鍋爐用耐候鋼和碳鋼的耐蝕性對比

孫占遠 王文娜 李晨碩 常荷茜

【摘 要】用耐候鋼代替普通碳鋼作為鍋爐用材料，可以提高耐蝕性，延長鍋爐的使用壽命。本文對比了耐候鋼和碳鋼在酸性、堿性、中性溶液介質下的浸泡腐蝕速度差異。結果表明：隨著時間增長，兩種材料的腐蝕速率總體為下降趨勢，即最開始腐蝕的最快，隨著腐蝕時間的增長腐蝕速率降低。在三種介質溶液中，耐候鋼的腐蝕腐蝕速率均遠低于普通碳鋼。其中，在堿性介質中，耐候鋼的腐蝕速率為普通碳鋼的39.9%;在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕速率為普通碳鋼的50.6%。

【關鍵詞】浸泡腐蝕;耐蝕性;耐候鋼;碳鋼

一、序言

隨著我國近年來對環保性和經濟性的要求逐漸提高，對高性能的鍋爐需求量越來越大。鍋爐已經成為了人民生產和生活中廣泛使用的特征設備。但是由于鍋爐本身所處的工作環境惡劣：處在高溫的工作環境、爐水的水質波動、燃煤中硫元素的含量等一系列因素都導致了鍋爐中會經常出現腐蝕現象。

給水的酸堿性對鍋爐的腐蝕影響很大[1];這種腐蝕分為兩種情況：一種是堿腐蝕，另一種是酸腐蝕。堿腐蝕是指鍋爐受熱面表面有沉積物時，由于沉積物的傳熱性能比鍋爐差很多，沉積物會使它下邊的金屬壁溫度升高，使得沉積物與金屬壁之間的爐水濃縮。此時又因為爐水pH過大會將金屬的氧化保護膜溶解，電化學腐蝕加劇。酸腐蝕是指爐水中含有氯化鎂（MgCl2）和（CaCl2）時，在沉積物下的氯化鎂和氯化鈣與爐水發生反應生成氫氧化鎂和氫氧化鈣以及鹽酸，使得pH值下降，對鋼材形成酸腐蝕，在實際運行過程中，很多供暖企業為了降低運行費用，采取鍋爐低負荷輸出、低溫供水的運行方式。較低的供回水溫度使得鍋爐的受熱面產生大量的冷凝水，冷凝水引起金屬表面的氧腐蝕，碳酸蒸汽凝結液與金屬接觸會發生酸腐蝕[2]，還有在增加除銹劑時，也會造成酸性溶劑對鍋爐材料的酸性腐蝕。碳鋼在鍋爐應用中耐腐蝕性較差，使用時間長時會出現問題，影響生產。一些公司選用了耐候鋼來代替普通碳鋼作為鍋爐用鋼。

耐候鋼屬于低碳鋼和合金鋼之間的一種低合金鋼，是在碳鋼的基礎上添加了少量的銅、鎳等耐腐蝕性元素而形成的，所以具有耐大氣腐蝕的性能。它具有優質鋼的延性、抗疲勞、成型等優點。本文對比了在不同酸堿介質中，耐候鋼和碳鋼的耐蝕性差異，為鍋爐選材提供參考數據。

二、實驗材料及方法

實驗所選用的對比材料為碳鋼和耐候鋼，耐候鋼的牌號為S355J2W，碳鋼選用的牌號為Q245R。所用到的工具為電子天平，溶液有Na2CO3溶液，過濾后的純凈水以及除垢劑。

通過設置兩種材料的對比實驗，將每種材料做三組對比實驗（腐蝕介質分別為酸性溶液，中性溶液，堿性溶液），整體分為六組。實驗選取pH值為10-12的Na2CO3的堿性溶液用來模擬鍋爐日常工作時的環境;選取過濾后的純凈水用來做空白對照;選取添加了以檸檬酸為主要成分的除垢劑用來模擬鍋爐除垢酸洗時的環境。

首先鍋爐工作時的pH值要求為10-12，選取了Na2CO3溶液作為模擬環境。添加Na2CO3的作用是：（1）能夠有效的消除鈣鎂離子，降低水質的硬度。（2）在爐內壓力作用下部分Na2CO3可以水解成NaOH，來保持鍋水的堿度。過濾后的純凈水里邊不含有雜質，用來模擬理想環境。而酸性條件的選取是由于鍋爐在使用一段時間后，內部會出現不同程度的水垢，但是根據目前的研究狀況來看，最好的水處理方法“三鈉一膠”法防垢率可以達到80%左右，所以爐內的除垢仍然是必要的，而除垢時常用的是酸洗。除垢劑呈酸性，與鍋爐基體易發生反應。根據文獻報道，盡管酸洗時間只有幾個小時，但是酸洗后仍會在鍋爐基體上找到腐蝕的小坑。所以酸洗過程中的腐蝕也應該提起重視。

本實驗采用對比實驗法，1-3組為耐候鋼，4-6組為碳鋼，水浴溫度是70℃。分別測量這兩種鋼材在72，168，288小時后的腐蝕程度。將浸泡達到時間的工件取出后應先將試樣吹干，打磨去所有的表面銹蝕產物，再進行稱重，得到腐蝕后的質量。電子秤可以精確到0.0001g。腐蝕速率的計算公式（1）如下：

X：腐蝕速率（mm/a）

ω1：試驗前質量（g）

ω2：試驗后質量（g）

87600：計算常數

A：試樣表面積（cm2）

T：試驗時間（h）

D：試樣材質密度

其中，耐候鋼的密度為7.85g/cm3，碳鋼密度為7.81g/cm3。腐蝕速率的單位含義為毫米每年（mm/a）。

三、實驗結果及分析

將各組試樣分別經過72小時、168小時、288小時浸泡后取出，吹干，打磨去所有的表面銹蝕產物，稱量實驗后的質量，再根據公式計算出各組的腐蝕速率。

72小時組：在添加了除垢劑的兩組中，試樣表面有黑色的片狀的腐蝕產物，在用水沖洗時該產物十分容易洗凈。而另外四組則是在試樣表面有黃色腐蝕物產生。

168小時組：自來水一組水質混濁，銹蝕產物散布在水質中，浸泡試件上銹蝕產物附著不多。Na2CO3堿性溶液一組，整體水質較為清澈，銹蝕產物附著在試樣上，成片狀;銹蝕產物顏色與自來水浸泡組相比較淺。而加入除垢劑的一組，水質顏色發黑，試樣上的銹蝕產物為黑褐色，腐蝕產物附著厚度最厚（從腐蝕速率上也可得到印證）。但是除垢劑的加入可以使得銹蝕產物、水垢等附著強度減小。在稱重前的打磨過程層中可以發現，銹蝕產物雖然厚度大，但是水一沖洗就會脫落。脫落后的試樣表面，十分光潔。自來水一組和Na2CO3堿性溶液一組的腐蝕產物的附著強度則強一些。

經過計算可以得出72小時浸泡實驗的腐蝕速率如表2所示：

由實驗數據可以得出，耐候鋼在堿性條件下腐蝕速率接近于低碳鋼的42.3%，但在中性條件下的腐蝕速率接近低碳鋼的16.0%，酸性條件下的腐蝕速率接近低碳鋼31.8%。鍋爐的主要工作條件是堿性環境（pH10-12），由此可以得出，在短時間內耐候鋼比低碳鋼具有更優的耐腐蝕性能。

168小時浸泡實驗中樣品的腐蝕速率如表3所示：

分別對比相同環境下，耐候鋼和低碳鋼的腐蝕速率可看出，在堿性條件下，經過168小時浸泡后，耐候鋼腐蝕速率接近于低碳鋼腐蝕速率的40.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的24.1%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的74.7%。

288小時浸泡實驗中樣品的腐蝕速率如表4所示：

分析實驗數據可以得出，在堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的36.5%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的37.5%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的45.4%。有較好的的耐蝕性。

綜合以上三種情況，取三次實驗各種環境下的平均值可以得到，在堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的39.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的25.9%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的50.6%。有較好的的耐蝕性。

四、結論

綜合浸泡72小時、168小時、288小時三個時間測得的數據。可以發現在堿性條件下耐候鋼的最大腐蝕速率為0.1465mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為0.3463mm/a;中性條件下，耐候鋼的最大腐蝕速率為0.2966mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為1.8499mm/a;酸性條件下，耐候鋼的最大腐蝕速率為2.2707mm/a，低碳鋼的最大腐蝕速率為5.4069 mm/a。在三種水質中堿性水質的工作情況下水垢附著的厚度最小、測得的腐蝕速率最慢。堿性條件下，耐候鋼的腐蝕速率接近于低碳鋼的39.9%，在中性條件下，耐候鋼的腐蝕速率僅為低碳鋼的25.9%，在酸性條件下，耐候鋼的腐蝕低于低碳鋼，大概為低碳鋼腐蝕速率的50.6%。

因為鍋爐的主要工作環境是pH10-12之間，屬于堿性環境，耐候鋼在堿性環境下腐蝕速率很低，符合鍋爐用鋼的要求。又因為自來水中含有較多的鈣、鎂離子，容易形成水垢，需要使用酸性的除垢劑，耐候鋼在酸性條件下的耐蝕性能遠遠優于低碳鋼。由此可以得出，用耐候鋼取代低碳鋼作為鍋爐材料是可行的。

【參考文獻】

[1]劉炳偉. 鍋爐鋼材腐蝕破壞及機理研究[D].鄭州大學，2013.

[2]程港，劉爽，趙雷，錢志博，肖玉龍.燃氣熱水鍋爐煙氣低溫腐蝕的預防及鍋爐直供系統設計探討[J].工程建設與設計，2018（17）：87-89+92.

[3]王國平，王軍明，劉委東，郭希柱.鍋爐水冷壁垢下腐蝕分析及措施[J].齊魯石油化工，2019，47（01）：53-56.

[4]程遠鵬，白羽，鄭度奎，李自力.X65鋼在CO_2/油/水環境中的腐蝕特性試驗[J].油氣儲運，2019，38（08）：863-869.