沸騰爐爐體腐蝕損壞原因分析

鄭澤培，林 敏

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

沸騰爐是硫鐵礦制酸裝置的關(guān)鍵設(shè)備，通過采用固體流態(tài)化技術(shù)高溫焙燒硫鐵礦來產(chǎn)生二氧化硫氣體，用于制造硫酸液體。爐體一般由鋼制外殼內(nèi)襯耐火材料、中間設(shè)置隔熱層構(gòu)成。沸騰爐長期在高溫、腐蝕環(huán)境下工作，建造過程中若存在質(zhì)量缺陷，容易出現(xiàn)磚縫開裂，爐體鋼殼腐蝕等狀況，導(dǎo)致SO2氣體泄露，不僅會腐蝕損壞設(shè)備、給企業(yè)帶來損失，還會對環(huán)境造成污染。

沸騰爐爐頂承受自重同時還需要承受應(yīng)力荷載。作為沸騰爐中最薄弱的關(guān)鍵部位，它的質(zhì)量對于沸騰爐的使用壽命十分重要，起著維護(hù)結(jié)構(gòu)安全的功能，因此在砌筑施工時應(yīng)特別注意[1]。

1 沸騰爐爐體腐蝕損壞

2011年9月，建造在山區(qū)野外的某企業(yè)“硫鐵礦制12萬噸/年硫酸裝置”項目安裝調(diào)試完成，沸騰爐開始投入使用，但設(shè)備從投產(chǎn)開始一直故障不斷，到2013年底，該沸騰爐已經(jīng)無法使用，爐體鋼殼外層油漆剝落損壞程度嚴(yán)重，尤其是爐頂鋼殼部分，已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕破損。沸騰爐外觀如圖1所示。

圖1 沸騰爐外觀

2 沸騰爐爐體勘探

2.1 沸騰爐爐頂腐蝕破壞狀況

對沸騰爐爐頂?shù)目彬灆z查發(fā)現(xiàn)，爐頂銹蝕非常嚴(yán)重，腐蝕位置遍布整個爐頂，大面積的鋼板已被腐蝕穿透，雨水可進(jìn)入。從側(cè)面觀察，爐頂鋼殼邊沿由于變形導(dǎo)致嚴(yán)重翹起。爐頂鋼殼一些銹蝕破損部位已由企業(yè)自行用鋼板焊補(bǔ)或修補(bǔ)材料填補(bǔ)，形成了許多“補(bǔ)丁”，有的補(bǔ)丁又再次破裂。沸騰爐爐頂鋼殼腐蝕損壞狀況如圖2所示。

圖2 沸騰爐爐頂鋼殼腐蝕損壞狀況

對沸騰爐爐頂結(jié)構(gòu)尺寸及鋼殼腐蝕破損狀況進(jìn)行測量統(tǒng)計，傘形爐殼頂部半徑為4 350 mm，斜度為17°，爐頂腐蝕范圍面積超過0.02 m2的有30多處，最大腐蝕面積約為2.6 m2，總腐蝕面積超過16.3 m2，約占爐頂總面積27%。爐頂鋼殼的腐蝕破損點分布呈無規(guī)則的不均勻狀態(tài)，許多地方腐蝕后破損后露出了內(nèi)部的保溫層。

2.2 沸騰爐爐頂耐火磚砌筑狀況

在鑒定人員的監(jiān)督下，企業(yè)人員把爐頂?shù)匿摪迩懈铋_一個大小約為1 400 mm×1 200 mm的口，將鋼板下面的保溫材料取出。沸騰爐爐頂耐火磚和隔熱層的砌筑狀況如圖3所示。

圖3 沸騰爐爐頂耐火磚和隔熱層的砌筑狀況

通過對爐頂切割開部位的耐火磚和隔熱層的砌筑狀況進(jìn)行勘驗檢查發(fā)現(xiàn)，部分耐火磚灰縫寬度尺寸過大，且存在多處磚縫不飽滿現(xiàn)象，甚至還出現(xiàn)空隙。另外，耐火磚的砌筑也出現(xiàn)重縫問題。隨機(jī)測量耐火磚灰縫寬度，獲取部分耐火磚的灰縫寬度尺寸如表1所示。

經(jīng)測量鑒定，耐火磚砌筑的灰縫寬度尺寸大小不一，灰縫寬度過大，尤其是環(huán)縫的寬度，有的甚至超過了16 mm。

表1 沸騰爐爐頂耐火磚灰縫寬度尺寸

2.3 沸騰爐爐頂保溫層狀況

爐頂?shù)谋貙影喾N材料，經(jīng)測量，其厚度范圍在280～350 mm。部分保溫材料已被嚴(yán)重腐蝕，可以看到石棉被腐蝕后，生成體積較大的固體塊狀物。同時鋼殼內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，被腐蝕變薄的鋼殼在受到固體塊狀物變性膨脹的擠壓應(yīng)力后存在變形現(xiàn)象。保溫層腐蝕狀況如圖4所示。

圖4 保溫層腐蝕狀況

2.4 沸騰爐爐體鋼殼腐蝕狀況

從爐體外觀勘驗，沸騰爐表面金屬層銹蝕嚴(yán)重，大部分油漆剝落，并有大量液體流痕從爐體頂部一直延伸至爐側(cè)的底層，腐蝕狀況非常嚴(yán)重。

針對該狀況，鑒定組在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下使用紅外線測溫儀檢測沸騰爐爐體鋼殼外壁的溫度，數(shù)據(jù)顯示溫度普遍在120℃以上，測得的最高溫度為152℃。

另外，鑒定組還對爐體鋼殼外壁的油漆工藝進(jìn)行檢查。由于爐體鋼殼腐蝕嚴(yán)重，只能在爐體外殼找到兩處漆層比較完好的部位，對該兩處油漆涂層進(jìn)行測厚，所測部位油漆厚度范圍在45～75μm之間。

3 原因分析說明

3.1 沸騰爐爐頂砌筑問題

焙燒硫鐵礦時產(chǎn)生的爐氣含有SO2、少量SO3和水汽。磚縫一旦開裂，爐氣就會透過磚縫與爐體鋼殼內(nèi)壁接觸，長期處在這樣的環(huán)境中，爐氣會冷凝成稀硫酸進(jìn)而腐蝕爐體鋼殼內(nèi)壁[2]。針對沸騰爐爐頂嚴(yán)重腐蝕損壞問題，分析勘探測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)爐頂耐火磚的砌筑存在以下幾方面問題：

（1）耐火磚灰縫寬度過大。沸騰爐砌筑時，耐火磚灰縫需要用耐火泥漿填滿。灰縫雖用耐火泥漿填充，但耐火泥漿密度和強(qiáng)度均比制品耐火磚差，在使用過程中容易被侵蝕?；铱p是砌體的薄弱環(huán)節(jié)，因此需要使耐火磚灰縫盡量小。表1中沸騰爐爐頂耐火磚灰縫寬度的所有測量值均大于2mm。不符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50211-2004《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》3.2.2中規(guī)定的“一般工業(yè)爐拱頂砌體磚縫的寬度不大于2mm”的要求?；铱p寬度過大會對爐體的氣密性造成影響，灰縫在耐火泥漿干縮時會產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致耐火泥漿剝落。此外，灰縫寬度過大會減小砌體的強(qiáng)度，砌體熱脹冷縮時更容易使磚體或灰縫產(chǎn)生裂縫，此時SO2和SO3氣體容易通過裂縫進(jìn)入保溫層，腐蝕保溫層及殼體。

（2）耐火磚灰縫不飽滿。經(jīng)勘驗，爐頂耐火磚的砌筑出現(xiàn)多處灰縫不飽滿問題。部分灰縫不符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50211-2004《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》3.2.11中規(guī)定的“濕砌砌體的所有磚縫中，泥漿應(yīng)飽滿，其表面應(yīng)勾縫”的要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20661-1999《硫酸沸騰爐砌筑技術(shù)條件》4.3.13中規(guī)定的“泥漿飽滿密實，厚度均勻，灰縫飽滿度不得低于90%”的要求?；铱p不飽滿容易產(chǎn)生裂縫，造成SO2和SO3氣體泄露。

（3）爐頂耐火磚砌筑重縫問題。砌筑沸騰爐爐頂時，耐火磚應(yīng)錯開磚縫。磚體錯縫砌筑能使砌體在徑向承受更大的剪切力，有利于提高砌體的牢固性和安全性。重縫同樣會導(dǎo)致砌體容易產(chǎn)生裂縫，降低砌體的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此爐頂耐火磚的砌筑要避免重縫。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20661-1999《硫酸沸騰爐砌筑技術(shù)條件》4.4.6中規(guī)定的爐頂各環(huán)爐襯徑向灰縫應(yīng)符合“各環(huán)間徑向錯縫距離不得小于15 mm”、“相鄰兩環(huán)間不允許有三處重縫”和“不允許三環(huán)在同一位置同時出現(xiàn)重縫”的要求。對爐頂?shù)拇u縫進(jìn)行抽查發(fā)現(xiàn)，相鄰兩環(huán)的耐火磚出現(xiàn)三處重逢現(xiàn)象，還存在三環(huán)耐火磚在同一位置同時出現(xiàn)重縫的現(xiàn)象。因此，爐頂耐火磚砌筑重縫問題也是造成爐頂鋼殼腐蝕破損的原因之一。

3.2 爐體鋼殼“油漆”工程問題

該沸騰爐建造在山區(qū)野外，晝夜溫差大，容易出現(xiàn)露水，空氣濕度也較高。爐體內(nèi)透過磚縫泄露出的SO2和SO3氣體很容易與露水或大氣中的水和氧氣反應(yīng)生成稀硫酸，形成強(qiáng)腐蝕性的惡劣工作環(huán)境。

根據(jù)國家化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4077-2009《防腐蝕涂層涂裝技術(shù)規(guī)范》表2規(guī)定，在強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下，防腐蝕涂層厚度應(yīng)≥200μm，而在現(xiàn)場所測沸騰爐爐體鋼殼外壁防銹油漆涂覆過薄，涂層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200μm要求；另外，沸騰爐在焙燒過程的高溫作用下，由于沸騰爐的保溫情況較差，爐外壁152℃的高溫會使防腐蝕層加速老化，在山間風(fēng)吹、日曬、雨淋的惡劣環(huán)境下，會使原來就存在質(zhì)量缺陷的沸騰爐爐體鋼殼的防腐蝕涂層的很快就老化破損脫落，使得爐體外表鋼殼的金屬完全暴露在稀硫酸的強(qiáng)腐蝕環(huán)境中。

綜上所述，由于沸騰爐爐頂耐火磚存在灰縫寬度過大、不飽滿和重逢等質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致爐中的SO2和SO3氣體泄露，與山區(qū)野外的露水或大氣中的水和氧氣反應(yīng)生成稀硫酸，腐蝕了因防銹油漆涂覆過薄的爐體鋼殼，造成沸騰爐爐體嚴(yán)重腐蝕損壞。

4 幾點建議

針對該企業(yè)沸騰爐出現(xiàn)的問題，為延緩沸騰爐爐殼腐蝕損壞提出以下幾點建議。

（1）沸騰爐爐頂耐火磚的砌筑灰縫寬度應(yīng)不超過2 mm，以避免耐火泥受熱收縮產(chǎn)生的張力破壞[3]?；铱p泥漿應(yīng)飽滿，灰縫寬度均勻，灰縫飽滿度不得低于90%。

（2）沸騰爐爐頂耐火磚的砌筑應(yīng)避免重縫，有利于提高砌體牢固性及氣密性。

（3）爐殼外層的油漆工程應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)腐蝕環(huán)境和使用溫度，選擇合適的底漆、面漆防腐蝕涂料，涂漆過程中應(yīng)嚴(yán)格控制每道漆層的厚度。在強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下，防腐蝕涂層厚度應(yīng)≥200μm。

（4）爐體的砌筑需要考慮保溫效果，避免沸騰爐鋼殼外壁溫度過高導(dǎo)致鋼殼防腐蝕涂層的老化破損速度加快。

［1］張志賢，喻貞仁.工業(yè)爐砌筑施工操作技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［2］徐邦學(xué).硫酸生產(chǎn)工藝流程與設(shè)備安裝施工技術(shù)及質(zhì)量檢驗檢測標(biāo)準(zhǔn)實用手冊［M］.南寧：廣西電子音像出版社，2004.

［3］楊剛.提高沸騰爐使用壽命的有效途徑［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2002（5）：23-26.