在用工业锅炉的失效分析—垢下腐蚀机理及实例分析

河南省锅炉压力容器安全检测研究院刘夕锋

在用工业锅炉的失效分析—垢下腐蚀机理及实例分析

河南省锅炉压力容器安全检测研究院刘夕锋

垢下腐蚀作为在用锅炉常见的失效形式之一，了解其机理对我们的生产生活有着重要意义。本文中，笔者介绍了工业锅炉垢下腐蚀机理，并根据这个原理对实际检验案例进行了分析。

一、垢下腐蚀机理

当锅炉蒸发受热面附着沉积物时，金属管壁温度升高，使渗透在沉积物下面的锅水急剧蒸发浓缩，导致各种杂质浓度升高所造成的腐蚀。产生垢下腐蚀有以下几种情况。

1.垢内的氧化物与金属壁之间的电化学腐蚀。

（1）当受热面金属表面的沉淀物中含有氧化铁和氧化铜等杂质时，这些氧化物电位高，成为阴极，而金属壁电位低，为阳极。阳极的铁离子不断溶入炉水，与氧化铁及氧化铜生成新的高价氧化铁。锅炉常见氧化铁垢因为妨碍传热，由于结构过热使垢下金属保护膜破坏，成了腐蚀电池的阳极。垢下金属因过热而发生汽水腐蚀。

（2）氧化铁垢的腐蚀形态有两种。局部性贝壳状。垢下腐蚀一般是在向火侧管内形成黑色隆起的腐蚀疙瘩，呈贝壳状，质地坚硬，有清晰的层状，其中也夹杂一些白色物质。有时在很长的管段内只有很少几处贝壳状的腐蚀，也有贝壳连接成片的腐蚀。贝壳状产物与金属之间一般有一层白色或粉状的磁性氧化铁。去掉腐蚀产物后，金属面呈现出皿状或槽状的腐蚀凹坑，其面积有的小到几平方毫米，有的大到几十甚至上百平方毫米。

较大面积的结垢腐蚀。结垢和腐蚀的面积均较大，有时甚至布满几百毫米的管段内。垢一般呈黑褐色鱼鳞状，垢下金属大部分遭到腐蚀，呈现凹凸不平的麻坑，有时在局部处也有严重的深坑或穿孔，这种垢也较硬，在垢下有时也有一层白色的盐质或粉状磁性氧化铁。

（3）锅内氧化铁的主要来源。氧化铁垢容易在热负荷高的部位形成。随给水带入；新炉在放置和安装期间保护不当，投入运行之前没有进行认真清洗而遗留下来。锅炉停用期间，没有采取有效的保护措施而生成的腐蚀产物，包括锅炉内壁潮湿表面的腐蚀以及产生氧浓差造成的腐蚀。

（4）防止氧化铁垢的形成办法。防止给水系统的氧腐蚀和酸腐蚀，尽力减少腐蚀产物进入锅炉。对进入锅炉的腐蚀产物，采取适当的锅内水处理措施，减缓氧化铁垢的形成。及时彻底的消除已经形成的氧化铁垢。

2.碱性腐蚀。锅炉受热面有沉积物时，由于沉积物传热差沉积物下部的金属壁温升高，使沉积物和金属表面之间的锅水浓缩，又由于这些炉水不易与沉积物外部的炉水混匀，当锅水中含有游离的氢氧化钠，沉积物下的炉水pH值升高到大于13时，金属壁的氧化保护膜被氢氧化钠溶解，使电化学腐蚀加剧。结果在金属表面产生凹凸不平的腐蚀坑，坑上有疏松的腐蚀物，腐蚀发生到一定程度，出现渗漏，有的管子发生爆管。进行分析时，从金属表面去除沉积物，可以看到的腐蚀坑上有白色沉积物。这种沉淀是碳酸钠，它是氢氧化钠与空气中二氧化碳接触后的生成物。此外，在锅筒和集箱的死角常常有大量积聚的磁性氧化物。这是沉积物下部的磁性保护膜被氢氧化钠溶解后生成的苛性－铁素体复合物。锅炉内部死角处的沉积物下部常因锅水浓缩而使碱度升高，在此处产生局部碱性腐蚀。

3.酸性腐蚀。有的锅水中含有氯化镁（MgCL2）和氯化钙（CaCL2）。例如，钠离子软水装置的管道腐蚀泄漏，正洗水流入软水池;有的利用海水作为再生剂，水处理化验工不慎将阀门打开，使海水加入锅炉等，都会使炉水含有大量的MgCL2和CaCL2。结果，锅水中pH值下降，对钢材产生酸腐蚀，并且使氢离子积聚。如果受热表面有坚硬、致密的水垢存在，氢不能扩散到汽水混合物中，氢渗入钢材和碳钢中的碳化铁（渗碳体）发生反应，结果造成碳钢脱碳腐蚀。

二、检验案例

某公司2003年8月投产2台德国造进口锅炉，锅炉形式为卧式内燃室，烟管为三回程。额定压力1.6MPa，额定出口稳定194℃。燃料为重油。水处理方式为锅外水处理并锅内加药。除氧方式为海绵铁除氧。

2008年3～4月，我单位分别对两台锅炉进行了细致的检查，发现了以下设备运行情况：2007年7月以前为两台锅炉满负荷生产，后引入公用蒸汽，每天低负荷运行约3小时左右，每天供气流量约3吨左右，设备夜间常压冷炉；该设备采用的是全自动控制钠离子交换软水设备，据现场司炉人员反应，该设备2007年之前有再生用正洗水泄漏情况；2007年以后除氧设备没有使用；该设备给水过滤设备没有使用，给水通过旁通直接进入系统；司炉人员以通过控制锅水中“溶解固形物”浓度的方式控制排污情况，排污率低。

宏观检查发现以下情况：锅壳内有全面铁锈覆盖层；烟管、炉胆、锅壳水侧水位线以下许多位置有块状垢渣附着，为黑色隆起的贝壳状腐蚀疙瘩，如图1所示。

腐蚀产物与金属壁之间松软粉末状氧化铁，经检验锤敲磨后，发现金属壁已经脱碳形成较深腐蚀坑，如图2所示。

综合以上特征，确定该设备产生了典型的垢下腐蚀，经综合分析，得出腐蚀原因是：设备给水过滤设备没有使用，供水不洁净，有悬浮物进入锅炉，使锅炉金属表面产生沉淀物。除氧器未使用，给水中有溶解氧存在，在使用过程中氧气经析出聚集在气相空间，等压力下降，溶解氧重新溶入炉水，使锅壳水侧产生氧腐蚀。钠离子软水装置盐水泄漏，造成锅内酸性腐蚀。锅炉排污率低，同时锅炉低负荷运行，加速了沉淀物的形成。具体过程分析如下。

1.供水不洁净，锅炉排污率低以及锅炉低负荷运行，造成了锅内局部沉淀物形成。

2.因氧腐蚀的产生，金属表面覆盖氧化铁，并夹杂于沉淀物中。这些氧化物电位高，成为阴极，而金属壁电位低，为阳极。阳极的铁离子不断溶入炉水，与氧化铁生成新的高价氧化铁：

3.由于沉积物传热差，沉积物下部的金属壁温升高，使沉积物和金属表面之间的锅水浓缩，垢下金属因过热而发生汽水腐蚀：

4.钠离子软水装置盐水泄漏，使炉水含有大量的MgCL2和CaCL2，此时沉积物下部发生以下反应：

结果，锅水中PH值下降，对钢材产生酸腐蚀，并且使氢离子积聚。

因受热表面坚硬、致密的铁垢存在，氢不能扩散到汽水混合物中，氢渗入钢材和碳钢中的碳化铁（渗碳体）发生反应：Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4。结果造成碳钢脱碳。

总之，要防止垢下腐蚀，关键在于避免锅炉金属表面产生沉淀物，避免产生铁的腐蚀产物，要进行水质处理和合理的排污；新锅炉投入运行前，必须进行化学煮炉，锅炉运行后要定期清洗，除去金属表面上的腐蚀产物；消除或减少锅水中的游离氢氧化钠；防止水处理装置混水，渗入苦咸水或海水