Fe3+、H+在锅炉酸洗中腐蚀行为的探讨

唐立庆

摘 要：通过一系列单因素、多因素正交试验，探讨不同Fe3+、H+浓度、不同温度条件下，Fe3+、H+ 对锅炉本体钢材的腐蚀作用，并为锅炉酸洗提供参数依据。

关键词：锅炉酸洗；Fe3+、H+腐蚀源；温度

1 前 言

锅炉在酸洗过程中对锅炉本体产生腐蚀的物质一般说来只有两种，一种是酸洗液中的酸，即H+离子，一种是酸洗液与垢下腐蚀产物作用产生的氧化性物质Fe3+及锅炉本体与H+ 作用时产生的氧化性物质Fe3+。这两种物质都能与锅炉本体钢材发生电化学腐蚀作用。为了减缓H+对锅炉本体腐蚀，我们通常加入高效优质缓蚀剂；为减缓Fe3+对本体腐蚀，我们通常在酸洗液中加入还原性物质或络合剂，降低酸洗液中Fe3+浓度来实现。锅炉酸洗过程，Fe3+、H+浓度一般控制在1000mg/l以下，H+浓度一般为3%—5%左右。

本文试图通过一系列实验来确定不同Fe3+、H+濃度，不同反应温度条件下，锅20钢的受腐蚀状态， 并企以此为锅炉酸洗提供技术参数。

2 腐蚀试验

2.1 材料及试剂

试片：根据锅炉材质为G20钢，故选用G20钢，规格为3×12×35的试片并经表面处理， 使其光洁度为Ra<0.4um，然后测其表面积S和重量【1】。

试剂：盐酸 分析纯，湖南株洲化学工业研究所

三氯化铁（含六个水） 分析纯，湖北仙桃化学试剂厂

IS-129 湖北中天缓蚀剂厂

2.2 试验方法及结果

根据锅炉酸洗控制条件【1】【3】，按不同浓度Fe3+单存、不同浓度H+单存、不同浓度Fe3+、H+共存三种情况分别在45℃、50℃、60℃条件下进行腐蚀试验，试验缓蚀剂用量可按《DL/T 523-2007化学清洗剂应用性能应用评价指标及试验方法》规定的0.3%配制，试验时间3小时。腐蚀速率计算方法如下：

金属腐蚀速度（V）= （g/m2.h） 【1】

其中：m1—试片腐蚀试验前质量

m2—试片腐蚀试验后的重量（g）。

S—试片表面积（m2）。

t—腐蚀反应的时间。

试验结果如表一

3 结果讨论

3.1 酸洗液浓度越高，腐蚀性越大

比较表一所有27组数据，不难发现腐蚀速度的最大均发生在最大浓度（Fe3+、H+）和最高温度值的因素条件组合试验。这说明金属腐蚀速度与腐蚀液（即反应物）浓度有一定的相依关系，腐蚀液浓度越大，金属在腐蚀液中的腐蚀速度就越大。因为反应物浓度越大，其中活化分子浓度就高，有效反应的碰撞次数就越多，反应速度也就越快，表现在腐蚀上，腐蚀速度就越大。另外由于Fe3+/Fe、H+/Fe的腐蚀都是电化学腐蚀，根据能斯特方程，当温度一定时，电化学腐蚀的原电池电位【2】为：

由于温度一定，R、F为常数，对特定的试验，△E°、n是一定的【2】，能斯特方程可写成：

由公式可以看出，当反应物浓度增大时电化学腐蚀的原电池电位差越大，腐蚀越容易发生，腐蚀速度越大，同时同公式还可以推测出：腐蚀开始时腐蚀速度应该越大，因为此时生成物浓度很小，而反应物浓度很大，腐蚀的电池电位差就较大，腐蚀也就越容易发生。在锅炉酸洗过程中我们应尽量控制的盐酸及酸洗液中Fe3+浓度不能超标。

3.2 温度越高，腐蚀越快

比较表一试验结果，可以得出腐蚀速度与腐蚀反应的温度存在对应关系，即反应温度越高，腐蚀速度越大。

比较表一同浓度不同温度下的金属腐蚀速度可以看出：温度每升高5℃，金属腐蚀速度就要升高约30%─40%。 从理论上讲，温度升高，物质颗粒运动加快，有效碰撞次数增加，反应速度提高，而从能斯方程来看：

式中R、F也是常数。另外本试验是H+对Fe、Fe3+对Fe的腐蚀，△E°、n为常数。由此可知腐蚀反应的电池电位差与温度T正相关。温度升高，电池电位差增大，反应容易发生，腐蚀速度越快。

根据上面分析可以得出温度因素是我们在锅炉酸洗过程中特别注意的因素。比较表一试验结果，酸洗温度选择在50℃左右为宜，它与45℃相比腐蚀速度相差不大，但除垢速度却要快得多。如果温度太低，除垢速度慢，如果温度太高对锅炉本体腐蚀大。

3.3 高效缓蚀剂能大幅减少酸性腐蚀。

比较表一试验结果，当H+单独存在时，在同等温度下尽管H+浓度相差大，但是两组试验的金属腐蚀速度却相差不大，说明在高效优质的缓蚀剂作用下，H+对Fe的腐蚀作用已经降低到了最小程度，也就是说锅炉酸洗时只要缓蚀剂选择得当，酸液浓度大小不一定是引起酸洗腐蚀加剧或酸洗过洗的主要原因。

3.4 Fe3+浓度越大，腐蚀越大

比较表一试验结果，当试验液中只有Fe3+单存存在时同一温度下的腐蚀速度与Fe3+浓度有比较明显的线性关系。根据能斯特公式：

其中0.771为Fe3+/Fe2+电极对标准电极电位

可知Fe3+浓度越大，Fe3+对Fe 的腐蚀的电池电位也就越大，反应越快，腐蚀速度越大。Fe3+浓度在锅炉酸洗过程中是一个比较值得注意的因素，应引起足够的重视。尤其是氧腐蚀和垢下腐蚀较严重的锅炉酸洗时更应该注意酸洗液中的Fe3+浓度，以防止Fe3+对Fe的腐蚀引起过洗【3】。

根据试验结果，锅炉酸洗时应在酸洗加药中加入一定量的还原性物质或类似EDTA的络合剂【2】，消耗酸洗液中的Fe3+量，减轻Fe3+对锅炉本体的腐蚀【3】。

3.5 Fe3+、H+共存时Fe3+、H+两种腐蚀源在锅炉酸洗过程中有协同作用

比较表一试验结果，当温度和H+ 浓度相同的条件下，Fe3+、H+共存时腐蚀速度大于H+单存或Fe3+单存条件下的金属腐蚀速度。

说明Fe3+、H+共存时Fe3+、H+两种腐蚀源在锅炉酸洗过程中有协同作用，是互相影响，互相叠加的。

4 结论

4.1 锅炉酸洗时如果缓蚀剂的缓蚀效应很高（>98%），可适当提高酸洗液中盐酸浓度，以利加快除垢速度，缩短酸洗时间。

4.2 Fe3+腐蚀作用较大，而且腐蚀速度与浓度有线性关系，锅炉酸洗加酸时一并加入适量的还原剂或类似EDTA的络合剂以还原Fe3+或络合Fe3+使之不能参与腐蚀作用，从而消除Fe3++对Fe的腐蚀作用，减少酸洗过程中过洗因素。

4.3 酸洗温度对腐蚀有较大影响，我个人认为应控制在50℃左右，这样既有利于加快除垢，同时对锅炉的腐蚀影响又不大。

参考文献：

[1] 《 DL/T 794-2012火力发电厂锅炉化学清洗导则》

[2] 《无机化学》上册（第二版），大连理工学院编，高等教育出版社出版。

[3] 《热电发电厂水处理》下册（第三版），武汉水利电力大学编，中国电力出版社出版。