進行液面調節(jié)，軟化水被注入到罐體上方，其排水口位于水槽上方，所以當軟化水進入罐內時會被吸入更多的氣體，使罐內的軟化水中的氧氣濃度升高（圖1）。通過給水泵將軟化池中的水直接送入鍋爐中，提高了鍋爐內部的含氧量，為氧腐蝕提供了必要條件。

圖1 鍋爐供水系統(tǒng)

（2）通過與鍋爐操作人員的交談，得知在正常工作的情況下，鍋爐每周只能工作兩三天，而且只在白天工作，通常在鍋爐水位比較低的時候就會立即熄火停爐，同時將副汽缸上的主要蒸汽吸入閥關掉。因為鍋爐的蒸汽空間比較大，所以在經過一個晚上的降溫之后，由于壓力的下降會在鍋爐的汽空間里產生一個負壓，使罐中的氧濃度更高，從而為氧腐蝕提供條件。

（3）由于上一次檢查修，造成了鍋爐出現(xiàn)短暫的停產。在停產過程中鍋爐一直保持著半滿的水位，沒有按照停爐要求進行干燥和濕化保養(yǎng)等維護，所以當氧氣通過管路和閥門進入到鍋爐的時候，氧氣溶于水而發(fā)生氧腐蝕現(xiàn)象。根據上述結果可以看出，高溫、高含氧量為氧腐蝕創(chuàng)造了必要條件；再加上鍋爐的供水方式、鍋爐使用狀況、鍋爐作業(yè)人員的日常操作方式等因素，共同導致了鍋爐供水中的氧氣濃度偏高；此外，在停爐檢修過程中的維護保養(yǎng)措施不當，也會造成鍋爐的氧腐蝕。

（4）很多鍋爐房采用傳統(tǒng)的濕法脫硝SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction，選擇性非催化還原），這種工藝需要向鍋爐內噴射尿素溶液。受鍋爐內氣旋的影響，噴入的溶液會被帶到水冷管上，而水冷管溫度通常只有60～70 ℃，不能使水蒸發(fā)，留存的尿素溶液就會腐蝕爐管，這樣不斷更換爐管就會增加經濟成本。如果選擇干式脫硝方式，通過霧化噴嘴將高分子固體藥劑噴入爐膛，能減少爐管的腐蝕，徹底解決鍋爐的爆管現(xiàn)象。

4 鍋爐氧腐蝕解決方案

為了防止鍋爐的氧腐蝕，必須結合鍋爐的型號、參數(shù)和運行特點以及鍋爐運行成本，制定相應的預防和控制對策。根據氧腐蝕原理，采取措施既要降低鍋爐水的氧含量，又要防止鍋爐內氧化反應發(fā)生的環(huán)境，根據鍋爐的運行周期進行檢修，并做好停爐保養(yǎng)。

在本案例中，為了降低氧腐蝕現(xiàn)象，可以從以下5 個方面來進行優(yōu)化。

（1）強化水質監(jiān)測，合理添加藥劑，對鍋水中pH 值、堿性進行嚴格的監(jiān)測，以保證鍋爐的水質達到GB/T 1576—2018 的有關規(guī)定，避免氧腐蝕發(fā)生的水質環(huán)境條件。

（2）將水箱中的懸浮球控制裝置進行替換。例如，利用電磁閥將制水設備中的軟化水從液槽底部灌入，從而減小軟化液中的氧氣濃度、降低氣缸內的氧濃度。

（3）使用中，盡可能地將鍋爐的水平線提升到適當位置，當重新啟動時，首先開啟排氣閥，當鍋爐的氣壓上升時，將蒸汽中的氣體全部排出，再關掉閥門，一方面可以減少爐內蒸汽的體積、減少由于冷卻產生的氣壓差異所帶來的空氣，同時將鍋爐內的氧釋放出去、減少鍋爐內的氧含量。

（4）考慮到鍋爐在使用過程中的氧腐蝕，考慮到鍋爐的機型和操作條件較低的情況，可以采取化學脫氧法（推薦使用亞硫酸鈉）來減少氧含量，并要做好污水處理工作。

（5）強化鍋爐的檢修維護工作。在檢修過程中，可通過停爐時間的要求，來調整相應的保養(yǎng)方法，更要關注管道閥門等細節(jié)，以確保在鍋爐關閉過程中閥門的緊密性，避免氣體進入爐中。

5 鍋爐氧腐蝕的類型及改善措施

5.1 冷凝水排放管和蒸氣篩虹吸管氧腐蝕

冷凝水排放管和蒸氣篩虹吸管材料為碳鋼，屬于鍋爐的蒸汽系統(tǒng)。由于高壓冷凝水在除氧器中膨脹，除氧器效率低下（圖2）。此時脫氣器沒有接收到任何新的蒸汽，因此給水脫氣不充分而產生含氧蒸汽，這會形成過量的磁性金屬，從而造成堵塞。解決辦法是，在送入除氧器之前高壓冷凝水應先進行膨脹或冷卻。

圖2 冷凝水排放管和蒸汽篩的虹吸管的氧腐蝕

5.2 火管系統(tǒng)氧腐蝕（圖3）

圖3 火管系統(tǒng)氧腐蝕

在給除氧器充電時，由于補給水的容量過大，壓力低于1.25 bar（0.125 MPa）、溫度低于105 ℃，造成泄漏，鍋爐水鹽堵塞了火管的其他地方。改善措施是，補給水泵應限流，使給水量與蒸汽供應管路中蒸汽壓力調節(jié)器的容量相適應。

5.3 鍋爐過熱器管氧腐蝕

鍋爐過熱器管材料為碳鋼，屬于水管回收鍋爐系統(tǒng)。氧腐蝕現(xiàn)象為，在垂直截面上出現(xiàn)腐蝕產物重力引流的點蝕，在水平U形彎部分圍繞點蝕出現(xiàn)橢圓形水環(huán)（圖4）。原因是，夏季停爐期間的鍋爐進行水壓測試時發(fā)現(xiàn)了氧氣坑，過熱器部分在氮氣層下處于干燥狀態(tài)，盡管采取了停爐期干燥的預防措施，管子還是暴露在冷凝的濕氣和大氣中的氧氣中。解決方法是，可以對過熱器采用干燥的處理方法。

圖4 鍋爐過熱器管氧腐蝕

5.4 鍋爐給水系統(tǒng)氧腐蝕

鍋爐給水系統(tǒng)氧腐蝕現(xiàn)象外觀為許多凹坑覆蓋著球形氧化鐵腐蝕產物（圖5）。經過脫氣的給水是蒸汽冷凝水和脫堿軟化補給水的混合物，原因是由于除氧器故障導致給水中氧氣過多。改善措施為，改進除氧器運行情況，通過內部檢查霧化器和蒸汽噴嘴，并通過測量各種負荷下的殘余氧含量來確定故障原因；也可以改善鍋爐給水的質量，使之保持堿性。

圖5 鍋爐給水系統(tǒng)氧腐蝕

5.5 省煤器管道氧腐蝕

省煤器的材料為碳鋼，屬于角管式鍋爐系統(tǒng)。氧腐蝕外觀為上管用酸清洗、有麻點，在下面（未清潔）的管道中被氧化鐵覆蓋（圖6）。由于霧化器負荷不足導致除氧器運行不良，同時由于對鍋爐水中亞硫酸鹽含量的存在偏差，導致亞硫酸鹽用量不足。改善措施有：①更換；②進行化學清潔，阻止鍋爐其余部分腐蝕惡化；③降低負載來優(yōu)化除氧器的霧化；④定期檢查除氧器的運行參數(shù)。

6 結束語

鍋爐的氧腐蝕是一種普遍的鍋爐損傷形式，關系到鍋爐是否平穩(wěn)運行，所以在設計、制造、安裝、改造、使用管理以及檢查、保養(yǎng)等方面都應該引起足夠的關注。在設備的設計和施工過程中，要盡可能地避開可能導致氧腐蝕的環(huán)境，在使用中要針對實際狀況進行嚴謹細致的分析，找出導致氧腐蝕的原因及存在的安全隱患，及時制定措施和解決方案，以保證鍋爐安全、平穩(wěn)運行。