鍋爐的氧腐蝕分析及改善措施探討

趙 兵

（吉林石化煉油廠，吉林吉林 132021）

0 引言

在日常檢查中發現，工業鍋爐的受熱表面發生了氧化現象，這是一種常見的氧腐蝕類型。氧腐蝕對鍋爐造成的損傷，不僅會提高設備的檢修維護費用，而且還會對設備的正常運行產生不利影響。所以，必須注意工業鍋爐的受熱表面的氧腐蝕現象，并在日常工作中采取相應的防治措施，從而降低其腐蝕程度。對于已經出現的氧腐蝕情況，首先應該對其進行檢查評估，以確定其破壞的嚴重程度，能否保證正常工作，以便判斷應該采取哪些措施對缺陷加以排除和修復。本文結合某電廠的實際情況和氧腐蝕案例，從多個角度找出氧腐蝕的主要原因，并給出相應的解決方案，為鍋爐檢驗工作提供依據。

1 鍋爐氧腐蝕事件闡述

某生產企業在鍋爐的內部檢查中發現二回程煙管和后煙管片出現了嚴重的銹蝕，其腐蝕形式是一種土黃色的凸起。而凸起內部為坑狀，布滿黑色粉末，從其侵蝕形式特征分析，這是典型的熱表面氧腐蝕。檢驗人員將粉末送至實驗室進行鑒定，發現腐蝕產物主要為氧化鐵和氯化鐵。通過對侵蝕形式及產物組成的分析，更加確定其為受熱面氧腐蝕。

2 鍋爐氧腐蝕原理分析

為了避免造成更嚴重的氧腐蝕，必須明確其產生的機理。氧腐蝕屬于電化學腐蝕，工業鍋爐以低碳鋼為主要材料，壓力元件浸泡在鍋爐水中，因為鍋爐水里含有酸、堿和鹽分等雜質，因此鍋爐水是一種極性的電解質。

在極性電解液中，氧與鐵合成為一種具有兩種不同的電極的腐蝕電池。在這種被侵蝕的電池內，因為氧的電極電位高于鐵，所以鐵是還原劑，會作為負極失去電子而被氧化，而氧是氧化劑，作為陰極得到電子而發生還原反應。這種反應引起的侵蝕叫做氧去極化腐蝕，簡稱氧腐蝕，其作用機制是：

在此電化學反應中，亞鐵金屬離子Fe2+在水溶液中與OH-發生反應，形成了不穩定的Fe（OH）2，并與水溶液中的氧氣發生進一步反應，形成Fe（OH）3和Fe3O4。其反應方程式如下：

從反應方程可知，當氧的含量增加時，反應會朝著右邊的正反應方向進行，氧的含量越高反應進行速率越快，二者呈線性關系，所以當氧進入達到一定濃度時就會引起鍋爐的氧化。因此，鍋爐中水的含氧量是鍋爐發生氧腐蝕的先決條件，并且含量越多、氧腐蝕發生的程度越高。此外，在pH 值低于10 的情況下很容易產生氧腐蝕，而pH 值為10～12 的堿性環境可以延緩氧腐蝕程度。結果表明，在酸度高時，更容易發生氧腐蝕。所以，為了防止或延緩鍋爐的氧去極化腐蝕，可以通過適當措施來減少鍋水中的氧含量，并保持pH 值在一個堿性環境中。

3 鍋爐發生氧腐蝕的原因

在對影響鍋爐氧腐蝕的因素進行研究時，根據其產生的原理從環境中尋找原因。引起鍋爐氧腐蝕有許多種原因，其中大部分是由各種因素共同作用引起的。不管什么原因導致了鍋爐內的氧腐蝕，都不能離開氧腐蝕的原理。所以，要找出鍋爐的氧腐蝕的成因，必須從鍋爐的結構、各系統的布局、運行和管理等方面入手。結合上述事件中鍋爐腐蝕的實際情況，從鍋爐水質、鍋爐水處理設備及供水方式、運行管理等角度，對鍋爐的氧腐蝕進行全面、詳細的分析。

3.1 鍋爐水質的調查情況

根據最近的鍋爐水質測試（表1），發現該鍋水的總堿度為2.1、pH 值為8.2，均小于GB/T 1576—2018《工業鍋爐水質》規定的限值。從受熱表面的氧腐蝕原理可以看出，在低pH 值、酸性條件下，可以加速氧的去極化，而較低的pH 值也會使氧化膜的耐蝕性降低。由于pH 值低、酸性偏高，為防止鍋爐的氧腐蝕，必須對其進行嚴格的檢測，定期監督水質情況，確保其達到GB/T 1576—2018 的有關規定。

表1 鍋爐水的分析項目及數值比較

3.2 鍋爐給水及操作與管理問題

在實際生產中，鍋爐的設計和使用是一個有關設備安全運行的重要問題。通過對鍋爐全過程的考察，確定了水處理和給水的配置方式，并通過鍋爐操作記錄和與鍋爐操作工人溝通，發現其主要原因。

（1）鍋爐供水系統所使用的是鍋外水處理系統，以工業水為原料，經過離子交換軟化后產生的軟化水由罐體頂端注入，由懸浮球來進行液面調節，軟化水被注入到罐體上方，其排水口位于水槽上方，所以當軟化水進入罐內時會被吸入更多的氣體，使罐內的軟化水中的氧氣濃度升高（圖1）。通過給水泵將軟化池中的水直接送入鍋爐中，提高了鍋爐內部的含氧量，為氧腐蝕提供了必要條件。

圖1 鍋爐供水系統

（2）通過與鍋爐操作人員的交談，得知在正常工作的情況下，鍋爐每周只能工作兩三天，而且只在白天工作，通常在鍋爐水位比較低的時候就會立即熄火停爐，同時將副汽缸上的主要蒸汽吸入閥關掉。因為鍋爐的蒸汽空間比較大，所以在經過一個晚上的降溫之后，由于壓力的下降會在鍋爐的汽空間里產生一個負壓，使罐中的氧濃度更高，從而為氧腐蝕提供條件。

（3）由于上一次檢查修，造成了鍋爐出現短暫的停產。在停產過程中鍋爐一直保持著半滿的水位，沒有按照停爐要求進行干燥和濕化保養等維護，所以當氧氣通過管路和閥門進入到鍋爐的時候，氧氣溶于水而發生氧腐蝕現象。根據上述結果可以看出，高溫、高含氧量為氧腐蝕創造了必要條件；再加上鍋爐的供水方式、鍋爐使用狀況、鍋爐作業人員的日常操作方式等因素，共同導致了鍋爐供水中的氧氣濃度偏高；此外，在停爐檢修過程中的維護保養措施不當，也會造成鍋爐的氧腐蝕。

（4）很多鍋爐房采用傳統的濕法脫硝SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction，選擇性非催化還原），這種工藝需要向鍋爐內噴射尿素溶液。受鍋爐內氣旋的影響，噴入的溶液會被帶到水冷管上，而水冷管溫度通常只有60～70 ℃，不能使水蒸發，留存的尿素溶液就會腐蝕爐管，這樣不斷更換爐管就會增加經濟成本。如果選擇干式脫硝方式，通過霧化噴嘴將高分子固體藥劑噴入爐膛，能減少爐管的腐蝕，徹底解決鍋爐的爆管現象。

4 鍋爐氧腐蝕解決方案

為了防止鍋爐的氧腐蝕，必須結合鍋爐的型號、參數和運行特點以及鍋爐運行成本，制定相應的預防和控制對策。根據氧腐蝕原理，采取措施既要降低鍋爐水的氧含量，又要防止鍋爐內氧化反應發生的環境，根據鍋爐的運行周期進行檢修，并做好停爐保養。

在本案例中，為了降低氧腐蝕現象，可以從以下5 個方面來進行優化。

（1）強化水質監測，合理添加藥劑，對鍋水中pH 值、堿性進行嚴格的監測，以保證鍋爐的水質達到GB/T 1576—2018 的有關規定，避免氧腐蝕發生的水質環境條件。

（2）將水箱中的懸浮球控制裝置進行替換。例如，利用電磁閥將制水設備中的軟化水從液槽底部灌入，從而減小軟化液中的氧氣濃度、降低氣缸內的氧濃度。

（3）使用中，盡可能地將鍋爐的水平線提升到適當位置，當重新啟動時，首先開啟排氣閥，當鍋爐的氣壓上升時，將蒸汽中的氣體全部排出，再關掉閥門，一方面可以減少爐內蒸汽的體積、減少由于冷卻產生的氣壓差異所帶來的空氣，同時將鍋爐內的氧釋放出去、減少鍋爐內的氧含量。

（4）考慮到鍋爐在使用過程中的氧腐蝕，考慮到鍋爐的機型和操作條件較低的情況，可以采取化學脫氧法（推薦使用亞硫酸鈉）來減少氧含量，并要做好污水處理工作。

（5）強化鍋爐的檢修維護工作。在檢修過程中，可通過停爐時間的要求，來調整相應的保養方法，更要關注管道閥門等細節，以確保在鍋爐關閉過程中閥門的緊密性，避免氣體進入爐中。

5 鍋爐氧腐蝕的類型及改善措施

5.1 冷凝水排放管和蒸氣篩虹吸管氧腐蝕

冷凝水排放管和蒸氣篩虹吸管材料為碳鋼，屬于鍋爐的蒸汽系統。由于高壓冷凝水在除氧器中膨脹，除氧器效率低下（圖2）。此時脫氣器沒有接收到任何新的蒸汽，因此給水脫氣不充分而產生含氧蒸汽，這會形成過量的磁性金屬，從而造成堵塞。解決辦法是，在送入除氧器之前高壓冷凝水應先進行膨脹或冷卻。

圖2 冷凝水排放管和蒸汽篩的虹吸管的氧腐蝕

5.2 火管系統氧腐蝕（圖3）

圖3 火管系統氧腐蝕

在給除氧器充電時，由于補給水的容量過大，壓力低于1.25 bar（0.125 MPa）、溫度低于105 ℃，造成泄漏，鍋爐水鹽堵塞了火管的其他地方。改善措施是，補給水泵應限流，使給水量與蒸汽供應管路中蒸汽壓力調節器的容量相適應。

5.3 鍋爐過熱器管氧腐蝕

鍋爐過熱器管材料為碳鋼，屬于水管回收鍋爐系統。氧腐蝕現象為，在垂直截面上出現腐蝕產物重力引流的點蝕，在水平U形彎部分圍繞點蝕出現橢圓形水環（圖4）。原因是，夏季停爐期間的鍋爐進行水壓測試時發現了氧氣坑，過熱器部分在氮氣層下處于干燥狀態，盡管采取了停爐期干燥的預防措施，管子還是暴露在冷凝的濕氣和大氣中的氧氣中。解決方法是，可以對過熱器采用干燥的處理方法。

圖4 鍋爐過熱器管氧腐蝕

5.4 鍋爐給水系統氧腐蝕

鍋爐給水系統氧腐蝕現象外觀為許多凹坑覆蓋著球形氧化鐵腐蝕產物（圖5）。經過脫氣的給水是蒸汽冷凝水和脫堿軟化補給水的混合物，原因是由于除氧器故障導致給水中氧氣過多。改善措施為，改進除氧器運行情況，通過內部檢查霧化器和蒸汽噴嘴，并通過測量各種負荷下的殘余氧含量來確定故障原因；也可以改善鍋爐給水的質量，使之保持堿性。

圖5 鍋爐給水系統氧腐蝕

5.5 省煤器管道氧腐蝕

省煤器的材料為碳鋼，屬于角管式鍋爐系統。氧腐蝕外觀為上管用酸清洗、有麻點，在下面（未清潔）的管道中被氧化鐵覆蓋（圖6）。由于霧化器負荷不足導致除氧器運行不良，同時由于對鍋爐水中亞硫酸鹽含量的存在偏差，導致亞硫酸鹽用量不足。改善措施有：①更換；②進行化學清潔，阻止鍋爐其余部分腐蝕惡化；③降低負載來優化除氧器的霧化；④定期檢查除氧器的運行參數。

6 結束語

鍋爐的氧腐蝕是一種普遍的鍋爐損傷形式，關系到鍋爐是否平穩運行，所以在設計、制造、安裝、改造、使用管理以及檢查、保養等方面都應該引起足夠的關注。在設備的設計和施工過程中，要盡可能地避開可能導致氧腐蝕的環境，在使用中要針對實際狀況進行嚴謹細致的分析，找出導致氧腐蝕的原因及存在的安全隱患，及時制定措施和解決方案，以保證鍋爐安全、平穩運行。