锅炉的氧腐蚀分析及改善措施探讨

赵 兵

（吉林石化炼油厂，吉林吉林 132021）

0 引言

在日常检查中发现，工业锅炉的受热表面发生了氧化现象，这是一种常见的氧腐蚀类型。氧腐蚀对锅炉造成的损伤，不仅会提高设备的检修维护费用，而且还会对设备的正常运行产生不利影响。所以，必须注意工业锅炉的受热表面的氧腐蚀现象，并在日常工作中采取相应的防治措施，从而降低其腐蚀程度。对于已经出现的氧腐蚀情况，首先应该对其进行检查评估，以确定其破坏的严重程度，能否保证正常工作，以便判断应该采取哪些措施对缺陷加以排除和修复。本文结合某电厂的实际情况和氧腐蚀案例，从多个角度找出氧腐蚀的主要原因，并给出相应的解决方案，为锅炉检验工作提供依据。

1 锅炉氧腐蚀事件阐述

某生产企业在锅炉的内部检查中发现二回程烟管和后烟管片出现了严重的锈蚀，其腐蚀形式是一种土黄色的凸起。而凸起内部为坑状，布满黑色粉末，从其侵蚀形式特征分析，这是典型的热表面氧腐蚀。检验人员将粉末送至实验室进行鉴定，发现腐蚀产物主要为氧化铁和氯化铁。通过对侵蚀形式及产物组成的分析，更加确定其为受热面氧腐蚀。

2 锅炉氧腐蚀原理分析

为了避免造成更严重的氧腐蚀，必须明确其产生的机理。氧腐蚀属于电化学腐蚀，工业锅炉以低碳钢为主要材料，压力元件浸泡在锅炉水中，因为锅炉水里含有酸、碱和盐分等杂质，因此锅炉水是一种极性的电解质。

在极性电解液中，氧与铁合成为一种具有两种不同的电极的腐蚀电池。在这种被侵蚀的电池内，因为氧的电极电位高于铁，所以铁是还原剂，会作为负极失去电子而被氧化，而氧是氧化剂，作为阴极得到电子而发生还原反应。这种反应引起的侵蚀叫做氧去极化腐蚀，简称氧腐蚀，其作用机制是：

在此电化学反应中，亚铁金属离子Fe2+在水溶液中与OH-发生反应，形成了不稳定的Fe（OH）2，并与水溶液中的氧气发生进一步反应，形成Fe（OH）3和Fe3O4。其反应方程式如下：

从反应方程可知，当氧的含量增加时，反应会朝着右边的正反应方向进行，氧的含量越高反应进行速率越快，二者呈线性关系，所以当氧进入达到一定浓度时就会引起锅炉的氧化。因此，锅炉中水的含氧量是锅炉发生氧腐蚀的先决条件，并且含量越多、氧腐蚀发生的程度越高。此外，在pH 值低于10 的情况下很容易产生氧腐蚀，而pH 值为10～12 的碱性环境可以延缓氧腐蚀程度。结果表明，在酸度高时，更容易发生氧腐蚀。所以，为了防止或延缓锅炉的氧去极化腐蚀，可以通过适当措施来减少锅水中的氧含量，并保持pH 值在一个碱性环境中。

3 锅炉发生氧腐蚀的原因

在对影响锅炉氧腐蚀的因素进行研究时，根据其产生的原理从环境中寻找原因。引起锅炉氧腐蚀有许多种原因，其中大部分是由各种因素共同作用引起的。不管什么原因导致了锅炉内的氧腐蚀，都不能离开氧腐蚀的原理。所以，要找出锅炉的氧腐蚀的成因，必须从锅炉的结构、各系统的布局、运行和管理等方面入手。结合上述事件中锅炉腐蚀的实际情况，从锅炉水质、锅炉水处理设备及供水方式、运行管理等角度，对锅炉的氧腐蚀进行全面、详细的分析。

3.1 锅炉水质的调查情况

根据最近的锅炉水质测试（表1），发现该锅水的总碱度为2.1、pH 值为8.2，均小于GB/T 1576—2018《工业锅炉水质》规定的限值。从受热表面的氧腐蚀原理可以看出，在低pH 值、酸性条件下，可以加速氧的去极化，而较低的pH 值也会使氧化膜的耐蚀性降低。由于pH 值低、酸性偏高，为防止锅炉的氧腐蚀，必须对其进行严格的检测，定期监督水质情况，确保其达到GB/T 1576—2018 的有关规定。

表1 锅炉水的分析项目及数值比较

3.2 锅炉给水及操作与管理问题

在实际生产中，锅炉的设计和使用是一个有关设备安全运行的重要问题。通过对锅炉全过程的考察，确定了水处理和给水的配置方式，并通过锅炉操作记录和与锅炉操作工人沟通，发现其主要原因。

（1）锅炉供水系统所使用的是锅外水处理系统，以工业水为原料，经过离子交换软化后产生的软化水由罐体顶端注入，由悬浮球来进行液面调节，软化水被注入到罐体上方，其排水口位于水槽上方，所以当软化水进入罐内时会被吸入更多的气体，使罐内的软化水中的氧气浓度升高（图1）。通过给水泵将软化池中的水直接送入锅炉中，提高了锅炉内部的含氧量，为氧腐蚀提供了必要条件。

图1 锅炉供水系统

（2）通过与锅炉操作人员的交谈，得知在正常工作的情况下，锅炉每周只能工作两三天，而且只在白天工作，通常在锅炉水位比较低的时候就会立即熄火停炉，同时将副汽缸上的主要蒸汽吸入阀关掉。因为锅炉的蒸汽空间比较大，所以在经过一个晚上的降温之后，由于压力的下降会在锅炉的汽空间里产生一个负压，使罐中的氧浓度更高，从而为氧腐蚀提供条件。

（3）由于上一次检查修，造成了锅炉出现短暂的停产。在停产过程中锅炉一直保持着半满的水位，没有按照停炉要求进行干燥和湿化保养等维护，所以当氧气通过管路和阀门进入到锅炉的时候，氧气溶于水而发生氧腐蚀现象。根据上述结果可以看出，高温、高含氧量为氧腐蚀创造了必要条件；再加上锅炉的供水方式、锅炉使用状况、锅炉作业人员的日常操作方式等因素，共同导致了锅炉供水中的氧气浓度偏高；此外，在停炉检修过程中的维护保养措施不当，也会造成锅炉的氧腐蚀。

（4）很多锅炉房采用传统的湿法脱硝SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction，选择性非催化还原），这种工艺需要向锅炉内喷射尿素溶液。受锅炉内气旋的影响，喷入的溶液会被带到水冷管上，而水冷管温度通常只有60～70 ℃，不能使水蒸发，留存的尿素溶液就会腐蚀炉管，这样不断更换炉管就会增加经济成本。如果选择干式脱硝方式，通过雾化喷嘴将高分子固体药剂喷入炉膛，能减少炉管的腐蚀，彻底解决锅炉的爆管现象。

4 锅炉氧腐蚀解决方案

为了防止锅炉的氧腐蚀，必须结合锅炉的型号、参数和运行特点以及锅炉运行成本，制定相应的预防和控制对策。根据氧腐蚀原理，采取措施既要降低锅炉水的氧含量，又要防止锅炉内氧化反应发生的环境，根据锅炉的运行周期进行检修，并做好停炉保养。

在本案例中，为了降低氧腐蚀现象，可以从以下5 个方面来进行优化。

（1）强化水质监测，合理添加药剂，对锅水中pH 值、碱性进行严格的监测，以保证锅炉的水质达到GB/T 1576—2018 的有关规定，避免氧腐蚀发生的水质环境条件。

（2）将水箱中的悬浮球控制装置进行替换。例如，利用电磁阀将制水设备中的软化水从液槽底部灌入，从而减小软化液中的氧气浓度、降低气缸内的氧浓度。

（3）使用中，尽可能地将锅炉的水平线提升到适当位置，当重新启动时，首先开启排气阀，当锅炉的气压上升时，将蒸汽中的气体全部排出，再关掉阀门，一方面可以减少炉内蒸汽的体积、减少由于冷却产生的气压差异所带来的空气，同时将锅炉内的氧释放出去、减少锅炉内的氧含量。

（4）考虑到锅炉在使用过程中的氧腐蚀，考虑到锅炉的机型和操作条件较低的情况，可以采取化学脱氧法（推荐使用亚硫酸钠）来减少氧含量，并要做好污水处理工作。

（5）强化锅炉的检修维护工作。在检修过程中，可通过停炉时间的要求，来调整相应的保养方法，更要关注管道阀门等细节，以确保在锅炉关闭过程中阀门的紧密性，避免气体进入炉中。

5 锅炉氧腐蚀的类型及改善措施

5.1 冷凝水排放管和蒸气筛虹吸管氧腐蚀

冷凝水排放管和蒸气筛虹吸管材料为碳钢，属于锅炉的蒸汽系统。由于高压冷凝水在除氧器中膨胀，除氧器效率低下（图2）。此时脱气器没有接收到任何新的蒸汽，因此给水脱气不充分而产生含氧蒸汽，这会形成过量的磁性金属，从而造成堵塞。解决办法是，在送入除氧器之前高压冷凝水应先进行膨胀或冷却。

图2 冷凝水排放管和蒸汽筛的虹吸管的氧腐蚀

5.2 火管系统氧腐蚀（图3）

图3 火管系统氧腐蚀

在给除氧器充电时，由于补给水的容量过大，压力低于1.25 bar（0.125 MPa）、温度低于105 ℃，造成泄漏，锅炉水盐堵塞了火管的其他地方。改善措施是，补给水泵应限流，使给水量与蒸汽供应管路中蒸汽压力调节器的容量相适应。

5.3 锅炉过热器管氧腐蚀

锅炉过热器管材料为碳钢，属于水管回收锅炉系统。氧腐蚀现象为，在垂直截面上出现腐蚀产物重力引流的点蚀，在水平U形弯部分围绕点蚀出现椭圆形水环（图4）。原因是，夏季停炉期间的锅炉进行水压测试时发现了氧气坑，过热器部分在氮气层下处于干燥状态，尽管采取了停炉期干燥的预防措施，管子还是暴露在冷凝的湿气和大气中的氧气中。解决方法是，可以对过热器采用干燥的处理方法。

图4 锅炉过热器管氧腐蚀

5.4 锅炉给水系统氧腐蚀

锅炉给水系统氧腐蚀现象外观为许多凹坑覆盖着球形氧化铁腐蚀产物（图5）。经过脱气的给水是蒸汽冷凝水和脱碱软化补给水的混合物，原因是由于除氧器故障导致给水中氧气过多。改善措施为，改进除氧器运行情况，通过内部检查雾化器和蒸汽喷嘴，并通过测量各种负荷下的残余氧含量来确定故障原因；也可以改善锅炉给水的质量，使之保持碱性。

图5 锅炉给水系统氧腐蚀

5.5 省煤器管道氧腐蚀

省煤器的材料为碳钢，属于角管式锅炉系统。氧腐蚀外观为上管用酸清洗、有麻点，在下面（未清洁）的管道中被氧化铁覆盖（图6）。由于雾化器负荷不足导致除氧器运行不良，同时由于对锅炉水中亚硫酸盐含量的存在偏差，导致亚硫酸盐用量不足。改善措施有：①更换；②进行化学清洁，阻止锅炉其余部分腐蚀恶化；③降低负载来优化除氧器的雾化；④定期检查除氧器的运行参数。

6 结束语

锅炉的氧腐蚀是一种普遍的锅炉损伤形式，关系到锅炉是否平稳运行，所以在设计、制造、安装、改造、使用管理以及检查、保养等方面都应该引起足够的关注。在设备的设计和施工过程中，要尽可能地避开可能导致氧腐蚀的环境，在使用中要针对实际状况进行严谨细致的分析，找出导致氧腐蚀的原因及存在的安全隐患，及时制定措施和解决方案，以保证锅炉安全、平稳运行。