空气预热器搪瓷管腐蚀失效分析

2023-02-27汤志新

全面腐蚀控制 2023年1期

汤志新

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214074）

0 引言

空气预热器是锅炉行业重要的热交换及节能设备，不仅能降低排烟温度从而提高锅炉热效率，同时热空气助燃能够稳定燃烧[1]。然而，低温腐蚀是空气预热器管容易产生的失效现象[2]。为提高空气预热器管子的耐腐蚀性能，在管子外壁涂敷耐腐蚀性能高的非金属涂层技术得到了较快的发展[3]，如搪瓷[4]、石墨[5]等。搪瓷具有较好的耐高温、耐磨损及耐酸腐蚀性能，同时能减少积灰腐蚀，在锅炉及石化行业等有广泛的应用[6]。如何更好地利用搪瓷减少空气预热器管的低温腐蚀，是搪瓷行业的热门话题[7]，搪瓷涂层的腐蚀失效分析[8]对搪瓷技术的理论研究和制造技术发展有着重要的作用。

1 样品资料

1.1 样品外观与使用背景

某空气预热器搪瓷管投入运行三个月左右发生腐蚀失效，现场截取典型样品，如图1、图2所示。

图1 试样外表面形貌

图2 试样内表面形貌

搪瓷管材质：Q235，规格：40×1.5mm，按UG0170《管式空气预热器技术条件》制造与验收，搪瓷厚度300±20um，表面质量符合要求，耐电压试验、耐腐蚀测试、粘合度测试合格。使用环境如下：

温度：进口烟温184℃，出口烟温：136℃

进口风温30℃，出口风温：123℃

锅炉设计燃料：兰炭尾气，成分：H2：23.5；N2：41.7；O2：0.92；CO：13.48；CO2：12.92；CH4：6.37；C2H4：1.11；热值：1714kcal/Nm3；含水：366g/Nm3，尾气主要杂质为氮氧化物、H2S等。

1.2 宏观形貌

宏观形貌显示：两根空气预热器搪瓷管样品表面未腐蚀区域搪瓷涂层均匀，无明显色差，无裂纹及剥落现象。用户反映使用环境温度无急剧变化情况，排除搪瓷釉涂层制造缺陷或急剧温度变化导致的开裂。

管壁外侧有多处明显圆形腐蚀凹坑，生成白色腐蚀产物，腐蚀凹坑处搪瓷剥落，部分已经贯穿管壁。将试样管剖开可见试样内壁光滑，无明显氧化腐蚀现象。由此可见，搪瓷管的腐蚀失效是由外向内的发展过程，搪瓷釉涂层失效后，基体碳钢材料进而遭到腐蚀。

2 试验过程

在搪瓷管腐蚀未穿管区域割取10×10mm样品，用丙酮擦拭锈蚀等污染物，置于干燥器皿中备用。

根据JY/T 0584-2020《扫描电子显微镜分析方法通则》[9]，用扫描电子显微镜Verios XHR SEM（FEI）观察样品腐蚀区域微观形貌。

取腐蚀点表面灰白色沉积物，按照DL/T 1151.15-2012《水溶性垢待测试液的制备》[10]处理样品，用离子色谱分析仪ICS-1100、钠离子分析仪honeywell 2130和滴定法测定水溶性物质pH、钠离子及主要阴离子。

根据GB/T 17359-2012 《微束分析能谱法定量分析》[11]，用X射线电子能谱仪ESCALAB 250Xi（Thermo Fisher Scientific）分析腐蚀样品中各元素成分及含量。

3 结果与分析

3.1 SEM分析

由图3腐蚀位置的扫描电镜SEM图片可见，搪瓷管样品基体碳钢材料晶界已被破坏，腐蚀形貌为均匀腐蚀，表面附有疏松腐蚀产物，呈块状脱落。

图3 腐蚀处扫描电镜图样

样品的腐蚀形貌与常见的低温腐蚀[3]有较大区别，一般的低温腐蚀管子外侧呈现全面均匀的腐蚀，本样品有许多点蚀发展而成的穿孔，同时腐蚀时间较快，腐蚀程度更加严重。

3.2 水溶性物质分析

由表1水溶性物质分析结果表明：搪瓷管表面灰白色腐蚀产物中F离子含量为1.73%，Cl离子含量为4.83%，硫酸根离子含量为52.13%。搪瓷涂层具有较好的耐酸腐蚀性能和热稳定性，但搪瓷不耐氢氟酸及含有氟离子溶液的腐蚀。锅炉设计燃料为兰炭尾气，S、Cl、F等杂质元素含量较高，燃烧后生成的有害气体和烟气中水蒸汽结合，使烟气露点温度大为升高，可达130～150℃。含有S、Cl、F元素的烟气经空气预热器管的低温受热面，受热面搪瓷管壁温低于酸性烟气的露点时，在搪瓷管表面形成酸露。酸露中的F离子对主要成分为SiO2的搪瓷层产生破坏：

表1 水溶性物质分析结果

搪瓷层表面产生全面均匀的凹坑，产物SiF4极不稳定，在高温烟气环境中易汽化，在腐蚀产物中极少残留。

搪瓷涂层遭到破坏后，酸露中的硫酸、盐酸进一步腐蚀碳钢基体，造成管子的低温腐蚀，形成小孔状的腐蚀凹坑，孔蚀逐渐发展最终造成管子穿孔失效。酸露腐蚀产生的硫酸铁、氯化铁在高温烟气中逐渐氧化，最终形成S、Cl含量较高的铁氧化物的腐蚀产物。

3.3 能谱分析

由图4及表2腐蚀产物的能谱分析可知，腐蚀产物中含有O、Si、S、Cl、Fe等元素，其中S元素含量为1.94%，Cl元素含量为2.11%,只含有极少量的Si。搪瓷釉主要成分为二氧化硅（SiO2），而腐蚀产物中Si含量极少，说明搪瓷层遭到破坏后，形成易分解产物SiF4经高温烟气带走，只残留极少量的Si在腐蚀产物中。