一起節(jié)能器氧腐蝕原因分析及防腐措施

張春輝，張芹芹，張 珍，楊宜群

(1.中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205；2.博世熱力技術(shù)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430205)

氧腐蝕是鍋爐汽水系統(tǒng)的一種常見腐蝕形態(tài)。在鍋爐運(yùn)行和停運(yùn)期間防護(hù)不當(dāng)均可能造成鍋爐受壓部件出現(xiàn)嚴(yán)重的氧腐蝕現(xiàn)象[1]。輕則減薄受熱面壁厚、降低鍋爐使用壽命，重則使受壓元件無法滿足強(qiáng)度需要、甚至穿孔，被迫報(bào)廢[2-3]。因此對(duì)鍋爐氧腐蝕進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文主要對(duì)陜西某SZS鍋爐用戶在鍋爐運(yùn)行過程中發(fā)生節(jié)能器氧腐蝕的現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析，找出了鍋爐最易發(fā)生氧腐蝕的位置并提出預(yù)防措施。

1 事件概況

某企業(yè)一臺(tái)在用SZS15-1.6-QY型燃油燃?xì)怙柡驼羝仩t于2018年6月投入使用。2018年12月在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)一級(jí)節(jié)能器水漏水，經(jīng)檢查，漏點(diǎn)位于一級(jí)節(jié)能器第二排管子卡板處。圖1顯示了節(jié)能器的具體漏水部位。停爐后發(fā)現(xiàn)該處管子出現(xiàn)穿孔，管子穿孔情況見圖2。割取管子穿孔段并剖開發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)部有紅褐色產(chǎn)物，穿孔部位為潰瘍型孔。圖3、圖4分別為管子縱向剖開圖及潰瘍型孔剖開圖。酸洗表面紅褐色產(chǎn)物后，露出黑色基底。圖5為管子內(nèi)壁酸洗后情況。上述表現(xiàn)是氧腐蝕的典型特征。可判斷，嚴(yán)重的氧腐蝕是節(jié)能器管穿孔的主要原因。對(duì)鍋爐受熱面進(jìn)行全面檢查后發(fā)現(xiàn)，鍋筒內(nèi)壁未出現(xiàn)氧腐蝕。

圖1 節(jié)能器漏點(diǎn)位置

圖2 節(jié)能器穿孔管子外表面

圖3 節(jié)能器穿孔管子縱向剖開圖

圖4 潰瘍型孔剖開圖

圖5 管子內(nèi)壁酸洗后

2 氧腐蝕原因分析

通過分析該鍋爐運(yùn)行記錄、勘察現(xiàn)場(chǎng)情況、并查閱氧腐蝕相關(guān)文獻(xiàn)，本文從溶解氧濃度、水溫、pH值、水流速共4個(gè)方面對(duì)該節(jié)能器發(fā)生氧腐蝕的原因進(jìn)行了分析。

2.1 溶解氧濃度

在溶解氧濃度較低時(shí)，由于去極化作用，腐蝕速度隨溶解氧濃度的增加而升高[4]。當(dāng)溶解氧濃度增加到臨界點(diǎn)值后，金屬表面形成氧化膜，腐蝕速度開始下降。暴露在空氣中的水在20 ℃的溶解氧濃度為9.08 mg/L，沒有超過臨界點(diǎn)值，故節(jié)能器氧腐蝕速度隨水中溶解氧濃度的升高而增加。

經(jīng)勘察現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)現(xiàn)，該鍋爐配有熱力除氧器，但在除氧器工作溫度僅為80 ℃。在該工作條件下，除氧水的溶解氧濃度為2.9 mg/L。對(duì)于額定蒸汽壓力為1.6 MPa采用鍋外水處理的自然循環(huán)蒸汽鍋爐，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定給水(軟化水)溶解氧濃度≤0.1 mg/L[1]。該除氧器出口水的溶解氧濃度為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的29倍。未徹底除凈的氧氣使進(jìn)入一級(jí)節(jié)能器的水氧濃度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，加劇了氧腐蝕的發(fā)生。

2.2 水 溫

隨著水溫升高，氧擴(kuò)散系數(shù)增大、水黏度減小，更利于氧到達(dá)金屬表面發(fā)生去極化作用。另一方面溶液電導(dǎo)率增加，腐蝕電流增大，進(jìn)一步加大腐蝕速度。綜合上述影響，在密閉容器中腐蝕速度隨水溫的升高成比例增加。資料顯示，水溫每升高10 ℃，鋼鐵腐蝕速率約增加30%。

該SZS15-1.6-QY型燃油燃?xì)庹羝仩t水流程圖見圖6，各級(jí)受熱面進(jìn)出水溫度見表1。由表1可知，二級(jí)節(jié)能器平均水溫為40 ℃，一級(jí)節(jié)能器平均水溫為130 ℃。只考慮水溫對(duì)腐蝕速度的影響時(shí)，一級(jí)節(jié)能器腐蝕速度約為二級(jí)節(jié)能器的三倍。

圖6 鍋爐水流程圖

表1 SZS15-1.6-QY型鍋爐各級(jí)受熱面介質(zhì)溫度 ℃

圖7為一級(jí)節(jié)能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖7可知，漏點(diǎn)位于集箱側(cè)最上部彎管出口處。由于鍋爐除氧不能百分之百去除，為方便未除凈氣體隨流動(dòng)工質(zhì)一起帶走，以防止氧氣停留在管子內(nèi)壁造成氧腐蝕甚至氣泡停滯引起過燒，節(jié)能器內(nèi)工質(zhì)皆設(shè)計(jì)為自下而上流動(dòng)。故對(duì)于節(jié)能器而言，最上部受熱面管內(nèi)工質(zhì)溫度最高，再加上彎頭出口處水的強(qiáng)烈擾動(dòng)，導(dǎo)致溶解氧更易到達(dá)金屬表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，故節(jié)能器最上部彎頭出口處氧腐蝕速率最大。綜上分析，一級(jí)節(jié)能器最上部受熱面管子彎頭出口處腐蝕最嚴(yán)重，最先出現(xiàn)穿孔。該企業(yè)出現(xiàn)氧腐蝕的鍋爐也印證了這一點(diǎn)。

圖7 一級(jí)節(jié)能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 pH值

水的pH在4～10時(shí)，碳鋼表面通常被Fe(OH)2保護(hù)膜覆蓋，此時(shí)腐蝕速度主要取決于氧的擴(kuò)散速率。當(dāng)pH低于4時(shí)，鐵表面保護(hù)膜被溶解，發(fā)生析氫反應(yīng)，腐蝕速度隨pH值降低而急劇升高。當(dāng)pH值高于10時(shí)，碳鋼表面被鈍化，腐蝕速度下降[2]。

額定蒸汽壓力為1.6 MPa采用鍋外水處理的自然循環(huán)蒸汽鍋爐給水pH值為7.0～10.5[3]，此時(shí)，腐蝕速度主要取決于氧的擴(kuò)散速率。氧越快擴(kuò)散到金屬表面，腐蝕速度越高。鍋水pH值為10～12，磷酸根(鈍化劑)含量為10～30 mg/L，鍋筒內(nèi)表面被鈍化，覆蓋有致密的Fe3O4保護(hù)層，不易發(fā)生氧腐蝕。

2.4 水流速

水流速增加，層流層變薄，同時(shí)可沖去金屬表面的腐蝕、結(jié)垢等生成物，利于溶解氧擴(kuò)散到金屬表面，腐蝕加速；水流速繼續(xù)增加，擴(kuò)散到金屬表面的氧足以生成氧化膜，腐蝕速度降低。水流速在0.6～1.0 m/s時(shí)，腐蝕速度最小；水流速進(jìn)一步增加，氧化膜被破壞，腐蝕速度再次增大[4]。

綜上所述，對(duì)于非沸騰式節(jié)能器，設(shè)計(jì)水流速宜取0.6～1.0 m/s以防止局部金屬氧腐蝕，此時(shí)節(jié)能器換熱系數(shù)也在合理范圍內(nèi)。

通過對(duì)以上案例及影響氧腐蝕速度的因素的分析得出結(jié)論：SZS鍋爐氧腐蝕常發(fā)生在一級(jí)節(jié)能器最上部彎頭出口處。而鍋筒內(nèi)表面由于鈍化作用，二級(jí)節(jié)能器由于較低的工質(zhì)溫度，氧腐蝕并不明顯。預(yù)防一級(jí)節(jié)能器氧腐蝕是在SZS鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中必須要考慮的問題。

3 防腐措施

通過上述分析，預(yù)防一級(jí)節(jié)能器氧腐蝕可以從以下幾個(gè)方面著手。

3.1 嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制給水溶解氧濃度

除氧器可快速有效地將鍋爐給水系統(tǒng)中的氧除去，熱力除氧器的除氧合格率可達(dá)100%，可有效防止給水中溶解氧進(jìn)入鍋爐造成腐蝕。對(duì)于額定蒸發(fā)量大于或等于10 t/h的鍋爐，應(yīng)配備除氧器并使除氧器在設(shè)計(jì)溫度下運(yùn)行。對(duì)于額定蒸發(fā)量小于10t/h的鍋爐如果發(fā)現(xiàn)局部氧腐蝕，也應(yīng)采取除氧措施。

3.2 控制一級(jí)節(jié)能器受熱面

一級(jí)節(jié)能器受熱面過多會(huì)導(dǎo)致其最上部管內(nèi)介質(zhì)溫度較高，從而增加氧腐蝕速度。鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)置一級(jí)節(jié)能器受熱面面積，避免因溫度過高而加劇氧腐蝕。

3.3 合理控制一級(jí)節(jié)能器水流速

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考量氧腐蝕速度和換熱系數(shù)，將一級(jí)節(jié)能器水流速控制在0.6～1.0 m/s可有效防止局部金屬氧腐蝕。

3.4 一級(jí)節(jié)能器受熱面管采用ND鋼

對(duì)于沒有配備除氧器的鍋爐，一級(jí)節(jié)能器受熱面管子采用耐腐蝕ND鋼，以抵抗由于超高的氧濃度和較高的介質(zhì)溫度而造成的氧腐蝕，以延長(zhǎng)受熱面使用壽命。

3.5 做好停爐保養(yǎng)

除了運(yùn)行過程中氧腐蝕的預(yù)防，停爐后氧腐蝕的預(yù)防也不容忽視。若停爐超過3天，則需要采用恰當(dāng)?shù)耐t保養(yǎng)措施。停爐一個(gè)月以上應(yīng)采用干法保養(yǎng)，停爐一個(gè)月以下可采用濕法保養(yǎng)(氣候寒冷地區(qū)除外)。干法保養(yǎng)操作簡(jiǎn)單且行之有效，宜作為首選的停爐保養(yǎng)方法。