在用工業鍋爐的失效分析—垢下腐蝕機理及實例分析

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院劉夕鋒

在用工業鍋爐的失效分析—垢下腐蝕機理及實例分析

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院劉夕鋒

垢下腐蝕作為在用鍋爐常見的失效形式之一，了解其機理對我們的生產生活有著重要意義。本文中，筆者介紹了工業鍋爐垢下腐蝕機理，并根據這個原理對實際檢驗案例進行了分析。

一、垢下腐蝕機理

當鍋爐蒸發受熱面附著沉積物時，金屬管壁溫度升高，使滲透在沉積物下面的鍋水急劇蒸發濃縮，導致各種雜質濃度升高所造成的腐蝕。產生垢下腐蝕有以下幾種情況。

1.垢內的氧化物與金屬壁之間的電化學腐蝕。

（1）當受熱面金屬表面的沉淀物中含有氧化鐵和氧化銅等雜質時，這些氧化物電位高，成為陰極，而金屬壁電位低，為陽極。陽極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵及氧化銅生成新的高價氧化鐵。鍋爐常見氧化鐵垢因為妨礙傳熱，由于結構過熱使垢下金屬保護膜破壞，成了腐蝕電池的陽極。垢下金屬因過熱而發生汽水腐蝕。

（2）氧化鐵垢的腐蝕形態有兩種。局部性貝殼狀。垢下腐蝕一般是在向火側管內形成黑色隆起的腐蝕疙瘩，呈貝殼狀，質地堅硬，有清晰的層狀，其中也夾雜一些白色物質。有時在很長的管段內只有很少幾處貝殼狀的腐蝕，也有貝殼連接成片的腐蝕。貝殼狀產物與金屬之間一般有一層白色或粉狀的磁性氧化鐵。去掉腐蝕產物后，金屬面呈現出皿狀或槽狀的腐蝕凹坑，其面積有的小到幾平方毫米，有的大到幾十甚至上百平方毫米。

較大面積的結垢腐蝕。結垢和腐蝕的面積均較大，有時甚至布滿幾百毫米的管段內。垢一般呈黑褐色魚鱗狀，垢下金屬大部分遭到腐蝕，呈現凹凸不平的麻坑，有時在局部處也有嚴重的深坑或穿孔，這種垢也較硬，在垢下有時也有一層白色的鹽質或粉狀磁性氧化鐵。

（3）鍋內氧化鐵的主要來源。氧化鐵垢容易在熱負荷高的部位形成。隨給水帶入；新爐在放置和安裝期間保護不當，投入運行之前沒有進行認真清洗而遺留下來。鍋爐停用期間，沒有采取有效的保護措施而生成的腐蝕產物，包括鍋爐內壁潮濕表面的腐蝕以及產生氧濃差造成的腐蝕。

（4）防止氧化鐵垢的形成辦法。防止給水系統的氧腐蝕和酸腐蝕，盡力減少腐蝕產物進入鍋爐。對進入鍋爐的腐蝕產物，采取適當的鍋內水處理措施，減緩氧化鐵垢的形成。及時徹底的消除已經形成的氧化鐵垢。

2.堿性腐蝕。鍋爐受熱面有沉積物時，由于沉積物傳熱差沉積物下部的金屬壁溫升高，使沉積物和金屬表面之間的鍋水濃縮，又由于這些爐水不易與沉積物外部的爐水混勻，當鍋水中含有游離的氫氧化鈉，沉積物下的爐水pH值升高到大于13時，金屬壁的氧化保護膜被氫氧化鈉溶解，使電化學腐蝕加劇。結果在金屬表面產生凹凸不平的腐蝕坑，坑上有疏松的腐蝕物，腐蝕發生到一定程度，出現滲漏，有的管子發生爆管。進行分析時，從金屬表面去除沉積物，可以看到的腐蝕坑上有白色沉積物。這種沉淀是碳酸鈉，它是氫氧化鈉與空氣中二氧化碳接觸后的生成物。此外，在鍋筒和集箱的死角常常有大量積聚的磁性氧化物。這是沉積物下部的磁性保護膜被氫氧化鈉溶解后生成的苛性－鐵素體復合物。鍋爐內部死角處的沉積物下部常因鍋水濃縮而使堿度升高，在此處產生局部堿性腐蝕。

3.酸性腐蝕。有的鍋水中含有氯化鎂（MgCL2）和氯化鈣（CaCL2）。例如，鈉離子軟水裝置的管道腐蝕泄漏，正洗水流入軟水池;有的利用海水作為再生劑，水處理化驗工不慎將閥門打開，使海水加入鍋爐等，都會使爐水含有大量的MgCL2和CaCL2。結果，鍋水中pH值下降，對鋼材產生酸腐蝕，并且使氫離子積聚。如果受熱表面有堅硬、致密的水垢存在，氫不能擴散到汽水混合物中，氫滲入鋼材和碳鋼中的碳化鐵（滲碳體）發生反應，結果造成碳鋼脫碳腐蝕。

二、檢驗案例

某公司2003年8月投產2臺德國造進口鍋爐，鍋爐形式為臥式內燃室，煙管為三回程。額定壓力1.6MPa，額定出口穩定194℃。燃料為重油。水處理方式為鍋外水處理并鍋內加藥。除氧方式為海綿鐵除氧。

2008年3～4月，我單位分別對兩臺鍋爐進行了細致的檢查，發現了以下設備運行情況：2007年7月以前為兩臺鍋爐滿負荷生產，后引入公用蒸汽，每天低負荷運行約3小時左右，每天供氣流量約3噸左右，設備夜間常壓冷爐；該設備采用的是全自動控制鈉離子交換軟水設備，據現場司爐人員反應，該設備2007年之前有再生用正洗水泄漏情況；2007年以后除氧設備沒有使用；該設備給水過濾設備沒有使用，給水通過旁通直接進入系統；司爐人員以通過控制鍋水中“溶解固形物”濃度的方式控制排污情況，排污率低。

宏觀檢查發現以下情況：鍋殼內有全面鐵銹覆蓋層；煙管、爐膽、鍋殼水側水位線以下許多位置有塊狀垢渣附著，為黑色隆起的貝殼狀腐蝕疙瘩，如圖1所示。

腐蝕產物與金屬壁之間松軟粉末狀氧化鐵，經檢驗錘敲磨后，發現金屬壁已經脫碳形成較深腐蝕坑，如圖2所示。

綜合以上特征，確定該設備產生了典型的垢下腐蝕，經綜合分析，得出腐蝕原因是：設備給水過濾設備沒有使用，供水不潔凈，有懸浮物進入鍋爐，使鍋爐金屬表面產生沉淀物。除氧器未使用，給水中有溶解氧存在，在使用過程中氧氣經析出聚集在氣相空間，等壓力下降，溶解氧重新溶入爐水，使鍋殼水側產生氧腐蝕。鈉離子軟水裝置鹽水泄漏，造成鍋內酸性腐蝕。鍋爐排污率低，同時鍋爐低負荷運行，加速了沉淀物的形成。具體過程分析如下。

1.供水不潔凈，鍋爐排污率低以及鍋爐低負荷運行，造成了鍋內局部沉淀物形成。

2.因氧腐蝕的產生，金屬表面覆蓋氧化鐵，并夾雜于沉淀物中。這些氧化物電位高，成為陰極，而金屬壁電位低，為陽極。陽極的鐵離子不斷溶入爐水，與氧化鐵生成新的高價氧化鐵：

3.由于沉積物傳熱差，沉積物下部的金屬壁溫升高，使沉積物和金屬表面之間的鍋水濃縮，垢下金屬因過熱而發生汽水腐蝕：

4.鈉離子軟水裝置鹽水泄漏，使爐水含有大量的MgCL2和CaCL2，此時沉積物下部發生以下反應：

結果，鍋水中PH值下降，對鋼材產生酸腐蝕，并且使氫離子積聚。

因受熱表面堅硬、致密的鐵垢存在，氫不能擴散到汽水混合物中，氫滲入鋼材和碳鋼中的碳化鐵（滲碳體）發生反應：Fe3C＋2H2→3Fe＋CH4。結果造成碳鋼脫碳。

總之，要防止垢下腐蝕，關鍵在于避免鍋爐金屬表面產生沉淀物，避免產生鐵的腐蝕產物，要進行水質處理和合理的排污；新鍋爐投入運行前，必須進行化學煮爐，鍋爐運行后要定期清洗，除去金屬表面上的腐蝕產物；消除或減少鍋水中的游離氫氧化鈉；防止水處理裝置混水，滲入苦咸水或海水