承壓鍋殼鍋爐煙管氧腐蝕穿孔的成因與預防

付 磊

（北京市海淀區特種設備檢測所 北京 100083）

目前燃氣鍋殼式鍋爐是海淀區承壓工業用鍋爐的主要形式，該鍋爐使用中煙管的腐蝕是最常見的問題之一。本文通過一起煙管腐蝕穿孔事故，分析其腐蝕產生的原因，并探討預防和解決的方法，以最大限度地降低煙管的腐蝕程度，保證鍋爐的安全運行。

1 煙管水側氧腐蝕問題的提出

隨著社會的發展和北京市對環保要求的提高，海淀區現有的承壓工業鍋爐基本以燃氣鍋殼鍋爐為主。相對于燃煤和燃油鍋爐，該型鍋爐有節能環保、熱效率高、體積小的特點。在其運行中，煙管水側的氧腐蝕是導致鍋爐停運的問題之一。而根據美國電力研究院的相關研究[1]，見表1，鍋爐因為腐蝕造成的爆管事故占了較大部分。其中煙管水側氧腐蝕比較常見，有些煙管上有泥污和水垢覆蓋后，氧腐蝕情況更不容易發現和確定，尤其是局部的煙管因氧腐蝕穿孔后，給鍋爐的安全運行埋下了隱患。本文針對此問題，查找其形成的原因，并探討解決方法。

表1 美國電力研究院鍋爐爆管機理分類

2 樣例分析

2.1 氧腐蝕穿孔案例

該鍋爐為一工廠生產用蒸汽鍋爐，燃料為燃氣，蒸發量為4 t，使用壓力為0.6 MPa，2015 年至今內部檢驗無重大問題。無除氧設備，回水為冷凝水，水質檢測一直符合GB／T 1576—2018《工業鍋爐水質》[2]的要求，硬度和pH 值與堿度一直沒有問題，但從未檢測水中含氧量，軟化水設備為全自動鈉離子交換器，軟化樹脂定期更新。管理無問題，定期排污，設備投用7 年。煙管為φ60 mm×3 mm 的螺紋煙管，材質為20#鋼，制造標準為GB／T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》。以前幾次內部檢驗主要發現的問題是煙管水側存在點腐蝕，普遍深度約0.3 mm，并結有0.2 mm 左右的水垢。本次內部檢驗發現其面對回燃室前管板，左側上數第3 排左數第2 根煙管，距回燃室后管板管端約20 cm 處有1 個氧腐蝕穿孔，造成了煙管泄漏。硬度檢測結果為138 HB，沒有問題。腐蝕部位見圖1。

圖1 氧腐蝕穿孔后的煙管

2.2 光譜分析

對樣品進行X 衍射法的光譜分析，成分分析結果見表2，驗證了其材質是20G 鋼，材質沒有問題。

表2 光譜分析結果

2.3 腐蝕產物分析

對穿孔處的產物取小樣進行能譜分析，得到Fe 元素占大部分。然后進行垢樣的成分分析，得到的結果見表3。

表3 氧化物分析結果

根據金屬氧化產物顏色有紅色和黑色可知，其中鐵氧化物至少包括Fe2O3和Fe3O4。

3 腐蝕機理分析

由于事故鍋爐蒸發量為4 t，根據GB／T 1576—2018，無論是2008 版還是2018 版都沒有強制安裝除氧器的要求，故該單位鍋爐并未安裝除氧裝置，所以，相比有除氧的給水，該單位鍋爐給水中含有較多的溶解氧，這也給鍋爐煙管的氧腐蝕創造了條件。

3.1 溶解氧腐蝕

●3.1.1 原理

鐵受水中溶解氧腐蝕是一種電化學腐蝕，鐵為陽極，被腐蝕；氧作為去極化劑發生還原反應。反應見式（1）和式（2）[3]：

上述即為氧的去極化腐蝕反應。

鐵受到溶解氧腐蝕后產生Fe2+，其在水中進行的二次反應見式（3）、式（4）和式（5）：

但因為Fe（OH)2不穩定，會進一步反應，最終形成Fe3O4。

●3.1.2 腐蝕特征

鐵受到水中溶解氧腐蝕時，會在其表面形成眾多小鼓包，直徑為1 ～30 mm 不等，這種腐蝕稱為潰瘍腐蝕。由于氧腐蝕產物由不同化合物組成，鼓包表面的顏色也是由黃褐色到磚紅色不等，下層是黑色粉末狀物體。當把這些腐蝕物清除后，便會發現由腐蝕造成的凹坑。而氧腐蝕的推動力就是氧的濃度差，即腐蝕坑內外形成的濃度差電池。同時，腐蝕坑內的OH-被消耗，形成了局部的微酸區域，也將產生局部的酸腐蝕，整個腐蝕過程見圖2。

圖2 腐蝕坑示意圖

●3.1.3 運行中的氧腐蝕

該單位一共有2 臺蒸汽鍋爐，平時是2 臺都用。最近一段時間由于另一臺正在修理，所以這臺使用蒸汽量較大，熱負荷較高，鍋水的蒸發也就更加劇，而鍋水中必然攜帶溶解氧。高溫煙管分布于爐膽周圍且密集排列，多根煙管共同作用，加劇了鍋水的濃縮[4]。同時由于煙管是螺紋狀，內凹外凸的形狀本身就會導致水流和高溫煙氣沖刷嚴重，溫度較高，容易積蓄濃縮鍋水。一般情況下，碳鋼和低合金鋼在中性和弱堿性水中的氧腐蝕速率可表示為式（6）[5]：

式中：

icorr—— 氧腐蝕速率的氧腐蝕電流密度，A／cm2；

F——法拉第常數，一般認為F=96 485 C／mol；

D——氧在水中的擴散系數，cm2／s；

c——水中的溶解氧濃度，mol／cm3；

δ——擴散層厚度，cm。

此煙管由于熱負荷的增加，溶解氧濃度增加；擾動和沖刷的加劇，使氧的擴散系數急劇增大，同時擴散層厚度隨之減小，最后的結果就是氧腐蝕的速度急劇加速，促使原有的點狀氧腐蝕坑迅速擴展，發生穿孔。

3.2 短期停爐時未做好停爐措施

該單位生產淡季時會短暫停爐，時間一般為21 ～28 天。因停爐時間較短，故停爐方法用的是濕保養法，司爐工在停爐時往往用常溫鍋水上滿水側，達到少許壓力就封爐了。但由于未進行鍋水足夠加熱并放氣，爐內鍋水中的溶解氧未能盡量排出，停爐時腐蝕同樣加速進行。所以，停爐時給水不達標，方法不當也是腐蝕穿孔產生的原因之一。

3.3 垢下腐蝕是腐蝕穿孔的促進因素

由于爐水中的鈣化合物的溶解度隨著溫度升高而降低，從爐水中析出后在煙管表面形成硬垢，同時氧去極化腐蝕使煙管中的鐵成為鐵銹附著在管壁上，在煙管表面形成混合的垢層，由于水垢熱脹冷縮系數與碳素鋼熱脹冷縮系數不一樣，所以在熱負荷波動和水流速不穩定時，垢層與管子外壁之間很容易存在縫隙，難以形成致密保護膜[6]。同時因水垢的導熱性差，會使煙管溫度升高，在水垢下的鍋水會發生急劇蒸濃作用。又因水垢的存在阻礙了此處高濃度鍋水與周圍鍋水的交換，從而使此處濃度越來越高，電位差也就越來越大，電化學腐蝕速率加快，腐蝕物濃度也加大，繼而產生了一個高腐蝕速率區域。而且這種垢下腐蝕如果不去除表層水垢，很難用肉眼發現。

4 改良措施

1）加裝除氧裝置。對于有條件的單位，應加裝除氧裝置，并且注意除氧水箱的密閉，防止空氣進入，同時加強對給水的含氧量的檢測，最大限度地減少給水的含氧量，避免氧氣的腐蝕。

2）避免熱負荷過高。應避免過高的熱負荷，從而降低水中裹挾氧的含量和氧化速度，避免氧腐蝕穿孔的發生。

3）保證水處理裝置的正常運行。鍋爐水處理工作的中心任務就是防止或減緩鍋爐結垢、腐蝕及積鹽等不良現象發生[7]。現在的軟水設備多為全自動運行，有些水化人員就認為其出來的水一定合格，也就疏于管理了，其實不盡然。當鍋爐大量補水，樹脂置換能力下降或本身系統有問題時，其制出的水就很難合格。所以，水化人員不能疏忽大意，應定時檢測，時刻保證給水的質量合格。即使一次不合格，尤其是蒸汽鍋爐，就會使鍋內結大量的水垢，后果嚴重，后期處理也很麻煩。

4）局部較薄疏松水垢可進行堿煮處理。對于煙管上、爐膽底部和拉撐上等部位局部結有的水垢，本身厚度影響傳熱但確實又達不到鍋爐清洗的要求，如果是比較疏松的水垢或泥污，可選擇堿煮，除去疏松的水垢，以防止水垢繼續加厚。

5）停爐時正確保養。停爐時的腐蝕是金屬腐蝕主要原因之一，很容易因為煙管表面水膜中含有大量氧氣，造成煙管大面積腐蝕甚至穿孔。有時保養方法不當，腐蝕程度甚至超過運行時的腐蝕，所以做好停爐保養是預防鍋爐煙管腐蝕的重要一環。無論是干保養法、濕保養法還是聯合保護法，要針對停爐時間的長短、鍋爐的參數和類型以及現場的情況，選擇正確的方法，并且按規程操作，切忌偷工減料，不按要求操作。由于停爐時間短，可以使用濕保養法，也就是停爐時不放掉水，保持鍋水100 ℃以上，同時打開頂部的放空閥或者安全閥進行簡單的熱力除氧，降低鍋水中溶解氧的含量，并控制pH 值為11.0 左右。

5 結論

綜上所述，本文通過煙管氧腐蝕穿孔的事例分析其原因，得出以下結論：為有效預防煙管腐蝕的產生，鍋爐給水處應加裝除氧裝置；避免高負荷運行，水質檢測及分析嚴格按照GB／T 1576—2018 執行；時刻關注鍋內水垢情況，注意定期除垢；根據自身的實際情況，選擇正確的方法停爐保養，嚴格按照操作規程保養。