蒸壓釜檢驗中發(fā)現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象原因分析

張繼周+蘇振+鄭麗娜

摘 要：一臺蒸壓釜在進行全面檢驗過程中發(fā)現(xiàn)異常的腐蝕現(xiàn)象。針對這一腐蝕現(xiàn)象結(jié)合現(xiàn)場情況、工作參數(shù)和國家的相關標準、規(guī)范進行了一系列的原因分析，并提出了相應的預防和改善措施。

關鍵詞：蒸壓釜；高溫氧腐蝕；高溫硫化物腐蝕；碳酸鹽應力腐蝕開裂；

1 情況介紹

某市一家利用煤粉燃燒過后生成的煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾生產(chǎn)砌塊的工廠2012年新安裝了一臺175M3的蒸壓釜，并于當年底投入使用。該蒸壓釜工作壓力1.2MPa，工作溫度200℃，設計使用年限8年，筒體采用Q345R材質(zhì)厚16.0mm的鋼板制造，容積175.0M3，內(nèi)徑2850mm，造日期2011年7月3日，工作介質(zhì)為飽和水蒸汽、水泥、砂漿。2005年9月進行首次全面檢驗，檢驗過程中發(fā)現(xiàn)蒸壓釜內(nèi)部兩端有軌道脫焊現(xiàn)象，底部有連續(xù)分布的腐蝕坑，最大的有80×50mm，深5.0mm，如圖1所示。外部保溫層下普遍氧腐蝕，并伴有點腐蝕坑，最深1.5mm。

2 生產(chǎn)工藝

將煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾等和水按照一定的比例混合，發(fā)酵凝固后切割成塊，推入蒸壓釜內(nèi)，后通入蒸汽升壓升溫，待達到200℃，1.2MPa時保溫保壓6h，再降溫降壓至室溫常壓，把已經(jīng)干燥的砌塊推出再把新潮濕的砌塊放入，如此周而復始的生產(chǎn)。該廠地處農(nóng)村，現(xiàn)場粉塵較大。軌道上粉塵堆積，料車脫軌現(xiàn)象時有發(fā)生。蒸壓釜安放在排污池上方，環(huán)境高溫潮濕，水汽較大。

3 原因分析

3.1 高溫氧化腐蝕

蒸壓釜在200℃左右的高溫潮濕環(huán)境中使用，高溫下鐵與氧反應生成蓬松的鐵氧化物。設備運行時產(chǎn)生振動，疏松的鐵氧化物脫落，露出單質(zhì)鐵，鐵又氧化成鐵氧化物，再脫落，周而復始，從而造成蒸壓釜壁厚減薄。這種腐蝕現(xiàn)象宏觀一般表現(xiàn)為普遍均勻腐蝕，造成的后果是壁厚均勻的減薄[1]。

3.2 二氧化碳腐蝕

空氣中含有的二氧化碳溶解在蒸壓釜內(nèi)的凝結(jié)水中，生成碳酸。蒸壓釜在高溫潮濕環(huán)境下和二氧化碳（碳酸）發(fā)生反應，反應式如下：

H2O+CO2+Fe→FeCO3+H2

腐蝕區(qū)域壁厚減薄；在紊流區(qū)、液體沖擊區(qū)域、焊縫的根部可能形成蝕坑或蝕孔。且在紊流區(qū)，可能形成較深的點蝕坑和溝槽。所以檢驗時應當重點檢查底部焊縫的根部。其主要影響因素：⑴二氧化碳的分壓越高，則溶解在水中的二氧化碳越多，形成碳酸的濃度越大，則腐蝕性越強。⑵在溫度未達到溶液中二氧化碳氣體一處溫度前，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。

3.3硫酸腐蝕

煤粉渣中含有多種硫化物，如二氧化硫、三氧化硫等，它們與水接觸生成亞硫酸、硫酸等，在與碳鋼發(fā)生一系列復雜的化學反應，從而造成了碳鋼的流失和材質(zhì)的劣化。主要表現(xiàn)為焊縫熱影響區(qū)會速度明顯加快，在焊接接頭部位形成溝槽。在低流速區(qū)或滯留區(qū)形成氫槽。且硫酸的腐蝕性極強，他不但能夠腐蝕到單質(zhì)鐵，而且還能腐蝕焊縫中的雜質(zhì)，例如Cr、Mn等。其主要的影響因素：⑴ 酸的濃度：因為硫酸具有極強的氧化性，所以隨著濃度的增高，其腐蝕性反而減小。⑵工作溫度：酸的濃度一定時，隨著溫度的升高，腐蝕速率增大。

3.4 冷取水腐蝕

冷卻水中多溶解氧氣、二氧化碳等氣體。它們能與碳鋼發(fā)生反應產(chǎn)生腐蝕。腐蝕多表現(xiàn)為點蝕，呈潰瘍狀，在金屬表面形成黃褐色或磚紅色鼓包，直徑從1～30mm不等，由各種腐蝕產(chǎn)物組成，腐蝕產(chǎn)物去除后，可見金屬表面腐蝕坑[2]。

3.5 高溫硫化物腐蝕

碳鋼在高溫下與硫化物反應發(fā)生的腐蝕，其原理如下：

Fe+RS→FeS+R

通常表現(xiàn)為均勻減薄，同時生成FeS保護膜，膜層大約是被腐蝕掉的金屬體積的5倍，并可能形成多層膜；碳鋼表面保護膜因結(jié)合牢固且有光澤的灰色膜容易誤認為是沒有發(fā)生腐蝕的金屬。主要影響因素：⑴溫度：鐵基合金的硫化物腐蝕通常在金屬溫度超過 200℃時開始發(fā)生，溫度越高，腐蝕越快[1]；⑵合金元素：硫化物腐蝕取決于反應產(chǎn)生的保護性硫化物膜的鈍化能力，氫的存在會破壞保護膜的穩(wěn)定性，一般而言，Cr含量越高，耐硫化物腐蝕能力越強。合金中Cr含量低于7%～9%，耐腐蝕性能提高很少。⑶氫分壓：存在明顯的氫分壓時，氫氣環(huán)境下的高溫硫化物腐蝕速率比無氫環(huán)境下的高溫硫化物腐蝕高得多；⑷硫化氫分壓：腐蝕速率隨硫化氫分壓的增加而增大。

3.6 碳酸鹽應力腐蝕開裂

在含碳酸鹽溶液系統(tǒng)中拉應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生在碳鋼焊接接頭附近的表面開裂，它是一種特殊的堿應力腐蝕開裂。碳鋼在高溫下與水蒸氣產(chǎn)生如下的化學反應：

3Fe+ 4H2O→Fe3O4+ 4H2

反應生成的Fe3O4覆蓋在碳鋼表面，形成一層保護膜。由于過高的局部拉伸應力會使局部區(qū)域的保護膜遭到破壞，在碳鋼表面形成最初的腐蝕裂紋，堿溶液富集在裂紋中，形成電化學腐蝕。裂紋的尖端區(qū)域成為陽極，而裂紋周圍的保護層成為陰極，再加上拉伸應力的作用，使裂紋迅速擴展，最終導致斷裂。

碳酸鹽應力腐蝕開裂常見于靠近焊縫的母材上，裂紋平行于焊縫擴展，有時也會在焊縫金屬和熱影響區(qū)發(fā)生。裂紋細小并常呈蜘蛛狀網(wǎng)狀，焊縫中的缺陷為開裂提供了局部應力集中。裂紋主要為晶間型，裂紋內(nèi)一般會充滿氧化物。

主要影響因素：⑴應力水平：碳酸鹽應力腐蝕開裂可以在相對低的殘余應力下發(fā)生，通常在沒有經(jīng)過應力釋放的焊縫或冷加工的區(qū)域發(fā)生。⑵pH和碳酸鹽濃度：隨pH和碳酸鹽濃度的增加，開裂敏感性增加。典型開裂組合條件有pH>9.0且CO2>100ppm，或8400ppm或含水且硫化氫濃度為50wppm或更高，pH為7.6或更高。⑶當二氧化碳含量超過2%時，溫度需高于93℃時就會發(fā)生開裂[1]。

4 預防和改善措施

4.1 表層設計

涂覆耐氧化耐腐蝕的表面保護層。以防止周而復始的氧腐蝕，從而避免壁厚的減薄。

4.2 材料設計

金屬鉻可形成保護性氧化物膜，鉻含量的多少在一定程度上決定了金屬的耐腐蝕的強弱。在合金中加入一定量的鉻元素，可以大幅度的提高單質(zhì)鐵的耐氧化能力。鋁和硅等其他合金元素也具有相同效果，但因其對力學性能不利，添加量應控制。如果鉻含量未達到12%以上，增加鋼中鉻含量不能明顯提高耐腐蝕能力。故一般選用多種合金混合添加。

4.3 工藝設計

對焊接接頭（包括修補焊接接頭和內(nèi)、外部構(gòu)件焊接接頭）進行焊后消除應力熱處理[3]。從而減少各種應力腐蝕開裂的可能性。

4.4 結(jié)構(gòu)設計

（1）在設計過程中應盡量避免彎頭等給水部位和較低能夠積水部位的結(jié)構(gòu)。

（2）在設計、制造、安裝過程中應當把排污裝置放在設備地勢最低的部位，以便排污。