锅炉管内腐蚀结垢过程的实验研究

林成

摘 要：锅炉在运行过程中始终处于高温高压状态，因此管内腐蚀结垢问题不可避免，但腐蚀结垢问题会严重影响锅炉运行安全，对锅炉使用寿命也有一定影响，因此需要对锅炉腐蚀结垢过程进行分析研究，探讨其具体产生原因，以降低腐蚀结垢速率。根据实验结果得出结论：锅炉管内腐蚀结垢通常分为氧化、中间以及结构三层，根据腐蚀结垢过程不同也可分为三个形成阶段：形成期、成长期以及稳定期，在实验过程中，锅炉内液体浓度越高，对管内金属影响越大，使腐蚀与结垢速率加快；表面粗糙程度与腐蚀间关系较小，但对结垢有一定影响。

关键词：腐蚀结垢；分层；反应过程；影响因素

锅炉通过对水施加高温高压使其成为水蒸气并实现化学能向机械能的转化，因此水是锅炉工作过程中最重要因素。若锅炉中水质不达标，会使锅炉管道出现腐蚀结垢现象，这种现象的出现会严重影响锅炉运行安全。其中管壁温度会随着结垢厚度增加而迅速上升，最后超出锅炉所能承受温度，导致其强度降低，部分零件出现破裂、变形，对锅炉造成破坏；锅炉中金属构件极易出现腐蚀，而腐蚀会使其部件厚度逐渐降低，产生凹陷，会大大降低金属构件强度，导致锅炉使用寿命缩短，威胁使用安全。若缺乏对锅炉的日常检修与维护，会导致腐蚀结垢不断发展，甚至出现爆管问题。锅炉的腐蚀结垢现象复杂多变，涉及影响因素较多，在本次实验研究中，将对锅炉运行环境进行模拟以研究其管内腐蚀结垢问题出现原因及其相互间关系。

1实验概况

本次实验应用高温反应釜进行锅炉环境模拟，配置与锅炉中水环境成分相同的溶液，以T22钢结构为研究对象，对其腐蚀结垢过程进行研究分析。对T22钢结构进行一定处理后，将其制成形状、质量相同的长方形试片，放入高温反应釜中，令试片完全浸没在与锅炉水环境相同的溶液中，依据锅炉运行环境进行模拟，经过一定时间后取出试片。将所取出试片进行称重，并应用SEM、EDS、XRD方式分析试片。由于实际锅炉运行环境中造成管内腐蚀结垢的原因复杂多变，因此实验中对锅炉环境进行模拟时，为了成功得到与实际相符的腐蚀结垢现象。

2实验结果

本次实验应用不同方式对T22钢结构试片进行分析，从不同角度、不同方向探究了金屬表面出现腐蚀与结垢的原因。

2.1 SEM和EDS分析

在相同溶液环境、不同运行时间的实验条件下，对试片进行SEM以及EDS分析。在运行1h后，试片表面已经出现大面积小颗粒。经成分分析，金属成分中尚未出现Ca，此时试片表面为金属氧化膜。这种氧化膜通常为双层结构，内部结构成分细致紧密，外层结构较疏松，具有较低附着性，极易被剥落。经研究发现，随着运行时间增长，试片表面氧化膜范围逐渐变大，开始出现晶状颗粒，金属试片成分中Ca含量逐渐增多而Fe含量减少，附着力增强，最终形成水垢，难以对其进行清除。

2.2 XRD分析

利用XRD能够对金属试片表面腐蚀结垢物质成分进行分析。在实验过程中发现，CaCO3是结垢物质主要成分，Fe3O4和Fe2O3是腐蚀产生物质的主要成分。随着实验时间增加，CaCO3与Fe2O3含量增加，Fe3O4含量逐渐降低，因此可得出结论，在反应过程中，腐蚀所产生物质随着反应时间增加逐渐从Fe3O4向Fe2O3转化，金属表面出现氧化膜，一定程度上减缓了金属腐蚀速率。

2.3腐蚀结垢层分析

为了研究金属表面的氧化层和结垢层之间各个元素的分布情况，利用电镜SEM观测其断面的分层情况，并利用能谱仪对试片从基体到外层进行线扫描分析，测试各元素的含量变化，可以发现金属表面的腐蚀结垢层大致可分3层：第一层紧贴在基体表面，为比较致密的氧化层。大约10～15μm阶段，Fe元素含量逐渐降低，而O元素含量升高，说明金属表面生成了氧化膜。该氧化膜能阻滞金属原子或侵蚀性介质的分子穿过该膜向金属表面的扩散，在一定程度上阻止金属腐蚀过程的发展，从而使腐蚀速度降低，但粗糙的氧化膜也为CaCO3结垢提供了结晶核心，因此该层也会有少量Ca元素，并且含量有些浮动。第二层为中间层，大约15～20μm阶段，在该层金属的腐蚀和CaCO3的沉积同时发生，但垢层和氧化层之间的粘结不紧密，中间会有一些空洞。

2.4 结垢腐蚀过程的机理分析

为了分析金属腐蚀结垢的过程，对金属试片进行称重分析，利用单位表面积的质量变化分析腐蚀结垢程度，用260号砂纸打磨金属试片，在CaCl2溶液（浓度为50mg/L）和NaHCO3溶液（浓度为37.84mg/L）中进行金属腐蚀结垢实验后的质量变化曲线。可以看出，试片的质量变化趋势是先失重，然后增重，随着时间的增加，增重速度逐渐平缓，并趋于稳定。通过试片的称重法，并结合之前的SEM和XRD进行分析，可以得出金属的腐蚀结垢过程，主要可分为3个阶段：第一阶段为氧化膜生成期，金属试片浸入溶液的初期，会与高温高压的溶液发生腐蚀反应，表面生成金属氧化物，覆盖在金属表面。第二阶段为结垢迅速成长期，试片表面大部分区域已经形成氧化膜，能在一定程度上阻止腐蚀过程的发展，使腐蚀速度降低。同时随着运行时间的增加，试片表面生成的氧化膜比较疏松，从微观上看会有些凹凸不平处，并且金属氧化膜表面的“剩余化合键力”具有吸附能力，所以会为非均相成核提供许多核化点，吸附作用将使晶胚在这些位置优先形成，形成结晶核心，从而使溶液中的CaCO3向结晶核心聚积，形成沉积物。这些先期沉积的附着物，破坏了水中的溶解平衡状态，使得盐分向这些区域很快析出，使结垢迅速增加。第三阶段为稳定期，试片表面大部分区域已经形成比较致密的氧化膜，可以很大程度地保护金属，使腐蚀速度缓慢。而表面沉积物经过快速增加的成长期之后，最终会覆盖整个金属表面，污垢的增加也趋于稳定。因而在这个阶段金属的腐蚀和结垢速度都趋于稳定。

2.5 表面粗糙度的影响

为了观察金属表面粗糙度对腐蚀结垢的影响，对试片表面分别用260号、600号、1200号砂纸打磨，打磨的砂纸越粗，试片表面粗糙度越高。粗糙度不同的试片在本次试验条件下，通过试片的质量变化曲线可以发现，表面粗糙度对腐蚀的影响不大，而粗糙度的增加明显会促进结垢速率与结垢量的增加。

结束语

本次实验利用高温反应釜以及溶液对实际锅炉状态进行模拟，通过分析法对其成分进行分析，得出以下结论：锅炉管内腐蚀有三层，其形成过程也有三个阶段，因此锅炉腐蚀结垢是逐渐形成的。受水质影响较大，氧化膜会加速结垢速度，降低腐蚀程度，因此要重点关注氧化膜处理方式，定期进行维护处理，减少腐蚀结垢现象，促进锅炉使用寿命增加。

参考文献

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