論水質狀況與WNS型工業鍋爐煙管腐蝕的關系

孔妍，宮杰，安婭琳

（1.濟寧市特種設備檢驗研究院，山東 濟寧 272000；2.濱州市特種設備檢驗研究所，山東 濱州 255600）

近年來，基于我國持續強化環保督查工作，燃煤鍋爐逐步淘汰掉，燃氣或燃生物質鍋爐逐步取代燃煤鍋爐。燃氣鍋爐的特點是環保清潔、能效值高、方便控制等，從而在工業生產中得以普遍地應用，其中非常普遍的一種燃氣鍋爐是WNS型鍋爐。本文根據腐蝕原理并結合鍋爐運行狀況，對水質狀況與WNS鍋爐煙管腐蝕的關系進行了詳細分析。

1 WNS型鍋爐的構造特點

相較其他水管鍋爐，WNS型鍋爐的優勢是：（1）構造緊湊，一系列部件具備較高的集成化水平；（2）爐內水容量空間相對較大，能適應的負荷范圍廣；（3）多采用螺紋式煙管等新型煙管，提高了傳熱水平；（4）爐膽中實施微正壓燃燒，設計的爐膽空間與構造方便燃氣和人燃油。對于WNS 型燃氣和燃油鍋爐，具備世界先進制造水平的是日本、德國、英國等，我國這種型號的鍋爐發展起步晚，近年來進行優化、仿制、引進后，固有的產品技術水平不斷提升。

2 金屬的腐蝕

金屬腐蝕是指金屬因為電化學作用或外部介質的化學作用而導致的破壞過程。結合腐蝕機理能夠劃分金屬腐蝕為化學腐蝕和電化學腐蝕。根據腐蝕的形式能夠劃分為局部腐蝕和全面腐蝕。工業鍋爐常見的腐蝕種類是苛性脆化、酸腐蝕、氧腐蝕、垢下腐蝕、堿腐蝕等。縱觀鍋爐受壓元件的腐蝕情況而言，其火側主要是化學腐蝕，其水側主要是電化學腐蝕。

鐵受水中溶解氧腐蝕屬于電化學腐蝕的一種。因為鍋爐并非純鐵材料的金屬壁，雜質在其中存在，為此，電位差會形成于雜質與純鐵之間，純鐵位置屬于陽極，鍋水中持續溶解鐵；雜質位置屬于陰極，鍋水中的H+等離子跟電子結合而持續除去，形成微電池（腐蝕電池）。在電化學腐蝕時，如果陽極聚集腐蝕產物，導致金屬表面狀態出現改變，那么金屬離子到達溶液發生困難，要么不可以迅速排走陰極反應物，陰極集聚電子，從而減少兩極間的電位差，這種情況下的腐蝕較為緩慢，如此的情況被叫作極化。因為極化影響，所以能夠使腐蝕停止。然而，依舊存在嚴重的電化學腐蝕，這是由于易于接受電子的物質存在溶液中，體現消極陰極極化的效果，如此的效果被叫作去極化。而可以體現去極化效果的物質即去極劑，常見的去極劑如水中溶解氧。

為此，當存在如此的去極化劑（溶解氧類）時，會加劇電化學腐蝕，從而使金屬以較快的速度腐蝕。

金屬表面發生腐蝕時，形成一些小鼓皰，其直徑為一毫米到幾十毫米。在深度與直徑基本相同的情況下，被叫作點腐蝕；而潰瘍型腐蝕即深度小于直徑的情況；針孔型腐蝕即深度大于或顯著大于直徑的情況。鼓皰表面屬于紅褐色，其次層為粉末狀黑色物質，這都屬于腐蝕產物。在清除這一系列腐蝕產物后，一凹坑形成于下部。在腐蝕產物的最深層屬于黑色層，其緊靠金屬表面。不同的腐蝕產物的顏色存在差別，其組成也各不相同。

3 WNS型工業鍋爐煙管腐蝕原因分析

3.1 氧腐蝕

對于長時間運行的鍋爐而言，其常常處于的一種狀態即運行與熱備用交替。當鍋爐正常使用的過程中，隨著不斷提升的鍋水溫度，其溶解氧含量水平下降，并且不斷將氧氣等氣體析出。同時，鍋水上升會夾持氧氣運行于高處，由于流速較快，因此不容易停留。而在熱備用的狀態之下，鍋水的狀態一直是停滯的，金屬表面水膜層會吸附一部分鍋水的溶解氧，鍋水的運行暫停，氧則更易吸附在煙管，進而加速腐蝕煙管，其中氧腐蝕的化學反應方程式為：

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：

另外，對于運行中的鍋爐而言，水渣和水垢以及鐵的腐蝕產物較易沉積在水平布置的煙管表面，并且加速了腐蝕過程。這是因為沉積物在煙管表面，沉積物下的金屬面難以進行供氧，從而使陽極形成，而沒有覆蓋沉積物的金屬表面形成腐蝕電池，即陰極。

3.2 堿腐蝕

堿腐蝕即游離的氫氧化鈉腐蝕金屬。當常溫時，氫氧化鈉保持為至少30%的濃度才更易腐蝕鋼鐵表面氧化膜。堿腐蝕的目的在于將鋼鐵表面的氧化膜迅速地溶解掉，從而使其表面的保護效果喪失，最終使不間斷形成腐蝕過程的可能大大增加。當鋼鐵表面養護膜跟氫氧化鈉反應的情況下，可溶性亞鐵酸鹽形成，基于高溫條件下分解為磁性的四氧化三鐵（磁性的），且將氫氣放出。其反應為。

如此的過程持續循環，沒有減小氫氧化鈉的濃度，且持續腐蝕了煙管外壁的金屬，從而使一些皿狀腐蝕坑形成。并且，腐蝕產物還會逐層往上生長，這樣一來，最終的蘑菇突起形成。

3.3 氯離子的影響

軟化水在鍋爐中一般要濃縮15～20倍，即鍋水中Cl-含量正常應為3100～4200mg/L，然而，氯離子含量很高時極易造成鍋爐小孔腐蝕。小孔腐蝕的機理是：金屬表面不均勻地分布氧化膜，水中氯離子屬于活性陰離子成分，其可以優先選擇在較為薄弱的氧化膜上吸附，以及還原破壞掉氧化膜，這樣小蝕孔可以形成于新露出的金屬表面，即FeCl3的水解后生成的小蝕孔。孔內金屬表面狀態是活化的，電位較負，是陽極；蝕孔外的表面狀態也屬于鈍化的，電位較正，屬于陰極。孔內反應式是

孔內外組成一個微電偶腐蝕電池。該電池大陰極，小陽極，陽極電流密度大，所以蝕孔加深速度很快。鍋水呈弱堿性，孔外的主要反應式是

OH-與擴散出來的Fe2+，在孔口形成二次腐蝕產物Fe(OH)2，與鍋水中氧氣繼續反應生成Fe(OH)3沉淀。這種情況下，孔內的介質鐵離子逐步降低濃度，然而，氯離子保持不變的濃度。

OH-離子濃度變小，H+濃度變大，孔內酸度增加，加速了陽極溶解速度，再者受到介質重力制約，蝕孔進一步向縱深發展。基于腐蝕的發展，孔口介質的pH值不斷增加，水中Ca(HCO3)2轉化為CaCO3和銹層共同在孔口沉積，形成一個閉塞電池。如此，孔內外物質愈加難以進行交換，加劇了氯化鐵濃縮和水解效果，進一步加速了陽極溶解速度，從而造成煙管穿孔泄漏。

3.4 pH值的影響

煙管氧腐蝕加速的一個因素是鍋水pH值不達標。氧腐蝕速度受到pH值的顯著影響，需要控制給水pH值至少為7；控制鍋水pH值為10～12，這樣保護膜能夠形成于金屬表面，試驗證實能夠很好地防范氧腐蝕以及實現氧腐蝕速度的減緩，如果在缺氧的時候，那么腐蝕即暫停；如果存在氧，那么會顯著減小氧腐蝕速度。如果給水的pH值在7以下，那么保護膜不易形成，以及當鍋水pH值在12以上，那么堿性溶液中會溶解保護膜，從而使氧腐蝕速度加快。

3.5 鍋爐運行工況的影響

煙管氧腐蝕加速的另一個因素是鍋爐運行情況失穩。熱荷載可以推動氧腐蝕，基于高熱荷載下，形成于煙管金屬表面的蒸汽泡會破壞保護膜，并且基于逐步增加熱荷載的影響下，鐵的電極電位降低，這都會使氧腐蝕的速度加快。一些企業的熱荷載需要不是非常穩定，并且司爐工難以對荷載的改變情況進行有效管控，然而，為了實現荷載需求，其常常違規進行操作，從而造成低壓力運行和高蒸發量運行的情況形成于鍋爐運行中，從而使煙管氧腐蝕的速度加快。

煙管的受熱面擔負了大部分的WNS型鍋爐的荷載，鍋爐荷載增加的情況下，鍋水愈加強烈蒸發。上游高溫螺紋煙管（處在煙氣流程）的工作溫度僅低于爐膽和回燃室管孔區，強烈的熱交換導致鍋水迅速增加濃度，提升了鍋水挾帶的溶解氧的濃度。在爐膽周圍密集排列高溫煙管，且很多煙管一起作用，這使鍋水濃縮加劇。螺紋煙管外表面的螺紋內金屬有幾何形狀突變，基于高溫煙氣的強烈沖刷影響，具備較高的溫度與熱荷載，易聚集并濃縮鍋水，形成電化學腐蝕條件。

3.6 停爐維護不當

鍋爐停爐后，維護保養不當或不保養是煙管產生氧腐蝕的重要原因。鍋爐用戶在停爐后不進行保養維護造成的，因為運行幾年后的鍋爐密封性和閥門較易泄漏，從而導致鍋筒中進入很多空氣，導致煙管的氧腐蝕。