锅炉受热面管的腐蚀损伤分析

摘 要：锅炉受热面是锅炉的传热元件,会因与烟气、水、蒸汽等工作介质直接接触而发生腐蚀,使材料性能劣化,最终发生鼓胀变形或爆管事故,严重影响锅炉及机组的安全稳定运行。介绍了锅炉受热面发生各种管内和管外腐蚀的机理,并给出了相应的防范措施。

关键词：锅炉;受热面;腐蚀;爆管

中图分类号： TK223 文献标识码： A

锅炉受热面是锅炉的传热元件,与工作介质(烟气、水、蒸汽)直接接触。在锅炉运行时,锅炉受热面会因腐蚀使壁厚减薄,材料性能随之劣化,以致发生鼓胀变形或爆管事故。

锅炉受热面腐蚀是一个化学或电化学过程,可分为管内腐蚀和管外腐蚀2大类。管内腐蚀包括汽水腐蚀、碱腐蚀、酸腐蚀、气体腐蚀和氢脆等;管外腐蚀包括灰致腐蚀、还原性气氛腐蚀、硫酸露点腐蚀、应力腐蚀等。

1管内腐蚀

1.1汽水腐蚀

汽水腐蚀是由于金属铁被水蒸汽氧化而发生的一种化学腐蚀。它是过热器管的主要腐蚀形式,当蒸发管中发生汽水分层或循环停滞时也会发生,其特征是均匀腐蚀。过热蒸汽在450℃时,可直接与铁发生反应,反应生成物为Fe3O4,当温度为570℃以上时,其反应生成物为Fe2O3。

防止汽水腐蚀,要消除倾斜角度较小的蒸发段,确保水循环正常;对于工作温度较高的过热器,应采用耐热、耐腐蚀性能较好的合金钢管等材料。

1.2碱腐蚀

碱腐蚀是通过强碱的化学作用,使管内壁面的Fe3O4保护膜遭到破坏,而后使金属基体遭到进一步氧化的一种化学腐蚀。如苛性碱(NaOH)通过反应(4NaOH+ Fe3O4NaFeO2+Na3FeO2+2H2O)使Fe3O4保护膜遭到破坏,露出的铁又直接与NaOH发生反应(Fe+2NaOH Na2Fe3O4+H2),从而使金属表面不断腐蚀。

炉水的酸碱性应通过添加化学药剂来调节。当pH值保持在10~11时,铁的腐蚀速率变得很小; 当pH值在13以上时,就会发生较严重的碱腐蚀。碱腐蚀的发生还与采用的水处理方法有很大关系,NaOH处理法是添加NaOH将pH值保持在10~11左右,并用Na3PO4来除去硬度。该方法的缺点是固体物质较多,它们会附着于管内表面而造成碱浓缩,产生碱腐蚀的危险很大。调整磷酸处理法是添加Na3pO4将pH值保持在10~10.5,同时为了防止游离碱的生成,将Na+与PO43-的比例保持在3:1以下。但由于Na3PO4的溶解度随温度变化,在110℃以上时,随着温度的升高,其溶解度会降低,倘若添加过量的Na3PO4,则会在管壁的过热区析出磷酸盐,引起碱腐蚀。

碱腐蚀一般发生在水冷壁管的高温区,或者由于结垢和局部阻碍物造成的局部过热区。这是因为锅炉受热面局部过热会导致NaOH在该处浓缩,从而引起碱腐蚀。如,当过热度为10℃时,根据锅炉压力的大小,Na0H可浓缩5%一20%。即使把炉水中的NaOH浓度控制在l00mg/L以下,在管内无垢时,NaOH只浓缩到万分之几,而在管内有垢时,则可浓缩到百分之几十的程度。

防止碱腐蚀,一方面锅炉要及时排污,防止锅炉受热面局部过热;另一方面可通过在炉水中加人适量的磷酸盐,降低NaOH的浓度;同时,还要注意防止炉水受到碱性再生剂的污染。

1.3酸腐蚀

当浓缩炉水含有较多的Mgcl2和Cacl2时,这2种化合物会与水作用生成盐,使炉水中H+于浓度增加,而发生酸腐蚀(ZH++FeFe2++H2)。

酸腐蚀一般发生在疏松的垢层下热流密度较大的区域和汽膜形成的区域。酸腐蚀的特征是被腐蚀的锅炉受热面表面出现与碱腐蚀类似的麻点和凹坑,但由于腐蚀生成的产物(Fe2O3)不溶于酸性介质,故在酸腐蚀的锅炉受热面表面还会出现红色的氧化层。

防止或减轻酸腐蚀,一方面要防止汽膜形成和表面结垢;另一方面还要防止炉水污染,及时消除酸性残液。

1.4气体腐蚀

锅炉给水中如果含有较多的O2和CO2气体,就会使锅炉受热面发生电化学腐蚀。电化学腐蚀是由于在金属表面形成若干微电池的结果。在微电池的阳极,Fe失去电子,以Fe+2的形式溶于水中,电子则留在金属表面。当炉水中含有H2,O2,CO2等气体时,它们形成的阳离子极易接受电子,使金属表面上电子从微电池的阴极流向阳极,并在阳极处与炉水中的阳离子结合而消失,于是,微电池阳极处的电平衡遭到破坏,使Fe+2继续溶人水中,从而使该处的金属不断遭到腐蚀。

这种在阳极处接受电子并使之消除的的作用称为去极化,引起去极化作用的物质叫去极剂,O2和H2都是强烈的去极剂,能使腐蚀加剧。此外,O2还能将溶于水中的Fe(OH)2氧化,生成Fe(OH)3沉淀,从而加快腐蚀。锅炉给水通常要经过脱氧处理,但如果脱氧不好,就可能在脱氧后给水中仍然含有O2,如除氧器的塔板损坏或操作条件不合适、达不到脱氧要求的情况下,除了在给水中带人溶解氧以外,O2还可以随腐蚀产物(如Fe2O3及CuO等)带入锅炉。CO2腐蚀一般为均匀腐蚀,形成的铁锈粗松,易被水冲起,不能形成保护膜,而使腐蚀连续进行下去。

防止O2腐蚀,除了对锅炉给水有效除氧外,应提高给水管炉水流速,避免O2在个别区域积聚,而与金属壁面均匀接触,形成较均匀的腐蚀。

防止H2、CO2腐蚀,要在锅炉给水中尽量除掉H2、CO2气体及碳酸化合物。

1.5氢脆

氢脆的产生是由于氢原子进人金属后,在晶粒边界处积聚,形成氢分子。由于氢分子不能扩散,积累后产生很大的内压,使金属晶格变大,而降低了金属的韧性,引起脆性。汽水腐蚀、碱腐蚀、酸腐蚀以及酸洗后都会产生H2,从而进一步引起氢脆。氢脆的特征是其断裂面无明显的塑性变形,断品形状大都是晶间开裂。

防止氢脆,一方面要阻止H2在锅炉受热面材料中的扩散,应选用耐氢脆钢(如在钢中添加0.2%以上的Cu,或添加Co、Ni等元素)作为锅炉受热面材料;另一方面要降低H2含量,即在锅炉运行中,应有效控制能析出H2的汽水腐蚀、碱腐蚀及酸腐蚀等的发生。

2管外腐蚀

2.1灰致腐蚀

灰致腐蚀是在高温条件下,炉灰中形成的一些低熔点化合物凝结在锅炉受热面表面而形成熔融层,破坏了其原有的氧化层保护膜,从而加速了锅炉受热面材料的氧化过程。灰致腐蚀是过热器和再热器等高温锅炉受热面常见的腐蚀形式。在锅炉燃油时,重油中所含的钒附着在过热器或再热器等高温锅炉受热面上,形成低熔点化合物,将外界供给的O2向金属表面输送,使金属不断氧化,生成的氧化物又不断被破坏,形成多孔物质而促进O2的供给,加剧腐蚀。当烟气中含有Na2SO4时,不单是锅炉受热面材料被氧化,还会发生由Na2SO4引起的高温腐蚀(硫化腐蚀)。对于燃煤锅炉,烟灰中的K2SO4同样起到促进氧化的目的。

防止灰致腐蚀,一是设计时适当保持管壁温度,运行时防止锅炉受热面超温;二是加人高熔点化合物,提高金属表面凝结物的熔点;三是降低过剩空气比例,控制烟气中O2含量,以遏止钒化合物的形成;四是对锅炉受热面进行扩散渗透处理,如渗硅或渗铝等,提高其抗灰致腐蚀的能力。

2.2还原性气氛腐蚀

当燃烧不完全、烟灰中碳含量增高时,会形成还原性气氛。在还原性气氛中会形成高温硫酸化合物,这些在高温下气化后的硫酸化合物遇到水冷壁锅炉受热面后在其表面液化,将锅炉受热面表面的氧化层保护膜溶解,从而使其不断遭到氧化腐蚀。还原性气氛腐蚀常发生在水冷壁锅炉受热面的顶部区域。

防止还原性气氛腐蚀,首先应在锅炉燃烧设计时予以重视,另外还要注意锅炉受热面的选材和表面处理。

2.4应力腐蚀

应力腐蚀(或应力腐蚀开裂)是指金属在特定腐蚀介质和一定水平拉应力的同时作用下发生的脆性开裂。应力腐蚀必须要3个条件同时具备才会发生,即一定水平的拉应力、特定的腐蚀介质,以及对该腐蚀介质具有应力腐蚀敏感特性的钢材。锅炉受热面在内压以及热应力、焊接残余应力等的作用下,具备一定水平的拉应力条件;而多数钢材都在Cl-及OH-环境中会发生应力腐蚀,如奥氏体不锈钢在Cl-环境中很容易产生应力腐蚀。遭到应力腐蚀破裂的锅炉受热面一般不出现明显的塑性变形迹象,且通常为穿晶断裂。

防止应力腐蚀,应从应力、介质及材料3方面考虑,一是应尽量消除焊接残余应力,防止热应力的叠加,降低拉应力水平;二是应尽量降低应力腐蚀介质的浓度,但在用城市垃圾为燃料的情况下,锅炉受热面表面的Cl-浓度很难消除,在局部高应力区仍具备发生应力腐蚀的环境;三是采用高镍合金钢作为受热面材料或其防护层,降低应力腐蚀的敏感性。

3结束语

由于锅炉受热面处于非常特殊的运行环境中, 温度、压力以及各类腐蚀性介质等因素使其具备遭受多种腐蚀的条件。只有充分认识这些腐蚀的机理,才能采取有效的预防措施,使锅炉受热面免遭腐蚀破坏。

锅炉受热面腐蚀往往是一个综合性问题,多种腐蚀可能同时出现,还可能相互促进或互为因果,此外,还需综合考虑锅炉效率以及环境污染等多方面问题。因此,在对锅炉受热面腐蚀采取预防措施时,要全面系统地分析、综合治理。