汽化爐灰水輸送管腐蝕失效分析

程 飛 董偉雄 呂江明

（1.紹興市特種設備檢測院，浙江 紹興 312071；2.紹興鳳登環保有限公司，浙江 紹興 312071）

0 引言

新型冠狀病毒肺炎疫情使固廢處理企業滿負荷運轉，而保障固廢處理核心裝備-汽化爐系統的健康運作意義重大。某固廢處理企業汽化爐灰水輸送管在三年內，由于穿孔失效更換了二根同材質同結構管道，導致企業停產檢修，造成了大量經濟損失，影響了固廢處理效率。因此，該企業迫切需要了解穿孔失效原因并進行針對性改進。該灰水輸送管材質為20#鋼，規格為250×8mm，穿孔失效位置如圖1所示，管道內表面宏觀形貌如圖2所示，對腐蝕孔周圍進行厚度測量，壁厚無明顯減薄。沈雅欣等作者對90°豎直彎管的液固兩相流沖刷進行了模擬，結果顯示彎管位置為流體速度和流體壓力最大位置，而直管段流體速度和流體壓力并不大[1]，因此該研究主要通過宏觀檢查，介質成分分析，掃描電鏡能譜分析等方式進行。

圖1 管道失效位置

圖2 管道內表面宏觀形貌

1 檢測與分析

1.1 宏觀檢查及常規檢測

對管壁來樣進行宏觀檢查，外表面有金屬光澤、無脹粗，泄漏孔附近有白色鹽類附著物；內表面呈黃褐色，間雜有黑色凸起物，泄漏孔呈圓錐狀，內壁開口處直徑約21mm；管子截面實測最大壁厚為7.48mm，最小壁厚約7.04mm；泄漏孔附近打磨后有金屬光澤，基體上散布著黑色腐蝕斑。利用 X-MET 手持式合金儀對試樣進行光譜分析，結果與20#鋼相匹配。利用里氏硬度計對管壁外表面進行硬度檢測，硬度平均值為HB130。

圖3 管壁宏觀形貌

1.2 介質取樣分析

對管道內液體進行取樣分析，取樣位置為灰水泵出口，檢測標準和測定方法為：pH：GB/T 6920-1986，玻璃電極法；懸浮物：pH：GB/T 11901-1989，重量法；氯化物：GB/T 11896-1989，硝酸銀滴定法，其測定結果如表1所示。

表1 介質成分分析

1.3 掃描電鏡能譜分析

取樣部位為泄漏孔及其周圍，分析方法GB/T 17359-2012，分三個區域進行分析，分別為腐蝕穿孔區周圍打磨后部位，管內壁黃褐色腐蝕部位，管內壁黑色塊狀物腐蝕部位。

1.3.1 分析區域A

對腐蝕穿孔區周圍打磨，露出金屬光澤，分別對金屬基體和散布著的腐蝕斑區進行電鏡能譜分析，圖4為相應的20～1000倍的區域電鏡照片。分別在打磨后的金屬基體和相鄰腐蝕斑各取5點進行電鏡能譜分析，如圖5所示，從主要元素含量對比圖，如圖6所示，可以看出腐蝕斑內的C、O和Cl元素含量都大于金屬基體，特別是O和Cl元素分別超出了約5 倍和19倍，這表明在基體腐蝕的同時伴隨有大量氯離子侵入。

圖4 腐蝕穿孔區周圍打磨后部位

圖5 打磨后的金屬基體上能譜分析取點位置圖

圖6 能譜分析出的主要元素含量對比圖

1.3.2 分析區域B

圖7為管內壁黃褐色腐蝕部位的電鏡照片，可看出腐蝕產物以0.1mm較大的圓塊狀聚合在一起，結合比較疏松，放大500倍時可觀察到更為細小的顆粒狀腐蝕物。

圖7 管內壁黃褐色腐蝕部位的電鏡照片

如圖8所示，選取相對平坦的黃褐色腐蝕部位進行能譜點分析和面掃描，對能譜點分析和面掃描結果中含量大于1%的元素進行對比作圖，如圖9、圖10所示，可看出能譜點分析結果平均值與面掃描分析結果一致，與打磨后腐蝕坑的分析結果相比， O元素增大，C元素基本持平，Cl元素降低較多，但同時也新增加了Na、Si、P、S等元素。

圖8 黃褐色腐蝕部位進行能譜分析的區域圖像

圖9 黃褐色腐蝕部位的元素面掃描結果

圖10 能譜點分析結果與面掃描結果對比圖

1.3.3 分析區域C

如圖11所示，管子內壁除了黃褐色的腐蝕物外，還散布著大量的黑色塊狀物，對其進行能譜點分析和元素面掃描，能譜取點位置如圖12所示，分析結果如圖13、圖14所示。

圖11 管子內壁黑色腐蝕物電鏡照片

圖12 電鏡能譜點分析取點位置圖

圖13 元素面掃描能譜譜圖

圖13 為區域3的能譜點分析與能譜面掃描結果對比圖，其中能譜點分析Na、P、S、Cl元素含量平均值為對應元素的最小值，對比圖9中黃色腐蝕物的分析結果，可看出黑色腐蝕物內O、Si元素含量增大，Fe元素含量下降明顯。

圖13 能譜點分析與面掃描結果對比圖

2 結果與討論

綜合宏觀檢查、元素成分光譜分析、硬度檢測和掃描電鏡能譜分析結果，再結合管子的運行環境，可以得出以下結論：管壁金屬材質與20#鋼相匹配，無硬度異常，無明顯沖蝕；管內壁腐蝕屬于氧腐蝕，以局部腐蝕（點蝕、坑蝕）為主，管壁腐蝕物主要分為Fe含量較高的黃褐色疏松物，和O、Si元素含量較高的黑色塊狀物；腐蝕泄漏孔產生的原因是氯化物腐蝕和氧腐蝕共同作用的結果：管子內壁吸附灰水內的溶解氧，在垢下產生局部電化學腐蝕，同時由于侵蝕性強的氯離子存在，一方面增大了介質的電導率，使吸附氧的電化學腐蝕更容易發生；另一方面，氯化物破壞了金屬基體表面的氧化膜，使氧化膜下的基體金屬腐蝕不斷向深處發展[2,3]。

2.1 腐蝕機理

金屬腐蝕就其本質而言，可分為化學腐蝕和電化學腐蝕[4]。化學腐蝕：是指金屬材料在干燥氣體和非電解質溶液中發生化學反應生成化合物的過程中沒有電化學反應的腐蝕。電化學腐蝕：就是金屬和電解質組成兩個電極，組成腐蝕原電池[5]。該系統中管道設備的腐蝕以電化學腐蝕為主，也存在化學 腐蝕。

腐蝕反應的主要過程如下[6]：

隨著腐蝕過程的發生，管線的局部滯留區，傳質變得困難，外界的氧氣不能傳入， 而滯留區內的氧很快被消耗形成貧氧區，此處的陰極氧還原反應受抑制，陽極反應產物 Fe2+則難以擴散出去， 在滯留區內大量積聚，與灰水中的Cl-離子結合形成高濃度的FeCl2溶液，水解后該區域內pH下降，成為酸化區，導致化學腐蝕速度加快[7]。 其反應式為：

2.2 緩蝕劑的原理

緩蝕劑主要通過抑制陽極，陰極反應中的任何一個或兩個，原電池反應將減緩，金屬的腐蝕速度就會減慢。陽極型緩蝕劑對陽極過程的影響是：(1)在金屬表面生成薄的氧化膜，把金屬和腐蝕介質隔離開來；（2）因特性吸附抑制金屬離子化過程；（3）使金屬電極電位達到鈍化電位。主要有重洛酸鉀，硅酸鹽等。

陰極型緩蝕劑主要通過以下作用實現緩蝕：（1）提高陰極反應的電位，例如三乙醇胺；（2）在金屬表面形成化合物膜；（3）吸收水中的溶解氧。

混合型緩蝕劑主要通過以下作用實現緩蝕：（1）與陽極反應產物反應生成不溶物，這些不溶物緊密沉淀在金屬表面起到緩蝕的作用，例如磷酸鹽；（2）形成膠體物質，列如硅酸鹽；（3）在金屬表面吸附，形成吸附膜，例如明膠等[8-12]。

3 結語

腐蝕穿孔失效影響因素很多：（1）幾何形狀的因素；（2）pH值的影響；（3）氯離子濃度的影響；（4） 溫度的影響等綜合影響。本課題[13,14]通過對試件的綜合檢測及現場環境的分析，得出此汽化爐灰水輸送管腐蝕穿孔失效主要是氯化物腐蝕和氧腐蝕共同作用的結果，因此建議廠家進行如下處理：（1）調整灰水輸送管的傾角或流速到合適值，盡量減小灰水對管壁氧化膜的連續破壞；（2）對輸送管內壁進行堿洗鈍化或噴涂防氯氧化物；（3）向灰水中加入抗氧緩蝕劑和阻垢劑[15-20]。