工業鍋爐垢下腐蝕缺陷成因分析

摘要：某工業鍋爐出現鍋爐大面積腐蝕穿孔泄漏事故，本文對這一情況進行缺陷成因分析，初步判斷是水處理不當，鍋爐結垢，造成沉積物下腐蝕，并提出缺陷預防措施及意見。

關鍵詞：沉積物下腐蝕 加藥不當 缺陷成因分析

福建某企業的一臺DZG2-1.25-WⅡ型工業鍋爐，工作壓力為1.25Mpa，額定蒸發量為2t/h，固定爐排，燃料為Ⅱ類無煙煤。該鍋爐補給水是使用地表水，水源由于受污染長期呈弱酸性，該鍋爐水處理形式采用鍋內加藥，藥劑為燒堿、純堿，加藥方式粗獷，司爐工常一次性把整袋燒堿投入給水池；該鍋爐投用時尚未配備水處理化驗人員，鍋爐運行時未監測鍋爐給水、鍋水水質；該鍋爐因生產緊張常超負荷運行，僅偶爾在低負荷時排污；季節性生產，停用階段沒有采取任何保護措施，每年開工前會以人工機械方式清理垢渣。投入運行15年，常發生爐管穿孔泄漏事故。

1 宏觀檢查

打開鍋爐所有人手孔，對鍋爐內部進行了全面檢查，鍋爐內部水垢1mm，邊角后管板管束區及鍋筒底部積存較多難以清除的堅硬老垢；清除垢渣后發現鍋筒前下側、后管板中下側發現大面積垢下潰瘍型腐蝕坑，深約2mm-

5mm；煙管、壁管均發現大面積垢下潰瘍型腐蝕坑，深1mm-3mm，部分已穿孔泄漏；腐蝕部位有堅硬的黑褐色腐蝕產物。整體腐蝕情況明顯是向火側、溫度高的高熱負荷區域腐蝕較明顯：鍋筒底部前方受幅射加熱區腐蝕明顯；水冷壁管明顯是向火側腐蝕更嚴重；高溫區進口段煙管腐蝕明顯比低溫區更深；未受熱的下降管、集箱未發現明顯腐蝕，前管板腐蝕也不明顯，經壁厚檢測，僅稍有減薄，未發現較大減薄。

2 檢測項目結果

2.1 檢查該鍋爐鍋檢部門抽查的歷年水質檢測報告：給水PH值5.7～6.3；硬度為1.8～2.6mmol/L；濁度1.0～

1.3（FTU）；鍋水：pH值8～12.5；堿度0.28～28mmol/L；結果顯示給水長期呈弱酸性，硬度較高；鍋水pH值，堿度波動較大，但大多偏高，這與其粗獷的加藥方式有關。

2.2 對腐蝕產物進行分析：腐蝕產物主要是鐵氧化物。

2.3 管樣化學成分分析：爐管管樣主要成分均正常，符合20，GB3087-2008的標準。（表1）

2.4 對割取的腐蝕部位爐管管樣進行了顯微分析，發現其金相組織為索氏體+珠光體，具有帶狀趨向，晶粒度8～9級，從組織和夾雜物分布認為是正常的。

3 缺陷成因分析

根據調查獲得水樣分析、垢樣分析、鍋爐加藥方式、鍋爐內表面的腐蝕狀況和腐蝕產物分析結果，排除材質引起缺陷，初步判斷該鍋爐的腐蝕是以沉積物下濃縮堿腐蝕為主，而且還存在鐵垢引起的電化學腐蝕和氧腐蝕。

由于使用單位管理不善，未配備水處理人員，未作日常水質化驗及記錄，未根據水質化驗結果指導加藥，在鍋檢部門抽樣發現水質異常提出：應往給水箱中加入適量防垢藥劑，以提高給水pH值及鍋水酚酞堿度、全堿度和PH值，防止鍋爐結垢和腐蝕后才采取在給水箱中加入（NaOH+Na2CO3）措施，但加藥時間及用量都不均勻，加藥時司爐工常一次性把整袋燒堿投入給水池，再由水泵抽進鍋爐，這種加藥方式極易造成鍋水pH值超標，堿度過大（至少是短時超標），再加上該鍋爐積垢較多且常處于超負荷狀態，使游離的氫氧化鈉濃縮到危險的濃度（特別是受熱溫度較高的高熱負荷部位），造成沉積物下濃縮堿腐蝕，直至穿孔泄漏。

4 腐蝕破壞機理分析

4.1 氧腐蝕

由于該鍋爐未采用除氧裝置，造成含氧的給水進入鍋爐而造成爐管發生氧腐蝕，使用鍋爐內產生了大量的氧腐蝕產物。氧腐蝕產物是比較疏松、沒有保護性的鐵氧化物，它們的密度不足鋼鐵的1/2，因此突起成丘狀，堆積在腐蝕潰瘍處，從而導致了腐蝕部位內外氧濃差電池的形成，使腐蝕得以繼續進行下去。

在鍋爐停用期間，如果不采取保養措施，鍋爐汽水系統金屬內壁會遭到溶解氧的腐蝕。因為鍋爐停止運行后，外界空氣必然大量進入汽水系統內部，雖然鍋爐已經放水，但管子內壁往往因為受潮而附著一層水膜，溶解水膜中的氧，很容易腐蝕此處的金屬材料，尤其當停用鍋爐的管子內壁附著沉積物或水渣時，更會加快腐蝕的進程。

4.2 鐵垢引起的電化學腐蝕。該鍋爐自身腐蝕產物，且由于原水呈酸性，給水系統酸腐蝕嚴重帶入鐵腐蝕產物；加之停用階段沒有采取任何保護措施，也導致爐內形成了大量的未排出停用腐蝕產物Fe2O3。這些鐵腐蝕產物起陰級去極化劑的作用，在鍋爐運行時發生電化學反應。反應生成的FeO和Fe2+一遇到氧，又被氧化成高價鐵氧化物，這樣只要存在氧，就會使腐蝕過程反復進行下去，形成惡性循環。

4.3 沉積物下介質濃縮酸堿腐蝕：當鍋爐蒸發受熱面附著沉積物時，金屬管壁溫度升高，使滲透在沉積物下面的鍋水急劇蒸發濃縮，導致各種雜質濃度升高所造成的腐蝕。垢下腐蝕可能是堿性腐蝕，也可能是酸性腐蝕。主要取決于鍋水中所含的物質以及鍋水的pH值。而該鍋爐鍋水波動較大，兩種情況都可能發生。

正常條件下，鍋爐金屬表面有一層致密的Fe3O4保護膜，只有當它受到破壞時金屬才發生腐蝕。在pH11～12范圍，保護膜最穩定。在鍋水pH值較低時，當有少量CaCl2和MgCl2進入鍋爐時，就會水解產生HCl，由于受熱面表面有多孔沉積物存在，受熱面和介質之間就會存在一個穩定的溫度梯度。生成的HCl由于沉積物的阻礙不易和鍋水混合均勻，導致沉積物下HCl的濃度越來越高，使腐蝕繼續進行下去。這時可能鍋水的pH值是合格的，而腐蝕坑內形成的閉塞區的pH值可能低于5，同時水中氯離子能破壞金屬表面保護膜的完整性，降低其擊穿電位，引發金屬的酸性腐蝕。

從水質化驗結果、鍋爐腐蝕狀況和腐蝕產物分析來看，該鍋爐是沉積物下濃縮堿腐蝕為主。由于該鍋爐堿腐蝕是指游離的氫氧化鈉對金屬的腐蝕。鍋爐水堿度或pH偏高時，在高熱負荷部位由于沉積物下水流不暢或發生核態沸騰造成堿濃度過高發生堿腐蝕。濃縮堿的存在將損壞四氧化三鐵保護膜，造成金屬以光滑起伏刨槽形式的腐蝕，它的深度是濃度和金屬與堿接觸時間的函數。在常溫下，只有當氫氧化鈉濃度高于30%時，才會因為鋼鐵表面氧化膜的溶解而引起腐蝕。但在鍋爐的高溫高壓力條件下，鍋水中含有5～10%的氫氧化鈉，也能使鋼鐵發生較強烈堿腐蝕。鍋爐在運行正常的情況下，是不會造成堿腐蝕的，即使pH=13，鍋水中相當于NaOH含量也不過0.5%左右，碳鋼在這樣濃度的堿濃液是非常穩定的。發生堿腐蝕原因是由于碳鋼的局部發生了堿的濃縮，使氫氧化鈉達到危險的濃度，這時鋼鐵表面的保護膜四氧化三鐵首先和濃NaOH反應，隨后其下的基體金屬鐵也和NaOH反應，產生鐵酸鈉和亞鐵酸鈉。而這兩種物質又可與滲入的鍋水發生水解反應，生成氧化鐵和氧化亞鐵腐蝕產物和NaOH，后者又繼續腐蝕金屬，整個反應過程并不消耗NaOH，使腐蝕一直繼續下去。堿性腐蝕一般具有局部性的特性，呈現小溝槽或不規則的潰瘍型。堿腐蝕的作用，主要是溶解鋼鐵表面的氧化膜，使其表面失去作用，從而創造了腐蝕過程連續發生的可能性。同樣，發生這種腐蝕時，檢測鍋水的堿度和pH值很難發現局部的高濃度堿。

5 缺陷預防或監控措施及意見

根據GB/T1576-2008《工業鍋爐水質》標準規定：額定蒸發量小于或等于4t/h，且額定蒸汽壓力小于或等于1.3Mpa的自然循環蒸汽鍋爐、對水汽質量無特殊要求的汽水兩用鍋爐、額定功率小于或等于4.2MW非管架工承壓的熱水鍋爐，均可采用單純鍋內加藥水處理。該使用單位鍋爐符合要求，允許采用鍋內加藥水處理，但鍋內加藥量是需要科學計算，加藥方式要符合要求。鍋內加藥處理藥劑用量的確定通常分兩種，一是根據原水的硬度、堿度和鍋水需維持的堿度、鍋爐排污率等參數，并按化學反應物質的量進行計算確定，二是按實驗數據或經驗用量進行計算。

根據TSG G5001-2010《鍋爐水（介）質處理監督管理規則》規定：鍋爐使用單位應當結合本單位實際情況，明確崗位職責，建立健全水（介）質處理管理制度并且嚴格執行，確保水（介）質的質量符合要求。鍋爐使用單位應當根據鍋爐的數量、參數、水源情況和水處理方式等配備相應的鍋爐水處理作業人員。鍋爐使用單位應當對水汽質量定期進行常規化驗分析。該使用單位長期對水處理工作不重視，未配備水質化驗人員，未作水質分析及記錄，長期任由司爐工隨意加藥。此次鍋爐因水處理不當出現鍋爐腐蝕損壞，損失較大，須引起企業對水處理作業重視，培訓水質化驗人員，作好水質化驗工作，合理加藥，科學排污，選擇合適的鍋爐停爐保養措施，清除水垢，避免同類事故的發生。

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作者簡介：章振華（1981-），男，福建龍巖人，福州大學在讀工程碩士，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道等承壓類特種設備監督、檢驗工作。