布爾臺選煤廠鋼結構腐蝕原因簡析

王進榮

摘 要：布爾臺選煤廠主洗車間廠房結構為模塊式鋼結構廠房，廠房共六層為錯層布置，在生產運行過程中存在環境濕度高，沖洗用循環水氯離子含量高、設備振動等現象，因此當鋼結構及金屬涂層的表面呈潮濕狀態時會受到大氣腐蝕或者局部環境腐蝕，而侵蝕的性質和速率又取決于表面形成的電解質的性質、涂層的性質和厚度，尤其取決于空氣溫度和濕度，以及他們在金屬表面作用時間，布爾臺選煤廠廠房鋼結構在這種特殊環境下使用近六年后出現嚴重腐蝕情況。

關鍵詞：布爾臺選煤廠；鋼結構腐蝕；原因分析

1 布爾臺選煤廠鋼結構腐蝕現狀

如圖1所示，布爾臺選煤廠整體腐蝕嚴重。

螺栓緊固件部位腐蝕程度分級為非常嚴重，鋼結構整體分級為嚴重；布爾臺選煤廠桁架鋼結構的整體狀態來看，腐蝕最嚴重、隱患最大的當屬單螺栓緊固件。從圖2中可以看出螺栓腐蝕的嚴重性，銹層呈黑色，腐蝕層厚度約2mm，在外加振動載荷后，極可能導致鋼結構螺栓松動。

圖1 布爾臺選煤廠整體腐蝕狀況 圖2 螺栓緊固件腐蝕情況

焊接過程由于是一個不均勻的加熱和冷卻的過程，這種過程必然會造成熱影響區組織和性能的不均勻性。也正是這種組織和性能的不均勻性更加容易造成鋼結構的腐蝕；從圖3可以看出：桁架鋼結構焊縫腐蝕程度分級為嚴重，腐蝕嚴重，腐蝕部位主要集中在焊縫上和焊縫周圍的應力集中區域。底層銹層呈黑色，表層銹層呈紅褐色。

從圖4可以看出：桁架支撐梁腐蝕程度分級為嚴重，腐蝕主要集中在工字梁水平方向容易積水處和邊緣部分，腐蝕產物起層，銹層厚度超過3mm，部分銹層已剝離。

圖3 桁架鋼結構焊縫腐蝕情況 圖4 桁架支撐梁腐蝕情況

如圖5所示，從圖中可以看出桁架鋼結構發生全面腐蝕，表面涂層體系完全失效，腐蝕嚴重部位主要集中在鋼結構的邊緣部分，腐蝕產物堆積、隆起，側面已有縫隙，腐蝕層厚度約2mm，銹層呈黑色，腐蝕分級為嚴重。

如圖6所示，從圖中可以看出上下重疊梁腐蝕主要發生在上梁的下部和下“工”字梁的兩“一”處，這主要是由于這些部位水滯留時間長，在長期的干濕交替情況下，表面涂層體系完全失效，腐蝕發生，并從邊緣向內擴展，腐蝕產物堆積、隆起，并已分層，腐蝕層厚度約3mm，銹層呈黑色，腐蝕分級為嚴重；“工”字梁的兩“|”處，涂層未完全失效，有一定保護作用，腐蝕分級為中度。所以，整體腐蝕分級為嚴重。

綜上所述，布爾臺選煤廠鋼結構各層遭受腐蝕程度不同，狀況對比見圖7。由該圖可見，四層腐蝕最嚴重，二層和三層次之，六層相對腐蝕較輕。

圖7 布爾臺各層腐蝕狀況對比圖

2 空氣溫度、表面溫度和濕度影響

2.1 空氣溫度和設備表面溫度影響

空氣溫度在停車檢修期間溫度值在9.6℃到12.1℃之間，并隨高度增加，溫度逐漸升高；工作尾期一層空氣溫度達到21.7℃左右，與停車期間一樣，隨高度增加，溫度逐漸升高到六層的23.1℃。工作期間溫度比檢修期間，空氣溫度平均升高約11℃。見表1。

表1 布爾臺選煤廠分層空氣溫度值（℃）

注：選擇接近平均溫度的具有代表性溫度值。

鋼結構表面溫度在停車檢修期間溫度值在9.0℃到11.8℃之間，并隨高度增加，溫度逐漸升高；工作尾期一層鋼結構表面溫度達到12.1℃左右，與停車期間一樣，隨高度增加，溫度逐漸升高到六層的13.8℃。工作期間溫度比檢修期間，鋼結構表面溫度平均升高約3℃。見表2。

表2 布爾臺選煤廠分層表面溫度值（℃）

注：選擇接近平均溫度的具有代表性溫度值。

溫度對腐蝕的影響主要是因為結露與溫度有關，在臨界濕度附近能否結露和氣溫變化有關，這意味著與其說是濕度不如說是溫度的高低具有更大的影響。統計結果表明，在其它條件相同時，氣溫越高，腐蝕速度一般也較大。氣溫劇烈變化也影響大氣腐蝕。例如，工作期間和停車檢修之間有溫度變化，當停車檢修期間溫度下降，由于金屬表面溫度低于空氣溫度，使大氣中水蒸汽結露凝結在金屬表面上，這樣就加速了腐蝕。

2.2 濕度影響

由表3可看出，空氣濕度在停車檢修期間濕度值在60%到88%之間，空氣濕度在工作尾期期間濕度值在70%到87%之間。這主要是停車檢修期間的3～5個小時內，設備表面煤粉要水洗去除，長時間的水洗使車間內空氣濕度上升。一般講空氣中濕度越大，金屬表面結露越容易，表面上的電解液膜存在的時間也越長，腐蝕速度也相應增加。各種金屬都有一個腐蝕速度開始急劇增加的濕度范圍，使金屬大氣腐蝕速度開始急劇增加的大氣相對濕度稱為臨界濕度。鋼鐵的臨界濕度約在50%～70%之間。當相對濕度達60%以上時，鋼的腐蝕量就急劇上升；而小于60%時腐蝕量很小。而布爾臺選煤廠的濕度基本上都保持在60%以上，有的甚至超過了100%，所以，水對腐蝕進程的促進作用是巨大的。

表3 布爾臺選煤廠分層濕度值

注：選擇接近平均溫度的具有代表性濕度值。

2.3 SOX和NOX影響

布爾臺選煤廠有來自蕩起的煤粉塵以及其它固體顆粒，對金屬大氣腐蝕影響較大。空氣中通常稱為粉塵的固體微粒雜質也能加速腐蝕，布爾臺選煤廠生產期間煤粉塵蕩起嚴重，它的組成十分復雜，甚至可達1000 mg·m-3以上。

3 水質影響

對布爾臺選煤廠補加水、循環水進行了重點取樣，分析結果如表4。

表4 選煤廠循環水水質分析結果（2010年2-4月）

從上表可知：布爾臺選煤廠模塊鋼結構循環水的pH值在8.00左右，HCO3-、Cl-、SO42-嚴重超標，數值如表5所示。

從表5可知：布爾臺選煤廠結構水的pH值在7.95左右，HCO3-、Cl-、SO42-嚴重超標，數值如表所示。

布爾臺選煤廠車間內用水是直接抽取的地下水，其腐蝕性與水中陰陽離子類別和含量有很大關系。地下水對鋼結構的腐蝕是電化學腐蝕過程，腐蝕程度通常受陰極過程所控制。模塊鋼結構在整個腐蝕過程中，受環境因素的影響較大。水質影響鋼結構腐蝕的因素主要為水的PH值、含鹽量、離子含量等，水源中含有較高濃度的Cl-、HCO3-和SO42-，這些離子會如果在鋼架上大量累積，不僅能導致涂層快速失效和嚴重的均勻腐蝕，還能引起焊縫和預應力連接件的應力腐蝕和腐蝕疲勞等高破壞性腐蝕模式。

4 含鹽量的影響

水中含鹽量的成分增加，其導電率增加，局部電流也增加，同時腐蝕產物易離開金屬表面，因此腐蝕速度增加。當含鹽量超過一定濃度后，氧的溶解度降低，因而腐蝕速度又減小。

在淡水中，一般的陽離子影響不大。如果溶解的陽離子是Cu2+、Fe3+、Cr3+、Hg2+等氧化性重金屬離子時，則對陰極極化過程有害；而Ca2+、Zn2+、Fe2+則呈現有防蝕作用。在天然淡水中含Ca、Mg鹽類多的水為硬水，少的為軟水，軟水比硬水腐蝕性大。硬水由于水中的重碳酸鈣在鋼表面形成CaCO3的膜，阻止了溶氧的擴散，所以腐蝕性小。

陰離子一般都有害。如Cl-等鹵族元素是產生點蝕和應力腐蝕的原因之一；SO42-或NO3-比Cl-影響小；ClO-、S2-等也是有害的。而PO42-、NO3-、SiO3-等有緩蝕作用；HCO3-和Ca2+共存時，也有抑制腐蝕的效果。

布爾臺選煤廠的水質NaCl含量極高，對鋼鐵的腐蝕性大，也是導致防腐涂層過早失效的原因。

5 pH值的影響

鋼鐵的pH在4～9范圍內，腐蝕速度與pH無關，這是因為鋼的表面蓋上一層氫氧化物膜，氧要通過膜才能起去極化作用。pH小于4時，膜被溶解，發生放氫，腐蝕加劇。因布爾臺選煤廠水源中含有高濃度Cl-、HCO3-和SO42-，因此當水中含有Cl-和HCO3-，即便在pH=8附近時，腐蝕加速，出現水銹。

6 腐蝕性陰離子來源

從現場和資料分析來看，布爾臺選煤廠水中腐蝕性離子的來源大致有三個途徑造成鋼結構腐蝕。

6.1 矸石泥化

煤矸石是采煤過程和選煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。選煤過程中挑出的洗矸石其主要成分是Al2O3、SiO2，另外還含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素。

布爾臺選煤廠出現了矸石泥化的現象，矸石泥化的直接作用是，矸石中的各種腐蝕性離子進入水中，增加選煤廠用水的腐蝕性，其中此處主要為硫酸根和硝酸根，對選煤廠模塊鋼結構造成威脅。不同巖層的矸石遇水泥化的性質不同，是影響濕法選煤的重要問題之一。

6.2 藥劑添加

煤泥水在選煤廠要求實現一級閉路循環使用，選煤廠一般會在洗煤水中加入絮凝劑，使煤細粉形成絮團，快速沉降，有利于回收洗礦廢水中的細粉尾煤，并且除去細粉尾煤的水可以重復利用。

布爾臺選煤廠選煤水中也加入了絮凝劑，主要有聚丙烯酸銨和聚合氯化鋁，而這些絮凝劑中的主要陰離子為氯離子，這就是說絮凝劑的加入，大大增加了水中的氯離子含量，通過水的循環利用，這些氯離子作用于模塊鋼結構，對模塊鋼結構的腐蝕有非常大的促進作用。

6.3 補充水源

布爾臺選煤廠車間內用水是直接取自的地下井水或廠區處理的礦井水，水源中分布最廣的是鉀、鈉、鎂、鈣、氯、硫酸根和碳酸氫根 7 種離子。水的腐蝕性與水中陰陽離子類別和含量有很大關系。

7 結束語

布爾臺選煤廠腐蝕根源來自循環水，而循環水中腐蝕性離子來源包括泥化矸石帶入、藥劑成分和補充水源，其中泥化矸石是布爾臺選煤廠水中腐蝕性離子增加的主要來源，這也是布爾臺選煤廠腐蝕狀況不同于其他選煤廠的主要原因，另外由于選煤的特殊工藝及廠房沖洗等原因造成濕度增加也是鋼結構腐蝕的另一根源。