承压锅壳锅炉烟管氧腐蚀穿孔的成因与预防

2023-09-08付磊

中国特种设备安全 2023年8期

付磊

（北京市海淀区特种设备检测所北京 100083）

目前燃气锅壳式锅炉是海淀区承压工业用锅炉的主要形式，该锅炉使用中烟管的腐蚀是最常见的问题之一。本文通过一起烟管腐蚀穿孔事故，分析其腐蚀产生的原因，并探讨预防和解决的方法，以最大限度地降低烟管的腐蚀程度，保证锅炉的安全运行。

1 烟管水侧氧腐蚀问题的提出

随着社会的发展和北京市对环保要求的提高，海淀区现有的承压工业锅炉基本以燃气锅壳锅炉为主。相对于燃煤和燃油锅炉，该型锅炉有节能环保、热效率高、体积小的特点。在其运行中，烟管水侧的氧腐蚀是导致锅炉停运的问题之一。而根据美国电力研究院的相关研究[1]，见表1，锅炉因为腐蚀造成的爆管事故占了较大部分。其中烟管水侧氧腐蚀比较常见，有些烟管上有泥污和水垢覆盖后，氧腐蚀情况更不容易发现和确定，尤其是局部的烟管因氧腐蚀穿孔后，给锅炉的安全运行埋下了隐患。本文针对此问题，查找其形成的原因，并探讨解决方法。

表1 美国电力研究院锅炉爆管机理分类

2 样例分析

2.1 氧腐蚀穿孔案例

该锅炉为一工厂生产用蒸汽锅炉，燃料为燃气，蒸发量为4 t，使用压力为0.6 MPa，2015 年至今内部检验无重大问题。无除氧设备，回水为冷凝水，水质检测一直符合GB／T 1576—2018《工业锅炉水质》[2]的要求，硬度和pH 值与碱度一直没有问题，但从未检测水中含氧量，软化水设备为全自动钠离子交换器，软化树脂定期更新。管理无问题，定期排污，设备投用7 年。烟管为φ60 mm×3 mm 的螺纹烟管，材质为20#钢，制造标准为GB／T 8163—2008《输送流体用无缝钢管》。以前几次内部检验主要发现的问题是烟管水侧存在点腐蚀，普遍深度约0.3 mm，并结有0.2 mm 左右的水垢。本次内部检验发现其面对回燃室前管板，左侧上数第3 排左数第2 根烟管，距回燃室后管板管端约20 cm 处有1 个氧腐蚀穿孔，造成了烟管泄漏。硬度检测结果为138 HB，没有问题。腐蚀部位见图1。

图1 氧腐蚀穿孔后的烟管

2.2 光谱分析

对样品进行X 衍射法的光谱分析，成分分析结果见表2，验证了其材质是20G 钢，材质没有问题。

表2 光谱分析结果

2.3 腐蚀产物分析

对穿孔处的产物取小样进行能谱分析，得到Fe 元素占大部分。然后进行垢样的成分分析，得到的结果见表3。

表3 氧化物分析结果

根据金属氧化产物颜色有红色和黑色可知，其中铁氧化物至少包括Fe2O3和Fe3O4。

3 腐蚀机理分析

由于事故锅炉蒸发量为4 t，根据GB／T 1576—2018，无论是2008 版还是2018 版都没有强制安装除氧器的要求，故该单位锅炉并未安装除氧装置，所以，相比有除氧的给水，该单位锅炉给水中含有较多的溶解氧，这也给锅炉烟管的氧腐蚀创造了条件。

3.1 溶解氧腐蚀

●3.1.1 原理

铁受水中溶解氧腐蚀是一种电化学腐蚀，铁为阳极，被腐蚀；氧作为去极化剂发生还原反应。反应见式（1）和式（2）[3]：

上述即为氧的去极化腐蚀反应。

铁受到溶解氧腐蚀后产生Fe2+，其在水中进行的二次反应见式（3）、式（4）和式（5）：

但因为Fe（OH)2不稳定，会进一步反应，最终形成Fe3O4。

●3.1.2 腐蚀特征

铁受到水中溶解氧腐蚀时，会在其表面形成众多小鼓包，直径为1 ～30 mm 不等，这种腐蚀称为溃疡腐蚀。由于氧腐蚀产物由不同化合物组成，鼓包表面的颜色也是由黄褐色到砖红色不等，下层是黑色粉末状物体。当把这些腐蚀物清除后，便会发现由腐蚀造成的凹坑。而氧腐蚀的推动力就是氧的浓度差，即腐蚀坑内外形成的浓度差电池。同时，腐蚀坑内的OH-被消耗，形成了局部的微酸区域，也将产生局部的酸腐蚀，整个腐蚀过程见图2。

图2 腐蚀坑示意图

●3.1.3 运行中的氧腐蚀

该单位一共有2 台蒸汽锅炉，平时是2 台都用。最近一段时间由于另一台正在修理，所以这台使用蒸汽量较大，热负荷较高，锅水的蒸发也就更加剧，而锅水中必然携带溶解氧。高温烟管分布于炉胆周围且密集排列，多根烟管共同作用，加剧了锅水的浓缩[4]。同时由于烟管是螺纹状，内凹外凸的形状本身就会导致水流和高温烟气冲刷严重，温度较高，容易积蓄浓缩锅水。一般情况下，碳钢和低合金钢在中性和弱碱性水中的氧腐蚀速率可表示为式（6）[5]：

式中：

icorr—— 氧腐蚀速率的氧腐蚀电流密度，A／cm2；

F——法拉第常数，一般认为F=96 485 C／mol；

D——氧在水中的扩散系数，cm2／s；

c——水中的溶解氧浓度，mol／cm3；

δ——扩散层厚度，cm。

此烟管由于热负荷的增加，溶解氧浓度增加；扰动和冲刷的加剧，使氧的扩散系数急剧增大，同时扩散层厚度随之减小，最后的结果就是氧腐蚀的速度急剧加速，促使原有的点状氧腐蚀坑迅速扩展，发生穿孔。

3.2 短期停炉时未做好停炉措施

该单位生产淡季时会短暂停炉，时间一般为21 ～28 天。因停炉时间较短，故停炉方法用的是湿保养法，司炉工在停炉时往往用常温锅水上满水侧，达到少许压力就封炉了。但由于未进行锅水足够加热并放气，炉内锅水中的溶解氧未能尽量排出，停炉时腐蚀同样加速进行。所以，停炉时给水不达标，方法不当也是腐蚀穿孔产生的原因之一。

3.3 垢下腐蚀是腐蚀穿孔的促进因素

由于炉水中的钙化合物的溶解度随着温度升高而降低，从炉水中析出后在烟管表面形成硬垢，同时氧去极化腐蚀使烟管中的铁成为铁锈附着在管壁上，在烟管表面形成混合的垢层，由于水垢热胀冷缩系数与碳素钢热胀冷缩系数不一样，所以在热负荷波动和水流速不稳定时，垢层与管子外壁之间很容易存在缝隙，难以形成致密保护膜[6]。同时因水垢的导热性差，会使烟管温度升高，在水垢下的锅水会发生急剧蒸浓作用。又因水垢的存在阻碍了此处高浓度锅水与周围锅水的交换，从而使此处浓度越来越高，电位差也就越来越大，电化学腐蚀速率加快，腐蚀物浓度也加大，继而产生了一个高腐蚀速率区域。而且这种垢下腐蚀如果不去除表层水垢，很难用肉眼发现。

4 改良措施

1）加装除氧装置。对于有条件的单位，应加装除氧装置，并且注意除氧水箱的密闭，防止空气进入，同时加强对给水的含氧量的检测，最大限度地减少给水的含氧量，避免氧气的腐蚀。

2）避免热负荷过高。应避免过高的热负荷，从而降低水中裹挟氧的含量和氧化速度，避免氧腐蚀穿孔的发生。

3）保证水处理装置的正常运行。锅炉水处理工作的中心任务就是防止或减缓锅炉结垢、腐蚀及积盐等不良现象发生[7]。现在的软水设备多为全自动运行，有些水化人员就认为其出来的水一定合格，也就疏于管理了，其实不尽然。当锅炉大量补水，树脂置换能力下降或本身系统有问题时，其制出的水就很难合格。所以，水化人员不能疏忽大意，应定时检测，时刻保证给水的质量合格。即使一次不合格，尤其是蒸汽锅炉，就会使锅内结大量的水垢，后果严重，后期处理也很麻烦。

4）局部较薄疏松水垢可进行碱煮处理。对于烟管上、炉胆底部和拉撑上等部位局部结有的水垢，本身厚度影响传热但确实又达不到锅炉清洗的要求，如果是比较疏松的水垢或泥污，可选择碱煮，除去疏松的水垢，以防止水垢继续加厚。

5）停炉时正确保养。停炉时的腐蚀是金属腐蚀主要原因之一，很容易因为烟管表面水膜中含有大量氧气，造成烟管大面积腐蚀甚至穿孔。有时保养方法不当，腐蚀程度甚至超过运行时的腐蚀，所以做好停炉保养是预防锅炉烟管腐蚀的重要一环。无论是干保养法、湿保养法还是联合保护法，要针对停炉时间的长短、锅炉的参数和类型以及现场的情况，选择正确的方法，并且按规程操作，切忌偷工减料，不按要求操作。由于停炉时间短，可以使用湿保养法，也就是停炉时不放掉水，保持锅水100 ℃以上，同时打开顶部的放空阀或者安全阀进行简单的热力除氧，降低锅水中溶解氧的含量，并控制pH 值为11.0 左右。