工业锅炉垢下腐蚀缺陷成因分析

摘要：某工业锅炉出现锅炉大面积腐蚀穿孔泄漏事故，本文对这一情况进行缺陷成因分析，初步判断是水处理不当，锅炉结垢，造成沉积物下腐蚀，并提出缺陷预防措施及意见。

关键词：沉积物下腐蚀 加药不当 缺陷成因分析

福建某企业的一台DZG2-1.25-WⅡ型工业锅炉，工作压力为1.25Mpa，额定蒸发量为2t/h，固定炉排，燃料为Ⅱ类无烟煤。该锅炉补给水是使用地表水，水源由于受污染长期呈弱酸性，该锅炉水处理形式采用锅内加药，药剂为烧碱、纯碱，加药方式粗犷，司炉工常一次性把整袋烧碱投入给水池；该锅炉投用时尚未配备水处理化验人员，锅炉运行时未监测锅炉给水、锅水水质；该锅炉因生产紧张常超负荷运行，仅偶尔在低负荷时排污；季节性生产，停用阶段没有采取任何保护措施，每年开工前会以人工机械方式清理垢渣。投入运行15年，常发生炉管穿孔泄漏事故。

1 宏观检查

打开锅炉所有人手孔，对锅炉内部进行了全面检查，锅炉内部水垢1mm，边角后管板管束区及锅筒底部积存较多难以清除的坚硬老垢；清除垢渣后发现锅筒前下侧、后管板中下侧发现大面积垢下溃疡型腐蚀坑，深约2mm-

5mm；烟管、壁管均发现大面积垢下溃疡型腐蚀坑，深1mm-3mm，部分已穿孔泄漏；腐蚀部位有坚硬的黑褐色腐蚀产物。整体腐蚀情况明显是向火侧、温度高的高热负荷区域腐蚀较明显：锅筒底部前方受幅射加热区腐蚀明显；水冷壁管明显是向火侧腐蚀更严重；高温区进口段烟管腐蚀明显比低温区更深；未受热的下降管、集箱未发现明显腐蚀，前管板腐蚀也不明显，经壁厚检测，仅稍有减薄，未发现较大减薄。

2 检测项目结果

2.1 检查该锅炉锅检部门抽查的历年水质检测报告：给水PH值5.7～6.3；硬度为1.8～2.6mmol/L；浊度1.0～

1.3（FTU）；锅水：pH值8～12.5；碱度0.28～28mmol/L；结果显示给水长期呈弱酸性，硬度较高；锅水pH值，碱度波动较大，但大多偏高，这与其粗犷的加药方式有关。

2.2 对腐蚀产物进行分析：腐蚀产物主要是铁氧化物。

2.3 管样化学成分分析：炉管管样主要成分均正常，符合20，GB3087-2008的标准。（表1）

2.4 对割取的腐蚀部位炉管管样进行了显微分析，发现其金相组织为索氏体+珠光体，具有带状趋向，晶粒度8～9级，从组织和夹杂物分布认为是正常的。

3 缺陷成因分析

根据调查获得水样分析、垢样分析、锅炉加药方式、锅炉内表面的腐蚀状况和腐蚀产物分析结果，排除材质引起缺陷，初步判断该锅炉的腐蚀是以沉积物下浓缩碱腐蚀为主，而且还存在铁垢引起的电化学腐蚀和氧腐蚀。

由于使用单位管理不善，未配备水处理人员，未作日常水质化验及记录，未根据水质化验结果指导加药，在锅检部门抽样发现水质异常提出：应往给水箱中加入适量防垢药剂，以提高给水pH值及锅水酚酞碱度、全碱度和PH值，防止锅炉结垢和腐蚀后才采取在给水箱中加入（NaOH+Na2CO3）措施，但加药时间及用量都不均匀，加药时司炉工常一次性把整袋烧碱投入给水池，再由水泵抽进锅炉，这种加药方式极易造成锅水pH值超标，碱度过大（至少是短时超标），再加上该锅炉积垢较多且常处于超负荷状态，使游离的氢氧化钠浓缩到危险的浓度（特别是受热温度较高的高热负荷部位），造成沉积物下浓缩碱腐蚀，直至穿孔泄漏。

4 腐蚀破坏机理分析

4.1 氧腐蚀

由于该锅炉未采用除氧装置，造成含氧的给水进入锅炉而造成炉管发生氧腐蚀，使用锅炉内产生了大量的氧腐蚀产物。氧腐蚀产物是比较疏松、没有保护性的铁氧化物，它们的密度不足钢铁的1/2，因此突起成丘状，堆积在腐蚀溃疡处，从而导致了腐蚀部位内外氧浓差电池的形成，使腐蚀得以继续进行下去。

在锅炉停用期间，如果不采取保养措施，锅炉汽水系统金属内壁会遭到溶解氧的腐蚀。因为锅炉停止运行后，外界空气必然大量进入汽水系统内部，虽然锅炉已经放水，但管子内壁往往因为受潮而附着一层水膜，溶解水膜中的氧，很容易腐蚀此处的金属材料，尤其当停用锅炉的管子内壁附着沉积物或水渣时，更会加快腐蚀的进程。

4.2 铁垢引起的电化学腐蚀。该锅炉自身腐蚀产物，且由于原水呈酸性，给水系统酸腐蚀严重带入铁腐蚀产物；加之停用阶段没有采取任何保护措施，也导致炉内形成了大量的未排出停用腐蚀产物Fe2O3。这些铁腐蚀产物起阴级去极化剂的作用，在锅炉运行时发生电化学反应。反应生成的FeO和Fe2+一遇到氧，又被氧化成高价铁氧化物，这样只要存在氧，就会使腐蚀过程反复进行下去，形成恶性循环。

4.3 沉积物下介质浓缩酸碱腐蚀：当锅炉蒸发受热面附着沉积物时，金属管壁温度升高，使渗透在沉积物下面的锅水急剧蒸发浓缩，导致各种杂质浓度升高所造成的腐蚀。垢下腐蚀可能是碱性腐蚀，也可能是酸性腐蚀。主要取决于锅水中所含的物质以及锅水的pH值。而该锅炉锅水波动较大，两种情况都可能发生。

正常条件下，锅炉金属表面有一层致密的Fe3O4保护膜，只有当它受到破坏时金属才发生腐蚀。在pH11～12范围，保护膜最稳定。在锅水pH值较低时，当有少量CaCl2和MgCl2进入锅炉时，就会水解产生HCl，由于受热面表面有多孔沉积物存在，受热面和介质之间就会存在一个稳定的温度梯度。生成的HCl由于沉积物的阻碍不易和锅水混合均匀，导致沉积物下HCl的浓度越来越高，使腐蚀继续进行下去。这时可能锅水的pH值是合格的，而腐蚀坑内形成的闭塞区的pH值可能低于5，同时水中氯离子能破坏金属表面保护膜的完整性，降低其击穿电位，引发金属的酸性腐蚀。

从水质化验结果、锅炉腐蚀状况和腐蚀产物分析来看，该锅炉是沉积物下浓缩碱腐蚀为主。由于该锅炉碱腐蚀是指游离的氢氧化钠对金属的腐蚀。锅炉水碱度或pH偏高时，在高热负荷部位由于沉积物下水流不畅或发生核态沸腾造成碱浓度过高发生碱腐蚀。浓缩碱的存在将损坏四氧化三铁保护膜，造成金属以光滑起伏刨槽形式的腐蚀，它的深度是浓度和金属与碱接触时间的函数。在常温下，只有当氢氧化钠浓度高于30%时，才会因为钢铁表面氧化膜的溶解而引起腐蚀。但在锅炉的高温高压力条件下，锅水中含有5～10%的氢氧化钠，也能使钢铁发生较强烈碱腐蚀。锅炉在运行正常的情况下，是不会造成碱腐蚀的，即使pH=13，锅水中相当于NaOH含量也不过0.5%左右，碳钢在这样浓度的碱浓液是非常稳定的。发生碱腐蚀原因是由于碳钢的局部发生了碱的浓缩，使氢氧化钠达到危险的浓度，这时钢铁表面的保护膜四氧化三铁首先和浓NaOH反应，随后其下的基体金属铁也和NaOH反应，产生铁酸钠和亚铁酸钠。而这两种物质又可与渗入的锅水发生水解反应，生成氧化铁和氧化亚铁腐蚀产物和NaOH，后者又继续腐蚀金属，整个反应过程并不消耗NaOH，使腐蚀一直继续下去。碱性腐蚀一般具有局部性的特性，呈现小沟槽或不规则的溃疡型。碱腐蚀的作用，主要是溶解钢铁表面的氧化膜，使其表面失去作用，从而创造了腐蚀过程连续发生的可能性。同样，发生这种腐蚀时，检测锅水的碱度和pH值很难发现局部的高浓度碱。

5 缺陷预防或监控措施及意见

根据GB/T1576-2008《工业锅炉水质》标准规定：额定蒸发量小于或等于4t/h，且额定蒸汽压力小于或等于1.3Mpa的自然循环蒸汽锅炉、对水汽质量无特殊要求的汽水两用锅炉、额定功率小于或等于4.2MW非管架工承压的热水锅炉，均可采用单纯锅内加药水处理。该使用单位锅炉符合要求，允许采用锅内加药水处理，但锅内加药量是需要科学计算，加药方式要符合要求。锅内加药处理药剂用量的确定通常分两种，一是根据原水的硬度、碱度和锅水需维持的碱度、锅炉排污率等参数，并按化学反应物质的量进行计算确定，二是按实验数据或经验用量进行计算。

根据TSG G5001-2010《锅炉水（介）质处理监督管理规则》规定：锅炉使用单位应当结合本单位实际情况，明确岗位职责，建立健全水（介）质处理管理制度并且严格执行，确保水（介）质的质量符合要求。锅炉使用单位应当根据锅炉的数量、参数、水源情况和水处理方式等配备相应的锅炉水处理作业人员。锅炉使用单位应当对水汽质量定期进行常规化验分析。该使用单位长期对水处理工作不重视，未配备水质化验人员，未作水质分析及记录，长期任由司炉工随意加药。此次锅炉因水处理不当出现锅炉腐蚀损坏，损失较大，须引起企业对水处理作业重视，培训水质化验人员，作好水质化验工作，合理加药，科学排污，选择合适的锅炉停炉保养措施，清除水垢，避免同类事故的发生。

参考文献：

[1]姚继贤.工业锅炉水处理及水质分析[M].劳动人事出版社，1987年10月.

[2]李茂东，林锡辉.锅炉腐蚀原因分析及预防[J].暨南大学学报（自然科学与医学版），2003，24（01）.

[3]朱元良，郭兴蓬.中性介质中碳钢腐蚀沉积膜下局部腐蚀行为[J].中国腐蚀与防护学报，2008，28（5）：271-275.

[4]窦照英.水处理、防腐蚀和失效分析1000例[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]路阳.锅炉受热面结垢与腐蚀的成因及防止[J].科协论坛，2012（8）：85-87.

[6]方海客等.工业锅炉水冷壁下腐蚀加速机理分析[J].安全分析，1998，20（4）：44-46.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.工业锅炉水质（GB/T1576-2008）[S].2009-03-01.

作者简介：章振华（1981-），男，福建龙岩人，福州大学在读工程硕士，福建省锅炉压力容器检验研究院龙岩分院，主要从事锅炉、压力容器、压力管道等承压类特种设备监督、检验工作。