沸騰爐爐體腐蝕損壞原因分析

鄭澤培，林 敏

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

沸騰爐是硫鐵礦制酸裝置的關鍵設備，通過采用固體流態化技術高溫焙燒硫鐵礦來產生二氧化硫氣體，用于制造硫酸液體。爐體一般由鋼制外殼內襯耐火材料、中間設置隔熱層構成。沸騰爐長期在高溫、腐蝕環境下工作，建造過程中若存在質量缺陷，容易出現磚縫開裂，爐體鋼殼腐蝕等狀況，導致SO2氣體泄露，不僅會腐蝕損壞設備、給企業帶來損失，還會對環境造成污染。

沸騰爐爐頂承受自重同時還需要承受應力荷載。作為沸騰爐中最薄弱的關鍵部位，它的質量對于沸騰爐的使用壽命十分重要，起著維護結構安全的功能，因此在砌筑施工時應特別注意[1]。

1 沸騰爐爐體腐蝕損壞

2011年9月，建造在山區野外的某企業“硫鐵礦制12萬噸/年硫酸裝置”項目安裝調試完成，沸騰爐開始投入使用，但設備從投產開始一直故障不斷，到2013年底，該沸騰爐已經無法使用，爐體鋼殼外層油漆剝落損壞程度嚴重，尤其是爐頂鋼殼部分，已經嚴重銹蝕破損。沸騰爐外觀如圖1所示。

圖1 沸騰爐外觀

2 沸騰爐爐體勘探

2.1 沸騰爐爐頂腐蝕破壞狀況

對沸騰爐爐頂的勘驗檢查發現，爐頂銹蝕非常嚴重，腐蝕位置遍布整個爐頂，大面積的鋼板已被腐蝕穿透，雨水可進入。從側面觀察，爐頂鋼殼邊沿由于變形導致嚴重翹起。爐頂鋼殼一些銹蝕破損部位已由企業自行用鋼板焊補或修補材料填補，形成了許多“補丁”，有的補丁又再次破裂。沸騰爐爐頂鋼殼腐蝕損壞狀況如圖2所示。

圖2 沸騰爐爐頂鋼殼腐蝕損壞狀況

對沸騰爐爐頂結構尺寸及鋼殼腐蝕破損狀況進行測量統計，傘形爐殼頂部半徑為4 350 mm，斜度為17°，爐頂腐蝕范圍面積超過0.02 m2的有30多處，最大腐蝕面積約為2.6 m2，總腐蝕面積超過16.3 m2，約占爐頂總面積27%。爐頂鋼殼的腐蝕破損點分布呈無規則的不均勻狀態，許多地方腐蝕后破損后露出了內部的保溫層。

2.2 沸騰爐爐頂耐火磚砌筑狀況

在鑒定人員的監督下，企業人員把爐頂的鋼板切割開一個大小約為1 400 mm×1 200 mm的口，將鋼板下面的保溫材料取出。沸騰爐爐頂耐火磚和隔熱層的砌筑狀況如圖3所示。

圖3 沸騰爐爐頂耐火磚和隔熱層的砌筑狀況

通過對爐頂切割開部位的耐火磚和隔熱層的砌筑狀況進行勘驗檢查發現，部分耐火磚灰縫寬度尺寸過大，且存在多處磚縫不飽滿現象，甚至還出現空隙。另外，耐火磚的砌筑也出現重縫問題。隨機測量耐火磚灰縫寬度，獲取部分耐火磚的灰縫寬度尺寸如表1所示。

經測量鑒定，耐火磚砌筑的灰縫寬度尺寸大小不一，灰縫寬度過大，尤其是環縫的寬度，有的甚至超過了16 mm。

表1 沸騰爐爐頂耐火磚灰縫寬度尺寸

2.3 沸騰爐爐頂保溫層狀況

爐頂的保溫層包含多種材料，經測量，其厚度范圍在280～350 mm。部分保溫材料已被嚴重腐蝕，可以看到石棉被腐蝕后，生成體積較大的固體塊狀物。同時鋼殼內部腐蝕嚴重，被腐蝕變薄的鋼殼在受到固體塊狀物變性膨脹的擠壓應力后存在變形現象。保溫層腐蝕狀況如圖4所示。

圖4 保溫層腐蝕狀況

2.4 沸騰爐爐體鋼殼腐蝕狀況

從爐體外觀勘驗，沸騰爐表面金屬層銹蝕嚴重，大部分油漆剝落，并有大量液體流痕從爐體頂部一直延伸至爐側的底層，腐蝕狀況非常嚴重。

針對該狀況，鑒定組在設備生產運行狀態下使用紅外線測溫儀檢測沸騰爐爐體鋼殼外壁的溫度，數據顯示溫度普遍在120℃以上，測得的最高溫度為152℃。

另外，鑒定組還對爐體鋼殼外壁的油漆工藝進行檢查。由于爐體鋼殼腐蝕嚴重，只能在爐體外殼找到兩處漆層比較完好的部位，對該兩處油漆涂層進行測厚，所測部位油漆厚度范圍在45～75μm之間。

3 原因分析說明

3.1 沸騰爐爐頂砌筑問題

焙燒硫鐵礦時產生的爐氣含有SO2、少量SO3和水汽。磚縫一旦開裂，爐氣就會透過磚縫與爐體鋼殼內壁接觸，長期處在這樣的環境中，爐氣會冷凝成稀硫酸進而腐蝕爐體鋼殼內壁[2]。針對沸騰爐爐頂嚴重腐蝕損壞問題，分析勘探測量數據發現爐頂耐火磚的砌筑存在以下幾方面問題：

（1）耐火磚灰縫寬度過大。沸騰爐砌筑時，耐火磚灰縫需要用耐火泥漿填滿。灰縫雖用耐火泥漿填充，但耐火泥漿密度和強度均比制品耐火磚差，在使用過程中容易被侵蝕。灰縫是砌體的薄弱環節，因此需要使耐火磚灰縫盡量小。表1中沸騰爐爐頂耐火磚灰縫寬度的所有測量值均大于2mm。不符合國家標準GB 50211-2004《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》3.2.2中規定的“一般工業爐拱頂砌體磚縫的寬度不大于2mm”的要求。灰縫寬度過大會對爐體的氣密性造成影響，灰縫在耐火泥漿干縮時會產生裂縫，導致耐火泥漿剝落。此外，灰縫寬度過大會減小砌體的強度，砌體熱脹冷縮時更容易使磚體或灰縫產生裂縫，此時SO2和SO3氣體容易通過裂縫進入保溫層，腐蝕保溫層及殼體。

（2）耐火磚灰縫不飽滿。經勘驗，爐頂耐火磚的砌筑出現多處灰縫不飽滿問題。部分灰縫不符合國家標準GB 50211-2004《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》3.2.11中規定的“濕砌砌體的所有磚縫中，泥漿應飽滿，其表面應勾縫”的要求和行業標準HG/T 20661-1999《硫酸沸騰爐砌筑技術條件》4.3.13中規定的“泥漿飽滿密實，厚度均勻，灰縫飽滿度不得低于90%”的要求。灰縫不飽滿容易產生裂縫，造成SO2和SO3氣體泄露。

（3）爐頂耐火磚砌筑重縫問題。砌筑沸騰爐爐頂時，耐火磚應錯開磚縫。磚體錯縫砌筑能使砌體在徑向承受更大的剪切力，有利于提高砌體的牢固性和安全性。重縫同樣會導致砌體容易產生裂縫，降低砌體的整體結構強度，因此爐頂耐火磚的砌筑要避免重縫。按照行業標準HG/T 20661-1999《硫酸沸騰爐砌筑技術條件》4.4.6中規定的爐頂各環爐襯徑向灰縫應符合“各環間徑向錯縫距離不得小于15 mm”、“相鄰兩環間不允許有三處重縫”和“不允許三環在同一位置同時出現重縫”的要求。對爐頂的磚縫進行抽查發現，相鄰兩環的耐火磚出現三處重逢現象，還存在三環耐火磚在同一位置同時出現重縫的現象。因此，爐頂耐火磚砌筑重縫問題也是造成爐頂鋼殼腐蝕破損的原因之一。

3.2 爐體鋼殼“油漆”工程問題

該沸騰爐建造在山區野外，晝夜溫差大，容易出現露水，空氣濕度也較高。爐體內透過磚縫泄露出的SO2和SO3氣體很容易與露水或大氣中的水和氧氣反應生成稀硫酸，形成強腐蝕性的惡劣工作環境。

根據國家化工行業標準HG/T 4077-2009《防腐蝕涂層涂裝技術規范》表2規定，在強腐蝕性環境下，防腐蝕涂層厚度應≥200μm，而在現場所測沸騰爐爐體鋼殼外壁防銹油漆涂覆過薄，涂層厚度遠遠未能達到標準規定的200μm要求；另外，沸騰爐在焙燒過程的高溫作用下，由于沸騰爐的保溫情況較差，爐外壁152℃的高溫會使防腐蝕層加速老化，在山間風吹、日曬、雨淋的惡劣環境下，會使原來就存在質量缺陷的沸騰爐爐體鋼殼的防腐蝕涂層的很快就老化破損脫落，使得爐體外表鋼殼的金屬完全暴露在稀硫酸的強腐蝕環境中。

綜上所述，由于沸騰爐爐頂耐火磚存在灰縫寬度過大、不飽滿和重逢等質量缺陷，導致爐中的SO2和SO3氣體泄露，與山區野外的露水或大氣中的水和氧氣反應生成稀硫酸，腐蝕了因防銹油漆涂覆過薄的爐體鋼殼，造成沸騰爐爐體嚴重腐蝕損壞。

4 幾點建議

針對該企業沸騰爐出現的問題，為延緩沸騰爐爐殼腐蝕損壞提出以下幾點建議。

（1）沸騰爐爐頂耐火磚的砌筑灰縫寬度應不超過2 mm，以避免耐火泥受熱收縮產生的張力破壞[3]。灰縫泥漿應飽滿，灰縫寬度均勻，灰縫飽滿度不得低于90%。

（2）沸騰爐爐頂耐火磚的砌筑應避免重縫，有利于提高砌體牢固性及氣密性。

（3）爐殼外層的油漆工程應按照標準規定，根據腐蝕環境和使用溫度，選擇合適的底漆、面漆防腐蝕涂料，涂漆過程中應嚴格控制每道漆層的厚度。在強腐蝕性環境下，防腐蝕涂層厚度應≥200μm。

（4）爐體的砌筑需要考慮保溫效果，避免沸騰爐鋼殼外壁溫度過高導致鋼殼防腐蝕涂層的老化破損速度加快。

［1］張志賢，喻貞仁.工業爐砌筑施工操作技術［M］.北京：冶金工業出版社，2008.

［2］徐邦學.硫酸生產工藝流程與設備安裝施工技術及質量檢驗檢測標準實用手冊［M］.南寧：廣西電子音像出版社，2004.

［3］楊剛.提高沸騰爐使用壽命的有效途徑［J］.建材技術與應用，2002（5）：23-26.