热水锅炉的腐蚀分析及再预防措施

摘要：在锅水溶解氧含量超标，且水循环量大，又失水必补水多的共同因素作用下，通过个例原因分析，揭示了乃至构成热水锅炉运行中发生腐蚀的必然性，以及采取针对性技术措施，弱化腐蚀机理，并提出节能建设使锅炉在安全经济运行中延长使用寿命。

关键词：热水锅炉腐蚀 修复与再预防措施

1、前言

对于以水为介质的锅炉，整个使用过程受压元件金属体总是离不开与锅水的接触。钢铁是负电性强的材料，锅水是电解质并具有极性。倘若锅水中含有较多的溶解氧，酿成的后果将是锅炉快速严重的腐蚀。本文所述是作者对一台热水锅炉的腐蚀、修复及再预防的经历谈一些认知。

2、锅炉概况

我市某单位于2002年新购一台SZL7.0-10-115/70-AⅡ型热水锅炉，上、下锅筒及封头材料20g，内径900mm，壁厚14mm。附带配套的水处理设备为阿图祖钠离子交换器，未配带省煤器和给水除氧器。

安装后于当年11月份投入运行采暖，锅炉运行压力0.48MPa，热水出口温度110℃左右，回水温度67—71℃。在供暖的同时，还轮流供各住户洗澡用热水，日补水量32m3左右，每天断续供暖15小时，每个供暖期4个月，停炉期采用生石灰干保养。

锅炉给水配备有素质较高的水处理及化验操作人员，而事实上水质一贯的情况，从查阅我所历年来对该台锅炉水质监测报告档案，其监测结果与同时期实施的水质标准的对比就能看出，该台锅炉的给水、锅水的其他项目监测的数值优于或符合标准要求，但由于无除氧措施，水中的溶解氧含量严重超标。

3、腐蚀显现

该台锅炉2008年供暖前夕，还是本文作者在前几年检验的基础上，接着对其进行内部检验，这次检验毫无意外地寻找到逐年腐蚀愈严重的部位；在下锅筒内底部前半区域（见图1），前封头弧长526mm（周向）×113mm(轴向)和前筒节弧长679mm（周向）×1364mm（轴向），含环向焊缝在内的水侧壁面有很多个凸起黄褐色锈包，砸掉疏松的外皮后，清除掉黑色粉末，暴露出大小不等、深浅不一、密稀不均、边缘轮廓不规则的溃疡状腐蚀坑，最深6.7mm，原壁厚减薄量已达46%。（见图1）

图1 下锅筒腐蚀部位状况

4、腐蚀的必然性分析

处于锅炉钢铁材料与接触的锅水总是存在电化学不均一性的事实，在二者接触的界面，金属侧表面部分铁原子，受到极性水分子的吸引而脱离电子成为带正电荷的铁离子移入锅水，使金属表面留存多余的电子带负电荷，界面液层带正电荷，而形成所谓的双电层。在静电引力作用下，移入锅水的水化Fe2+也会返回金属表面，如果两个过程进行的效果相当时，就建立了电荷的平衡，其实质使金属侧的电化学腐蚀趋于停止。然而锅水中存在溶解氧，正是具备了锅炉腐蚀继续发生的充分条件。为满足溶解氧不断从阴极吸收电子的需要而阳极有电子不断迁移阴极，必然使阳极Fe2+不断移入锅水。溶解氧和锅炉金属发生的电化学反应，使构成腐蚀电池阳极的铁遭到腐蚀，其阳极反应为：

Fe→Fe2++2e (1)

阴极溶解氧还原反应为：

O2+4e+2H2O→4OH- (2)

氧从阴极吸收电子起了阴极去极化作用。两极反应在阳极铁的部分表面生成腐蚀产物，其反应为：

Fe2++2OH- →Fe（OH）2 (3)

只要水中还有溶解氧，氢氧化亚铁继续被氧化成难溶性的氢氧化铁，其反应为：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3 (4)

其结果使阳极处锅水中Fe2+浓度降低，又起了阳极去极化作用。一旦锅炉水侧某些部位遭到腐蚀，首先腐蚀产物Fe(OH)3形成疏松的小锈包粘附在相应金属壁面，在水中仍有溶解氧的条件下，腐蚀在这些部位还会继续。这是由于该处被已有的锈包覆盖后的阻碍作用，减缓了水中溶解氧扩散到其层下的速度而该部位贫氧成为阳极，其锈包外周围区富氧成为阴极，氧浓度差异构成的腐蚀电池，使腐蚀产物覆盖下的腐蚀坑越深越大，锅炉受压元件水侧一些部位出现不均匀的分散坑状局部严重腐蚀。就该台锅炉而言，腐蚀之所以发生，且更为严重的部位何以早先出现在下锅筒局部的原因是：

(1)锅炉用水溶解氧含量过于丰富。从对水质监测的结果看，从该台锅炉开始投运，历年来水质含氧量就一直在10mg/L以上，基本上处于饱和状态。

(2)锅炉未配装省煤器。对水中的溶解氧缺少给锅炉起到屏障保护作用，特别是对既水循环量大又补水量大的热水锅炉，如能在补给水、循环水进锅炉之前先流经省煤器，在与辅助受热面接触的过程中岂不是可消耗掉一部分溶解氧，以降低锅水含氧量，起码能减缓对锅炉的腐蚀。这样虽然会造成对省煤器的严重腐蚀，但必定要比对锅炉的腐蚀付出的代价要小得多。而且该台锅炉运行排烟温度高达470℃左右，造成排烟热损失大和温室效应危害严重，所以省煤器还是很有必要。

(3)锅炉补水量大。承担各供暖户的洗 浴用热水，加上管网漏水，每天补水量达32m3,补水量越大亦带入锅炉的溶解氧越多。

(4)在锅炉受压元件水侧普遍的腐蚀中，竟出现下锅筒相对更严重地局部腐蚀，是由于该部位处于下降管下边缘以下的水体接触壁面，一方面水体动速较慢，水中的溶解氧与相应壁面有更充分的接触时间，提供了有利于氧腐蚀的机会：另一方面，锅炉既然水循环量大，又必然有高含氧量的循环水继续与该部位壁面接触，故所产生的腐蚀就会比其他部位更快更严重。

5、修复与预防再腐蚀措施

下锅筒是锅炉主要受压元件，对于已出现的局部严重腐蚀，面积占整个下锅筒内表面积的1/11。腐蚀造成壁厚减薄量达到原设计壁厚46%。基于上述对腐蚀原因的分析，在于锅炉用水含有超标量大的溶解氧引起的电化学腐蚀。腐蚀的原因从金属材料学理论说明，未被腐蚀的金属基体性能并未发生什么变化。锅炉实际使用时间短，且运行压力远低于额定工作压力，故不存在应力腐蚀、疲劳腐蚀及氢腐蚀的因素。根据有关技术规范和经验，建议用填补焊进行修复，实施过程现场技术指导和质量监检，要求找有资质单位并制定施工工艺，把住“清底打磨，焊条烘烤，焊层清渣”关，确保质量一次合格。修复完工经宏观检验，并磨平焊体余高后用超声波全面探伤，水压试验验证，以质量合格的修复消除了安全隐患。

为避免再出现如此腐蚀缺陷，我们结合用户条件和使用情况，帮助指导采取了预防措施。

(1)对水质除氧是防止锅炉腐蚀的关键。在目前应用的几种方法中，热力除氧因受制于无蒸气，铁屑除氧等技术难掌握，于是选择亚硫酸钠药物除氧。按其除氧原理的化学反应式

2Na2SO3+O2→2Na2SO4(5)

由此式知每除掉1mg氧需用8mg纯亚硫酸钠。按历年水质监测结果的平均值含氧量10.2mg/L计算，每升水除氧需81.6mg纯亚硫酸钠，再考虑到效果可靠每升水还需多加5mg，如此大的用药量，不得不思考怎样才能减少药耗量的有关技术问题，为此同时辅之以下配合措施。

(2)减少补水量。果断停止向各供暖户供洗浴热水，勤于沿管网与住户加强巡查，堵绝跑冒滴漏，大幅减少了失水量，使锅炉补水由原来的每天32m3减少到2.7m3以下。

(3)提高补水温度。根据有关资料的启示，水中的溶解氧主要来自于大气，但水对氧气的溶解能力与温度有关，水温越高，溶解于水中的氧气越少。

由此设计的提高水温加药除氧装置如图2所示：

为保证软水量有足够的储备，保留原软水箱，专制作一个上封头圆锥形容积3m3的封闭式加药罐，安装在原软水箱下位，其锥顶接加药漏斗，罐体外安装观察罐内水位和温度的水位表和温度表，罐内布置盘管，将盘管的进、出水口分别和锅炉出水、回水管相接，通过锅水在管内循环与罐内水热交换加热。每次靠落差从软水箱自流给加药罐进满软化水后，不断被加热至82℃的热水中析出的氧气从顶口排出，取罐内水样测定溶解氧含量为2.6mg/L,按计算量将药从漏斗加入罐内水中，关闭罐顶阀门。每罐水加药量因买到的是Na2SO3·7H2O，所以计算出每除去1mg氧需用药16mg,还需多加过剩量按5mg/L，实际应为：

（16×2.6mg/L+5mg/L）×3000L=139800mg=140g

加药处理的补给水一直将溶解氧含量监控在0.1mg/ L以下，锅水SO参考蒸汽锅炉水质标准维持10-30mg/L。采取了减少补水量和提高水温两项有效技术措施，每个供暖期用药量由645.9kg减少为15.4kg。

自从锅炉用水经除氧运行已三个供暖期，经2010年3月21日和2011年11月9日内部检验，锅炉原有的腐蚀无明显恶化。

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