鍋爐管內腐蝕結垢過程的實驗研究

林成

摘 要：鍋爐在運行過程中始終處于高溫高壓狀態，因此管內腐蝕結垢問題不可避免，但腐蝕結垢問題會嚴重影響鍋爐運行安全，對鍋爐使用壽命也有一定影響，因此需要對鍋爐腐蝕結垢過程進行分析研究，探討其具體產生原因，以降低腐蝕結垢速率。根據實驗結果得出結論：鍋爐管內腐蝕結垢通常分為氧化、中間以及結構三層，根據腐蝕結垢過程不同也可分為三個形成階段：形成期、成長期以及穩定期，在實驗過程中，鍋爐內液體濃度越高，對管內金屬影響越大，使腐蝕與結垢速率加快；表面粗糙程度與腐蝕間關系較小，但對結垢有一定影響。

關鍵詞：腐蝕結垢；分層；反應過程；影響因素

鍋爐通過對水施加高溫高壓使其成為水蒸氣并實現化學能向機械能的轉化，因此水是鍋爐工作過程中最重要因素。若鍋爐中水質不達標，會使鍋爐管道出現腐蝕結垢現象，這種現象的出現會嚴重影響鍋爐運行安全。其中管壁溫度會隨著結垢厚度增加而迅速上升，最后超出鍋爐所能承受溫度，導致其強度降低，部分零件出現破裂、變形，對鍋爐造成破壞；鍋爐中金屬構件極易出現腐蝕，而腐蝕會使其部件厚度逐漸降低，產生凹陷，會大大降低金屬構件強度，導致鍋爐使用壽命縮短，威脅使用安全。若缺乏對鍋爐的日常檢修與維護，會導致腐蝕結垢不斷發展，甚至出現爆管問題。鍋爐的腐蝕結垢現象復雜多變，涉及影響因素較多，在本次實驗研究中，將對鍋爐運行環境進行模擬以研究其管內腐蝕結垢問題出現原因及其相互間關系。

1實驗概況

本次實驗應用高溫反應釜進行鍋爐環境模擬，配置與鍋爐中水環境成分相同的溶液，以T22鋼結構為研究對象，對其腐蝕結垢過程進行研究分析。對T22鋼結構進行一定處理后，將其制成形狀、質量相同的長方形試片，放入高溫反應釜中，令試片完全浸沒在與鍋爐水環境相同的溶液中，依據鍋爐運行環境進行模擬，經過一定時間后取出試片。將所取出試片進行稱重，并應用SEM、EDS、XRD方式分析試片。由于實際鍋爐運行環境中造成管內腐蝕結垢的原因復雜多變，因此實驗中對鍋爐環境進行模擬時，為了成功得到與實際相符的腐蝕結垢現象。

2實驗結果

本次實驗應用不同方式對T22鋼結構試片進行分析，從不同角度、不同方向探究了金屬表面出現腐蝕與結垢的原因。

2.1 SEM和EDS分析

在相同溶液環境、不同運行時間的實驗條件下，對試片進行SEM以及EDS分析。在運行1h后，試片表面已經出現大面積小顆粒。經成分分析，金屬成分中尚未出現Ca，此時試片表面為金屬氧化膜。這種氧化膜通常為雙層結構，內部結構成分細致緊密，外層結構較疏松，具有較低附著性，極易被剝落。經研究發現，隨著運行時間增長，試片表面氧化膜范圍逐漸變大，開始出現晶狀顆粒，金屬試片成分中Ca含量逐漸增多而Fe含量減少，附著力增強，最終形成水垢，難以對其進行清除。

2.2 XRD分析

利用XRD能夠對金屬試片表面腐蝕結垢物質成分進行分析。在實驗過程中發現，CaCO3是結垢物質主要成分，Fe3O4和Fe2O3是腐蝕產生物質的主要成分。隨著實驗時間增加，CaCO3與Fe2O3含量增加，Fe3O4含量逐漸降低，因此可得出結論，在反應過程中，腐蝕所產生物質隨著反應時間增加逐漸從Fe3O4向Fe2O3轉化，金屬表面出現氧化膜，一定程度上減緩了金屬腐蝕速率。

2.3腐蝕結垢層分析

為了研究金屬表面的氧化層和結垢層之間各個元素的分布情況，利用電鏡SEM觀測其斷面的分層情況，并利用能譜儀對試片從基體到外層進行線掃描分析，測試各元素的含量變化，可以發現金屬表面的腐蝕結垢層大致可分3層：第一層緊貼在基體表面，為比較致密的氧化層。大約10～15μm階段，Fe元素含量逐漸降低，而O元素含量升高，說明金屬表面生成了氧化膜。該氧化膜能阻滯金屬原子或侵蝕性介質的分子穿過該膜向金屬表面的擴散，在一定程度上阻止金屬腐蝕過程的發展，從而使腐蝕速度降低，但粗糙的氧化膜也為CaCO3結垢提供了結晶核心，因此該層也會有少量Ca元素，并且含量有些浮動。第二層為中間層，大約15～20μm階段，在該層金屬的腐蝕和CaCO3的沉積同時發生，但垢層和氧化層之間的粘結不緊密，中間會有一些空洞。

2.4 結垢腐蝕過程的機理分析

為了分析金屬腐蝕結垢的過程，對金屬試片進行稱重分析，利用單位表面積的質量變化分析腐蝕結垢程度，用260號砂紙打磨金屬試片，在CaCl2溶液（濃度為50mg/L）和NaHCO3溶液（濃度為37.84mg/L）中進行金屬腐蝕結垢實驗后的質量變化曲線。可以看出，試片的質量變化趨勢是先失重，然后增重，隨著時間的增加，增重速度逐漸平緩，并趨于穩定。通過試片的稱重法，并結合之前的SEM和XRD進行分析，可以得出金屬的腐蝕結垢過程，主要可分為3個階段：第一階段為氧化膜生成期，金屬試片浸入溶液的初期，會與高溫高壓的溶液發生腐蝕反應，表面生成金屬氧化物，覆蓋在金屬表面。第二階段為結垢迅速成長期，試片表面大部分區域已經形成氧化膜，能在一定程度上阻止腐蝕過程的發展，使腐蝕速度降低。同時隨著運行時間的增加，試片表面生成的氧化膜比較疏松，從微觀上看會有些凹凸不平處，并且金屬氧化膜表面的“剩余化合鍵力”具有吸附能力，所以會為非均相成核提供許多核化點，吸附作用將使晶胚在這些位置優先形成，形成結晶核心，從而使溶液中的CaCO3向結晶核心聚積，形成沉積物。這些先期沉積的附著物，破壞了水中的溶解平衡狀態，使得鹽分向這些區域很快析出，使結垢迅速增加。第三階段為穩定期，試片表面大部分區域已經形成比較致密的氧化膜，可以很大程度地保護金屬，使腐蝕速度緩慢。而表面沉積物經過快速增加的成長期之后，最終會覆蓋整個金屬表面，污垢的增加也趨于穩定。因而在這個階段金屬的腐蝕和結垢速度都趨于穩定。

2.5 表面粗糙度的影響

為了觀察金屬表面粗糙度對腐蝕結垢的影響，對試片表面分別用260號、600號、1200號砂紙打磨，打磨的砂紙越粗，試片表面粗糙度越高。粗糙度不同的試片在本次試驗條件下，通過試片的質量變化曲線可以發現，表面粗糙度對腐蝕的影響不大，而粗糙度的增加明顯會促進結垢速率與結垢量的增加。

結束語

本次實驗利用高溫反應釜以及溶液對實際鍋爐狀態進行模擬，通過分析法對其成分進行分析，得出以下結論：鍋爐管內腐蝕有三層，其形成過程也有三個階段，因此鍋爐腐蝕結垢是逐漸形成的。受水質影響較大，氧化膜會加速結垢速度，降低腐蝕程度，因此要重點關注氧化膜處理方式，定期進行維護處理，減少腐蝕結垢現象，促進鍋爐使用壽命增加。

參考文獻

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