王曉峰

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院，泉州 362000）

1 概況

某廠一臺(tái)WNS8-1.25-Q(LN)臥式內(nèi)燃蒸汽鍋爐，于2014年8月投入使用，連續(xù)運(yùn)行至2017年9月，進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)回燃室管板管孔區(qū)存在泄漏，如圖1。該鍋爐配套全自動(dòng)離子交換水處理設(shè)備且運(yùn)轉(zhuǎn)良好，同時(shí)采取鍋外水處理后的加藥補(bǔ)充處理方法，在給水中添加片堿（Na（OH））及磷酸鹽（Na3PO4）。該使用單位采用鍋外水處理方法給鍋爐供水的同時(shí)還回收車間機(jī)臺(tái)的蒸汽冷凝水，補(bǔ)充加入鍋爐給水。日常生產(chǎn)時(shí)該鍋爐出口蒸汽壓力在0.8MPa～1.1MPa范圍，實(shí)際蒸發(fā)量最高為9.8t/h（由流量計(jì)換算）。鍋爐尾部未配置省煤器及空氣余熱器等設(shè)備，未采取給水除氧措施。

圖1 回燃室管板泄漏

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

圖2 煙管腐蝕形態(tài)

為找出泄漏源，檢驗(yàn)人員對(duì)泄漏處管孔區(qū)進(jìn)行宏觀檢查及磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)和其它缺陷。檢查前管板對(duì)應(yīng)位置，也未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，則可推測(cè)泄漏點(diǎn)位于煙管直段。鍋爐本體水側(cè)水位線以下輕微結(jié)垢，管板及螺紋煙管未見明顯變形。螺紋煙管水側(cè)上部存在多處Φ10mm～40mm大小的磚紅色鼓包，除掉表層腐蝕物后，次層為黑色粉末。全部清除上排煙管上腐蝕處的腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)若干腐蝕坑，腐蝕深0.5mm～2.0mm不等，如圖2。由于上排煙管阻擋，只能從側(cè)面目視觀察尋找泄漏點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)第3、4排煙管上部存在與圖2同類型鼓包突起。敲除第4排邊緣兩根煙管上部的蘑菇狀鼓包，發(fā)現(xiàn)與圖2相類似的腐蝕坑。經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，共4根煙管泄漏，上文提到的第4排的兩處腐蝕坑為其中兩個(gè)泄漏點(diǎn)。

3 原因分析

3.1 管樣化學(xué)成分分析

該鍋爐選用Φ60×3螺紋煙管，由江蘇大潤(rùn)機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，材質(zhì)為20低碳鋼，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》。對(duì)其取樣化驗(yàn)后，管樣主要成分如表1所示。

表1 煙管管樣主要成分（%）

各主要元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果如表2所示。

表2 腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果（部分）

腐蝕產(chǎn)物中鐵的氧化物含量超過80%，其主要成分為Fe2O3、Fe(OH)3和Fe3O4等。

3.3 水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)該鍋爐2016至2107年度全部10份的水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，僅有一份結(jié)論為合格、一份結(jié)論為基本合格，其余均為不合格報(bào)告。2016年5份水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告結(jié)論均為不合格，不合格原因均為鍋水酚酞堿度、全堿度、PH值（25℃）、溶解固形物、磷酸根濃度高于GB/T 1576-2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)要求。其中酚酞堿度、全堿度、溶解固形物、磷酸根濃度均大大超過標(biāo)準(zhǔn)。甚至，酚酞堿度和全堿度最高濃度超出標(biāo)準(zhǔn)上限的兩倍。該鍋爐采用鍋外水處理輔助鍋內(nèi)加藥（Na（OH）、Na3PO4）的水處理方法。該鍋爐的鍋內(nèi)加藥方式為通過加藥罐人工加藥。司爐操作人員每天僅加藥一次，一次加完一天的劑量。剛剛加藥后鍋水內(nèi)各種化學(xué)藥劑濃度遠(yuǎn)高于水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告中數(shù)值。至2017年鍋爐使用單位全部更換司爐操作人員，加強(qiáng)管理，過度加藥情況有所整改。2017年度水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告不合格項(xiàng)目變成磷酸根濃度為零、給水PH值略超標(biāo)準(zhǔn)等。

3.4 腐蝕機(jī)理分析

3.4.1 氧腐蝕

該鍋爐型號(hào)為WNS8-1.25-Q(LN)，即額定蒸發(fā)量為8t/h。因生產(chǎn)用汽量過大，額定供汽不能滿足要求。使用單位不得不增加單位時(shí)間內(nèi)熱能輸入量，從而提高蒸汽產(chǎn)量，導(dǎo)致該鍋爐蒸發(fā)量超過額定蒸發(fā)量。超負(fù)荷運(yùn)行使該鍋爐各受熱面熱流量升高。煙管受熱面承擔(dān)該臺(tái)鍋爐絕大部分負(fù)荷，鍋水蒸發(fā)更加劇烈。泄漏的螺紋煙管位于高溫區(qū)，位于煙氣流程的上游，其工作溫度僅低于爐膽和回燃室管孔區(qū)。該公司未采取鍋水除氧措施，鍋水中必然攜帶溶解氧。煙管強(qiáng)烈的熱交換引起鍋水濃度急劇增加，氧濃度提高。高溫?zé)煿芊植加跔t膽周圍且密集排列，多根煙管共同作用，加劇了鍋水濃縮?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的腐蝕坑多位于螺紋煙管外表面的螺紋內(nèi)，該位置管內(nèi)金屬有幾何形狀突變，受高溫?zé)煔鉀_刷劇烈，熱負(fù)荷高、溫度相對(duì)較高。螺紋鋼管外側(cè)螺紋處存在內(nèi)凹且溫度較高，易聚集并濃縮鍋水，形成電化學(xué)腐蝕條件。鍋水中高濃度的氧與煙管外壁的鐵產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，生成鐵的氧化物，氧化物覆蓋于金屬和鍋水的界面上。典型氧腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式如下[1]：

上述反應(yīng)即為氧腐蝕，產(chǎn)生的Fe2+在水中進(jìn)行二次反應(yīng)，公式為[1]：

螺紋煙管螺紋處強(qiáng)烈的熱交換不利于金屬表面氧化膜的形成和穩(wěn)定。新生成的鐵的氧化物離開金屬表面，成為腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物與煙管間繼續(xù)聚集濃縮鍋水，氧濃度再次提高，腐蝕加劇。并且，腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物與金屬間的鍋水濃縮后，PH值同時(shí)提高，當(dāng)PH＞13時(shí)，腐蝕產(chǎn)物可變?yōu)榭扇苄訦FeO2–，可促使氧腐蝕速度上升[1]。

3.4.2 介質(zhì)濃縮堿腐蝕

首先，該鍋爐使用單位采取鍋外水處理后的加藥補(bǔ)充處理方法，在給水中添Na（OH）及Na3PO4。如前文所述，過量的手工加藥方式使鍋水中OH-離子濃度成倍升高，PH值同時(shí)提高。螺紋煙管外表面溝槽結(jié)構(gòu)易堆積水垢和腐蝕產(chǎn)物，表面沉積物越多則下面煙管管壁金屬溫度越高，鍋水濃縮越大，腐蝕越嚴(yán)重。在較高的熱負(fù)荷下，管壁金屬和腐蝕產(chǎn)物間鍋水高速濃縮，同時(shí)外部鍋水補(bǔ)充進(jìn)來，稀釋這部分鍋水，受熱后再次濃縮，連續(xù)的外部鍋水補(bǔ)充帶來了更多的OH-離子。當(dāng)Na（OH）達(dá)到一定濃度后，金屬表面的Fe3O4先和Na（OH）反應(yīng)，再和管壁金屬反應(yīng)，生成Na2FO4和NaFO2。而這二種成分會(huì)與新補(bǔ)充進(jìn)來的鍋水產(chǎn)生水解反應(yīng)，生成Fe2O3、FeO和Na（OH）[1]。這個(gè)過程不斷循環(huán)，Na（OH）的濃度并未降低。煙管外壁的金屬不斷被腐蝕掉，形成皿狀腐蝕坑。而腐蝕產(chǎn)物逐層向上生長(zhǎng)，形成蘑菇狀突起。

其次，冷凝水回收補(bǔ)充入鍋爐給水，引入更多的鐵離子，腐蝕產(chǎn)物增多，堆積到煙管表面。一般來講，鍋爐水側(cè)金屬表面堆積物越多，則介質(zhì)濃縮腐蝕越嚴(yán)重[1]。

綜合以上腐蝕機(jī)理分析，氧腐蝕和介質(zhì)濃縮堿腐蝕共同作用，產(chǎn)生腐蝕坑，腐蝕深度不斷增加，煙管腐蝕坑底部金屬在外壓作用下破裂并穿孔。腐蝕產(chǎn)物與化驗(yàn)結(jié)果一致，腐蝕形貌特種也基本符合。分析腐蝕機(jī)理得出，未進(jìn)行鍋水除氧、超負(fù)荷運(yùn)行及過量加藥等是引起腐蝕穿孔的主要原因。

4 處理結(jié)果

此次鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)結(jié)論為不符合要求，使用單位立即停止使用該鍋爐。使用單位請(qǐng)有資質(zhì)的修理單位對(duì)泄漏煙管進(jìn)行堵焊修理。修理后前管板如圖3所示。

圖3 堵焊修理

5 改進(jìn)建議

該鍋爐高溫區(qū)煙管上部存在大量腐蝕坑，其中有四處泄漏，這四根泄漏的煙管已堵焊修理。但其它有腐蝕未泄漏的煙管還有很多。經(jīng)強(qiáng)度校核其余存在腐蝕的煙管強(qiáng)度滿足要求。使用單位應(yīng)清除腐蝕產(chǎn)物，監(jiān)控?zé)煿艿母g情況，限制條件運(yùn)行該鍋爐。

結(jié)合上述腐蝕機(jī)理分析，改進(jìn)建議如下：

（1）GB/T 1576-2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》中規(guī)定：額定蒸發(fā)量大于等于10t/h的鍋爐，給水應(yīng)除氧。額定蒸發(fā)量小于10t/h的鍋爐如果發(fā)現(xiàn)局部氧腐蝕，也應(yīng)采取除氧措施[2]。該鍋爐存在局部氧腐蝕，使用單位應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求采取除氧措施，并定期化驗(yàn)給水中溶解氧的含量是否符合要求。

（2）禁止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行，盡量保持75%～85%負(fù)荷范圍內(nèi)，此時(shí)鍋爐熱效率較高，可保證長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行。通常熱負(fù)荷越高，鍋水濃縮速度越快，腐蝕產(chǎn)物堆積較快，可同時(shí)促進(jìn)氧腐蝕和介質(zhì)濃縮堿腐蝕。

（3）使用單位應(yīng)規(guī)范鍋內(nèi)加藥的方式和方法，監(jiān)督司爐操作人員，多次、少量加入藥劑。增加每日的水質(zhì)檢測(cè)次數(shù)，并且補(bǔ)充回水各檢測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)控工業(yè)鍋爐各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。