鍋爐煙管腐蝕穿孔的案例分析

王曉峰

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院，泉州 362000）

1 概況

某廠一臺WNS8-1.25-Q(LN)臥式內燃蒸汽鍋爐，于2014年8月投入使用，連續運行至2017年9月，進行內部檢驗時發現回燃室管板管孔區存在泄漏，如圖1。該鍋爐配套全自動離子交換水處理設備且運轉良好，同時采取鍋外水處理后的加藥補充處理方法，在給水中添加片堿（Na（OH））及磷酸鹽（Na3PO4）。該使用單位采用鍋外水處理方法給鍋爐供水的同時還回收車間機臺的蒸汽冷凝水，補充加入鍋爐給水。日常生產時該鍋爐出口蒸汽壓力在0.8MPa～1.1MPa范圍，實際蒸發量最高為9.8t/h（由流量計換算）。鍋爐尾部未配置省煤器及空氣余熱器等設備，未采取給水除氧措施。

圖1 回燃室管板泄漏

2 現場調查

圖2 煙管腐蝕形態

為找出泄漏源，檢驗人員對泄漏處管孔區進行宏觀檢查及磁粉檢測，未發現泄漏點和其它缺陷。檢查前管板對應位置，也未發現超標缺陷，則可推測泄漏點位于煙管直段。鍋爐本體水側水位線以下輕微結垢，管板及螺紋煙管未見明顯變形。螺紋煙管水側上部存在多處Φ10mm～40mm大小的磚紅色鼓包，除掉表層腐蝕物后，次層為黑色粉末。全部清除上排煙管上腐蝕處的腐蝕產物后發現若干腐蝕坑，腐蝕深0.5mm～2.0mm不等，如圖2。由于上排煙管阻擋，只能從側面目視觀察尋找泄漏點，發現第3、4排煙管上部存在與圖2同類型鼓包突起。敲除第4排邊緣兩根煙管上部的蘑菇狀鼓包，發現與圖2相類似的腐蝕坑。經水壓試驗驗證，共4根煙管泄漏，上文提到的第4排的兩處腐蝕坑為其中兩個泄漏點。

3 原因分析

3.1 管樣化學成分分析

該鍋爐選用Φ60×3螺紋煙管，由江蘇大潤機械制造有限公司生產，材質為20低碳鋼，制造標準為GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》。對其取樣化驗后，管樣主要成分如表1所示。

表1 煙管管樣主要成分（%）

各主要元素含量均符合標準要求。

3.2 腐蝕產物分析

腐蝕產物分析結果如表2所示。

表2 腐蝕產物分析結果（部分）

腐蝕產物中鐵的氧化物含量超過80%，其主要成分為Fe2O3、Fe(OH)3和Fe3O4等。

3.3 水質化驗數據分析

統計該鍋爐2016至2107年度全部10份的水質檢測報告，僅有一份結論為合格、一份結論為基本合格，其余均為不合格報告。2016年5份水質檢測報告結論均為不合格，不合格原因均為鍋水酚酞堿度、全堿度、PH值（25℃）、溶解固形物、磷酸根濃度高于GB/T 1576-2008《工業鍋爐水質》標準要求。其中酚酞堿度、全堿度、溶解固形物、磷酸根濃度均大大超過標準。甚至，酚酞堿度和全堿度最高濃度超出標準上限的兩倍。該鍋爐采用鍋外水處理輔助鍋內加藥（Na（OH）、Na3PO4）的水處理方法。該鍋爐的鍋內加藥方式為通過加藥罐人工加藥。司爐操作人員每天僅加藥一次，一次加完一天的劑量。剛剛加藥后鍋水內各種化學藥劑濃度遠高于水質化驗報告中數值。至2017年鍋爐使用單位全部更換司爐操作人員，加強管理，過度加藥情況有所整改。2017年度水質檢測報告不合格項目變成磷酸根濃度為零、給水PH值略超標準等。

3.4 腐蝕機理分析

3.4.1 氧腐蝕

該鍋爐型號為WNS8-1.25-Q(LN)，即額定蒸發量為8t/h。因生產用汽量過大，額定供汽不能滿足要求。使用單位不得不增加單位時間內熱能輸入量，從而提高蒸汽產量，導致該鍋爐蒸發量超過額定蒸發量。超負荷運行使該鍋爐各受熱面熱流量升高。煙管受熱面承擔該臺鍋爐絕大部分負荷，鍋水蒸發更加劇烈。泄漏的螺紋煙管位于高溫區，位于煙氣流程的上游，其工作溫度僅低于爐膽和回燃室管孔區。該公司未采取鍋水除氧措施，鍋水中必然攜帶溶解氧。煙管強烈的熱交換引起鍋水濃度急劇增加，氧濃度提高。高溫煙管分布于爐膽周圍且密集排列，多根煙管共同作用，加劇了鍋水濃縮。現場發現的腐蝕坑多位于螺紋煙管外表面的螺紋內，該位置管內金屬有幾何形狀突變，受高溫煙氣沖刷劇烈，熱負荷高、溫度相對較高。螺紋鋼管外側螺紋處存在內凹且溫度較高，易聚集并濃縮鍋水，形成電化學腐蝕條件。鍋水中高濃度的氧與煙管外壁的鐵產生電化學反應，生成鐵的氧化物，氧化物覆蓋于金屬和鍋水的界面上。典型氧腐蝕的化學反應式如下[1]：

上述反應即為氧腐蝕，產生的Fe2+在水中進行二次反應，公式為[1]：

螺紋煙管螺紋處強烈的熱交換不利于金屬表面氧化膜的形成和穩定。新生成的鐵的氧化物離開金屬表面，成為腐蝕坑內的腐蝕產物。腐蝕產物與煙管間繼續聚集濃縮鍋水，氧濃度再次提高，腐蝕加劇。并且，腐蝕坑內腐蝕產物與金屬間的鍋水濃縮后，PH值同時提高，當PH＞13時，腐蝕產物可變為可溶性HFeO2–，可促使氧腐蝕速度上升[1]。

3.4.2 介質濃縮堿腐蝕

首先，該鍋爐使用單位采取鍋外水處理后的加藥補充處理方法，在給水中添Na（OH）及Na3PO4。如前文所述，過量的手工加藥方式使鍋水中OH-離子濃度成倍升高，PH值同時提高。螺紋煙管外表面溝槽結構易堆積水垢和腐蝕產物，表面沉積物越多則下面煙管管壁金屬溫度越高，鍋水濃縮越大，腐蝕越嚴重。在較高的熱負荷下，管壁金屬和腐蝕產物間鍋水高速濃縮，同時外部鍋水補充進來，稀釋這部分鍋水，受熱后再次濃縮，連續的外部鍋水補充帶來了更多的OH-離子。當Na（OH）達到一定濃度后，金屬表面的Fe3O4先和Na（OH）反應，再和管壁金屬反應，生成Na2FO4和NaFO2。而這二種成分會與新補充進來的鍋水產生水解反應，生成Fe2O3、FeO和Na（OH）[1]。這個過程不斷循環，Na（OH）的濃度并未降低。煙管外壁的金屬不斷被腐蝕掉，形成皿狀腐蝕坑。而腐蝕產物逐層向上生長，形成蘑菇狀突起。

其次，冷凝水回收補充入鍋爐給水，引入更多的鐵離子，腐蝕產物增多，堆積到煙管表面。一般來講，鍋爐水側金屬表面堆積物越多，則介質濃縮腐蝕越嚴重[1]。

綜合以上腐蝕機理分析，氧腐蝕和介質濃縮堿腐蝕共同作用，產生腐蝕坑，腐蝕深度不斷增加，煙管腐蝕坑底部金屬在外壓作用下破裂并穿孔。腐蝕產物與化驗結果一致，腐蝕形貌特種也基本符合。分析腐蝕機理得出，未進行鍋水除氧、超負荷運行及過量加藥等是引起腐蝕穿孔的主要原因。

4 處理結果

此次鍋爐內部檢驗結論為不符合要求，使用單位立即停止使用該鍋爐。使用單位請有資質的修理單位對泄漏煙管進行堵焊修理。修理后前管板如圖3所示。

圖3 堵焊修理

5 改進建議

該鍋爐高溫區煙管上部存在大量腐蝕坑，其中有四處泄漏，這四根泄漏的煙管已堵焊修理。但其它有腐蝕未泄漏的煙管還有很多。經強度校核其余存在腐蝕的煙管強度滿足要求。使用單位應清除腐蝕產物，監控煙管的腐蝕情況，限制條件運行該鍋爐。

結合上述腐蝕機理分析，改進建議如下：

（1）GB/T 1576-2008《工業鍋爐水質》中規定：額定蒸發量大于等于10t/h的鍋爐，給水應除氧。額定蒸發量小于10t/h的鍋爐如果發現局部氧腐蝕，也應采取除氧措施[2]。該鍋爐存在局部氧腐蝕，使用單位應按照標準要求采取除氧措施，并定期化驗給水中溶解氧的含量是否符合要求。

（2）禁止鍋爐超負荷運行，盡量保持75%～85%負荷范圍內，此時鍋爐熱效率較高，可保證長時間安全運行。通常熱負荷越高，鍋水濃縮速度越快，腐蝕產物堆積較快，可同時促進氧腐蝕和介質濃縮堿腐蝕。

（3）使用單位應規范鍋內加藥的方式和方法，監督司爐操作人員，多次、少量加入藥劑。增加每日的水質檢測次數，并且補充回水各檢測項目，監控工業鍋爐各項水質指標，使其符合標準要求。