蒸壓釜檢驗中發現的腐蝕現象原因分析

張繼周+蘇振+鄭麗娜

摘 要：一臺蒸壓釜在進行全面檢驗過程中發現異常的腐蝕現象。針對這一腐蝕現象結合現場情況、工作參數和國家的相關標準、規范進行了一系列的原因分析，并提出了相應的預防和改善措施。

關鍵詞：蒸壓釜；高溫氧腐蝕；高溫硫化物腐蝕；碳酸鹽應力腐蝕開裂；

1 情況介紹

某市一家利用煤粉燃燒過后生成的煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾生產砌塊的工廠2012年新安裝了一臺175M3的蒸壓釜，并于當年底投入使用。該蒸壓釜工作壓力1.2MPa，工作溫度200℃，設計使用年限8年，筒體采用Q345R材質厚16.0mm的鋼板制造，容積175.0M3，內徑2850mm，造日期2011年7月3日，工作介質為飽和水蒸汽、水泥、砂漿。2005年9月進行首次全面檢驗，檢驗過程中發現蒸壓釜內部兩端有軌道脫焊現象，底部有連續分布的腐蝕坑，最大的有80×50mm，深5.0mm，如圖1所示。外部保溫層下普遍氧腐蝕，并伴有點腐蝕坑，最深1.5mm。

2 生產工藝

將煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾等和水按照一定的比例混合，發酵凝固后切割成塊，推入蒸壓釜內，后通入蒸汽升壓升溫，待達到200℃，1.2MPa時保溫保壓6h，再降溫降壓至室溫常壓，把已經干燥的砌塊推出再把新潮濕的砌塊放入，如此周而復始的生產。該廠地處農村，現場粉塵較大。軌道上粉塵堆積，料車脫軌現象時有發生。蒸壓釜安放在排污池上方，環境高溫潮濕，水汽較大。

3 原因分析

3.1 高溫氧化腐蝕

蒸壓釜在200℃左右的高溫潮濕環境中使用，高溫下鐵與氧反應生成蓬松的鐵氧化物。設備運行時產生振動，疏松的鐵氧化物脫落，露出單質鐵，鐵又氧化成鐵氧化物，再脫落，周而復始，從而造成蒸壓釜壁厚減薄。這種腐蝕現象宏觀一般表現為普遍均勻腐蝕，造成的后果是壁厚均勻的減薄[1]。

3.2 二氧化碳腐蝕

空氣中含有的二氧化碳溶解在蒸壓釜內的凝結水中，生成碳酸。蒸壓釜在高溫潮濕環境下和二氧化碳（碳酸）發生反應，反應式如下：

H2O+CO2+Fe→FeCO3+H2

腐蝕區域壁厚減薄；在紊流區、液體沖擊區域、焊縫的根部可能形成蝕坑或蝕孔。且在紊流區，可能形成較深的點蝕坑和溝槽。所以檢驗時應當重點檢查底部焊縫的根部。其主要影響因素：⑴二氧化碳的分壓越高，則溶解在水中的二氧化碳越多，形成碳酸的濃度越大，則腐蝕性越強。⑵在溫度未達到溶液中二氧化碳氣體一處溫度前，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。

3.3硫酸腐蝕

煤粉渣中含有多種硫化物，如二氧化硫、三氧化硫等，它們與水接觸生成亞硫酸、硫酸等，在與碳鋼發生一系列復雜的化學反應，從而造成了碳鋼的流失和材質的劣化。主要表現為焊縫熱影響區會速度明顯加快，在焊接接頭部位形成溝槽。在低流速區或滯留區形成氫槽。且硫酸的腐蝕性極強，他不但能夠腐蝕到單質鐵，而且還能腐蝕焊縫中的雜質，例如Cr、Mn等。其主要的影響因素：⑴ 酸的濃度：因為硫酸具有極強的氧化性，所以隨著濃度的增高，其腐蝕性反而減小。⑵工作溫度：酸的濃度一定時，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。

3.4 冷取水腐蝕

冷卻水中多溶解氧氣、二氧化碳等氣體。它們能與碳鋼發生反應產生腐蝕。腐蝕多表現為點蝕，呈潰瘍狀，在金屬表面形成黃褐色或磚紅色鼓包，直徑從1～30mm不等，由各種腐蝕產物組成，腐蝕產物去除后，可見金屬表面腐蝕坑[2]。

3.5 高溫硫化物腐蝕

碳鋼在高溫下與硫化物反應發生的腐蝕，其原理如下：

Fe+RS→FeS+R

通常表現為均勻減薄，同時生成FeS保護膜，膜層大約是被腐蝕掉的金屬體積的5倍，并可能形成多層膜；碳鋼表面保護膜因結合牢固且有光澤的灰色膜容易誤認為是沒有發生腐蝕的金屬。主要影響因素：⑴溫度：鐵基合金的硫化物腐蝕通常在金屬溫度超過 200℃時開始發生，溫度越高，腐蝕越快[1]；⑵合金元素：硫化物腐蝕取決于反應產生的保護性硫化物膜的鈍化能力，氫的存在會破壞保護膜的穩定性，一般而言，Cr含量越高，耐硫化物腐蝕能力越強。合金中Cr含量低于7%～9%，耐腐蝕性能提高很少。⑶氫分壓：存在明顯的氫分壓時，氫氣環境下的高溫硫化物腐蝕速率比無氫環境下的高溫硫化物腐蝕高得多；⑷硫化氫分壓：腐蝕速率隨硫化氫分壓的增加而增大。

3.6 碳酸鹽應力腐蝕開裂

在含碳酸鹽溶液系統中拉應力和腐蝕介質共同作用下發生在碳鋼焊接接頭附近的表面開裂，它是一種特殊的堿應力腐蝕開裂。碳鋼在高溫下與水蒸氣產生如下的化學反應：

3Fe+ 4H2O→Fe3O4+ 4H2

反應生成的Fe3O4覆蓋在碳鋼表面，形成一層保護膜。由于過高的局部拉伸應力會使局部區域的保護膜遭到破壞，在碳鋼表面形成最初的腐蝕裂紋，堿溶液富集在裂紋中，形成電化學腐蝕。裂紋的尖端區域成為陽極，而裂紋周圍的保護層成為陰極，再加上拉伸應力的作用，使裂紋迅速擴展，最終導致斷裂。

碳酸鹽應力腐蝕開裂常見于靠近焊縫的母材上，裂紋平行于焊縫擴展，有時也會在焊縫金屬和熱影響區發生。裂紋細小并常呈蜘蛛狀網狀，焊縫中的缺陷為開裂提供了局部應力集中。裂紋主要為晶間型，裂紋內一般會充滿氧化物。

主要影響因素：⑴應力水平：碳酸鹽應力腐蝕開裂可以在相對低的殘余應力下發生，通常在沒有經過應力釋放的焊縫或冷加工的區域發生。⑵pH和碳酸鹽濃度：隨pH和碳酸鹽濃度的增加，開裂敏感性增加。典型開裂組合條件有pH>9.0且CO2>100ppm，或8400ppm或含水且硫化氫濃度為50wppm或更高，pH為7.6或更高。⑶當二氧化碳含量超過2%時，溫度需高于93℃時就會發生開裂[1]。

4 預防和改善措施

4.1 表層設計

涂覆耐氧化耐腐蝕的表面保護層。以防止周而復始的氧腐蝕，從而避免壁厚的減薄。

4.2 材料設計

金屬鉻可形成保護性氧化物膜，鉻含量的多少在一定程度上決定了金屬的耐腐蝕的強弱。在合金中加入一定量的鉻元素，可以大幅度的提高單質鐵的耐氧化能力。鋁和硅等其他合金元素也具有相同效果，但因其對力學性能不利，添加量應控制。如果鉻含量未達到12%以上，增加鋼中鉻含量不能明顯提高耐腐蝕能力。故一般選用多種合金混合添加。

4.3 工藝設計

對焊接接頭（包括修補焊接接頭和內、外部構件焊接接頭）進行焊后消除應力熱處理[3]。從而減少各種應力腐蝕開裂的可能性。

4.4 結構設計

（1）在設計過程中應盡量避免彎頭等給水部位和較低能夠積水部位的結構。

（2）在設計、制造、安裝過程中應當把排污裝置放在設備地勢最低的部位，以便排污。