Fe³⁺、H^+在鍋爐酸洗中腐蝕行為的探討

唐立慶

摘 要：通過一系列單因素、多因素正交試驗，探討不同Fe3+、H+濃度、不同溫度條件下，Fe3+、H+ 對鍋爐本體鋼材的腐蝕作用，并為鍋爐酸洗提供參數依據。

關鍵詞：鍋爐酸洗；Fe3+、H+腐蝕源；溫度

1 前 言

鍋爐在酸洗過程中對鍋爐本體產生腐蝕的物質一般說來只有兩種，一種是酸洗液中的酸，即H+離子，一種是酸洗液與垢下腐蝕產物作用產生的氧化性物質Fe3+及鍋爐本體與H+ 作用時產生的氧化性物質Fe3+。這兩種物質都能與鍋爐本體鋼材發生電化學腐蝕作用。為了減緩H+對鍋爐本體腐蝕，我們通常加入高效優質緩蝕劑；為減緩Fe3+對本體腐蝕，我們通常在酸洗液中加入還原性物質或絡合劑，降低酸洗液中Fe3+濃度來實現。鍋爐酸洗過程，Fe3+、H+濃度一般控制在1000mg/l以下，H+濃度一般為3%—5%左右。

本文試圖通過一系列實驗來確定不同Fe3+、H+濃度，不同反應溫度條件下，鍋20鋼的受腐蝕狀態， 并企以此為鍋爐酸洗提供技術參數。

2 腐蝕試驗

2.1 材料及試劑

試片：根據鍋爐材質為G20鋼，故選用G20鋼，規格為3×12×35的試片并經表面處理， 使其光潔度為Ra<0.4um，然后測其表面積S和重量【1】。

試劑：鹽酸 分析純，湖南株洲化學工業研究所

三氯化鐵（含六個水） 分析純，湖北仙桃化學試劑廠

IS-129 湖北中天緩蝕劑廠

2.2 試驗方法及結果

根據鍋爐酸洗控制條件【1】【3】，按不同濃度Fe3+單存、不同濃度H+單存、不同濃度Fe3+、H+共存三種情況分別在45℃、50℃、60℃條件下進行腐蝕試驗，試驗緩蝕劑用量可按《DL/T 523-2007化學清洗劑應用性能應用評價指標及試驗方法》規定的0.3%配制，試驗時間3小時。腐蝕速率計算方法如下：

金屬腐蝕速度（V）= （g/m2.h） 【1】

其中：m1—試片腐蝕試驗前質量

m2—試片腐蝕試驗后的重量（g）。

S—試片表面積（m2）。

t—腐蝕反應的時間。

試驗結果如表一

3 結果討論

3.1 酸洗液濃度越高，腐蝕性越大

比較表一所有27組數據，不難發現腐蝕速度的最大均發生在最大濃度（Fe3+、H+）和最高溫度值的因素條件組合試驗。這說明金屬腐蝕速度與腐蝕液（即反應物）濃度有一定的相依關系，腐蝕液濃度越大，金屬在腐蝕液中的腐蝕速度就越大。因為反應物濃度越大，其中活化分子濃度就高，有效反應的碰撞次數就越多，反應速度也就越快，表現在腐蝕上，腐蝕速度就越大。另外由于Fe3+/Fe、H+/Fe的腐蝕都是電化學腐蝕，根據能斯特方程，當溫度一定時，電化學腐蝕的原電池電位【2】為：

由于溫度一定，R、F為常數，對特定的試驗，△E°、n是一定的【2】，能斯特方程可寫成：

由公式可以看出，當反應物濃度增大時電化學腐蝕的原電池電位差越大，腐蝕越容易發生，腐蝕速度越大，同時同公式還可以推測出：腐蝕開始時腐蝕速度應該越大，因為此時生成物濃度很小，而反應物濃度很大，腐蝕的電池電位差就較大，腐蝕也就越容易發生。在鍋爐酸洗過程中我們應盡量控制的鹽酸及酸洗液中Fe3+濃度不能超標。

3.2 溫度越高，腐蝕越快

比較表一試驗結果，可以得出腐蝕速度與腐蝕反應的溫度存在對應關系，即反應溫度越高，腐蝕速度越大。

比較表一同濃度不同溫度下的金屬腐蝕速度可以看出：溫度每升高5℃，金屬腐蝕速度就要升高約30%─40%。 從理論上講，溫度升高，物質顆粒運動加快，有效碰撞次數增加，反應速度提高，而從能斯方程來看：

式中R、F也是常數。另外本試驗是H+對Fe、Fe3+對Fe的腐蝕，△E°、n為常數。由此可知腐蝕反應的電池電位差與溫度T正相關。溫度升高，電池電位差增大，反應容易發生，腐蝕速度越快。

根據上面分析可以得出溫度因素是我們在鍋爐酸洗過程中特別注意的因素。比較表一試驗結果，酸洗溫度選擇在50℃左右為宜，它與45℃相比腐蝕速度相差不大，但除垢速度卻要快得多。如果溫度太低，除垢速度慢，如果溫度太高對鍋爐本體腐蝕大。

3.3 高效緩蝕劑能大幅減少酸性腐蝕。

比較表一試驗結果，當H+單獨存在時，在同等溫度下盡管H+濃度相差大，但是兩組試驗的金屬腐蝕速度卻相差不大，說明在高效優質的緩蝕劑作用下，H+對Fe的腐蝕作用已經降低到了最小程度，也就是說鍋爐酸洗時只要緩蝕劑選擇得當，酸液濃度大小不一定是引起酸洗腐蝕加劇或酸洗過洗的主要原因。

3.4 Fe3+濃度越大，腐蝕越大

比較表一試驗結果，當試驗液中只有Fe3+單存存在時同一溫度下的腐蝕速度與Fe3+濃度有比較明顯的線性關系。根據能斯特公式：

其中0.771為Fe3+/Fe2+電極對標準電極電位

可知Fe3+濃度越大，Fe3+對Fe 的腐蝕的電池電位也就越大，反應越快，腐蝕速度越大。Fe3+濃度在鍋爐酸洗過程中是一個比較值得注意的因素，應引起足夠的重視。尤其是氧腐蝕和垢下腐蝕較嚴重的鍋爐酸洗時更應該注意酸洗液中的Fe3+濃度，以防止Fe3+對Fe的腐蝕引起過洗【3】。

根據試驗結果，鍋爐酸洗時應在酸洗加藥中加入一定量的還原性物質或類似EDTA的絡合劑【2】，消耗酸洗液中的Fe3+量，減輕Fe3+對鍋爐本體的腐蝕【3】。

3.5 Fe3+、H+共存時Fe3+、H+兩種腐蝕源在鍋爐酸洗過程中有協同作用

比較表一試驗結果，當溫度和H+ 濃度相同的條件下，Fe3+、H+共存時腐蝕速度大于H+單存或Fe3+單存條件下的金屬腐蝕速度。

說明Fe3+、H+共存時Fe3+、H+兩種腐蝕源在鍋爐酸洗過程中有協同作用，是互相影響，互相疊加的。

4 結論

4.1 鍋爐酸洗時如果緩蝕劑的緩蝕效應很高（>98%），可適當提高酸洗液中鹽酸濃度，以利加快除垢速度，縮短酸洗時間。

4.2 Fe3+腐蝕作用較大，而且腐蝕速度與濃度有線性關系，鍋爐酸洗加酸時一并加入適量的還原劑或類似EDTA的絡合劑以還原Fe3+或絡合Fe3+使之不能參與腐蝕作用，從而消除Fe3++對Fe的腐蝕作用，減少酸洗過程中過洗因素。

4.3 酸洗溫度對腐蝕有較大影響，我個人認為應控制在50℃左右，這樣既有利于加快除垢，同時對鍋爐的腐蝕影響又不大。

參考文獻：

[1] 《 DL/T 794-2012火力發電廠鍋爐化學清洗導則》

[2] 《無機化學》上冊（第二版），大連理工學院編，高等教育出版社出版。

[3] 《熱電發電廠水處理》下冊（第三版），武漢水利電力大學編，中國電力出版社出版。