鍋爐管內(nèi)腐蝕結(jié)垢過程的實(shí)驗(yàn)研究

林成

摘 要：鍋爐在運(yùn)行過程中始終處于高溫高壓狀態(tài)，因此管內(nèi)腐蝕結(jié)垢問題不可避免，但腐蝕結(jié)垢問題會嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行安全，對鍋爐使用壽命也有一定影響，因此需要對鍋爐腐蝕結(jié)垢過程進(jìn)行分析研究，探討其具體產(chǎn)生原因，以降低腐蝕結(jié)垢速率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：鍋爐管內(nèi)腐蝕結(jié)垢通常分為氧化、中間以及結(jié)構(gòu)三層，根據(jù)腐蝕結(jié)垢過程不同也可分為三個(gè)形成階段：形成期、成長期以及穩(wěn)定期，在實(shí)驗(yàn)過程中，鍋爐內(nèi)液體濃度越高，對管內(nèi)金屬影響越大，使腐蝕與結(jié)垢速率加快；表面粗糙程度與腐蝕間關(guān)系較小，但對結(jié)垢有一定影響。

關(guān)鍵詞：腐蝕結(jié)垢；分層；反應(yīng)過程；影響因素

鍋爐通過對水施加高溫高壓使其成為水蒸氣并實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，因此水是鍋爐工作過程中最重要因素。若鍋爐中水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，會使鍋爐管道出現(xiàn)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)會嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行安全。其中管壁溫度會隨著結(jié)垢厚度增加而迅速上升，最后超出鍋爐所能承受溫度，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，部分零件出現(xiàn)破裂、變形，對鍋爐造成破壞；鍋爐中金屬構(gòu)件極易出現(xiàn)腐蝕，而腐蝕會使其部件厚度逐漸降低，產(chǎn)生凹陷，會大大降低金屬構(gòu)件強(qiáng)度，導(dǎo)致鍋爐使用壽命縮短，威脅使用安全。若缺乏對鍋爐的日常檢修與維護(hù)，會導(dǎo)致腐蝕結(jié)垢不斷發(fā)展，甚至出現(xiàn)爆管問題。鍋爐的腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象復(fù)雜多變，涉及影響因素較多，在本次實(shí)驗(yàn)研究中，將對鍋爐運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬以研究其管內(nèi)腐蝕結(jié)垢問題出現(xiàn)原因及其相互間關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用高溫反應(yīng)釜進(jìn)行鍋爐環(huán)境模擬，配置與鍋爐中水環(huán)境成分相同的溶液，以T22鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，對其腐蝕結(jié)垢過程進(jìn)行研究分析。對T22鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定處理后，將其制成形狀、質(zhì)量相同的長方形試片，放入高溫反應(yīng)釜中，令試片完全浸沒在與鍋爐水環(huán)境相同的溶液中，依據(jù)鍋爐運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬，經(jīng)過一定時(shí)間后取出試片。將所取出試片進(jìn)行稱重，并應(yīng)用SEM、EDS、XRD方式分析試片。由于實(shí)際鍋爐運(yùn)行環(huán)境中造成管內(nèi)腐蝕結(jié)垢的原因復(fù)雜多變，因此實(shí)驗(yàn)中對鍋爐環(huán)境進(jìn)行模擬時(shí)，為了成功得到與實(shí)際相符的腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用不同方式對T22鋼結(jié)構(gòu)試片進(jìn)行分析，從不同角度、不同方向探究了金屬表面出現(xiàn)腐蝕與結(jié)垢的原因。

2.1 SEM和EDS分析

在相同溶液環(huán)境、不同運(yùn)行時(shí)間的實(shí)驗(yàn)條件下，對試片進(jìn)行SEM以及EDS分析。在運(yùn)行1h后，試片表面已經(jīng)出現(xiàn)大面積小顆粒。經(jīng)成分分析，金屬成分中尚未出現(xiàn)Ca，此時(shí)試片表面為金屬氧化膜。這種氧化膜通常為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分細(xì)致緊密，外層結(jié)構(gòu)較疏松，具有較低附著性，極易被剝落。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，試片表面氧化膜范圍逐漸變大，開始出現(xiàn)晶狀顆粒，金屬試片成分中Ca含量逐漸增多而Fe含量減少，附著力增強(qiáng)，最終形成水垢，難以對其進(jìn)行清除。

2.2 XRD分析

利用XRD能夠?qū)饘僭嚻砻娓g結(jié)垢物質(zhì)成分進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，CaCO3是結(jié)垢物質(zhì)主要成分，F(xiàn)e3O4和Fe2O3是腐蝕產(chǎn)生物質(zhì)的主要成分。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，CaCO3與Fe2O3含量增加，F(xiàn)e3O4含量逐漸降低，因此可得出結(jié)論，在反應(yīng)過程中，腐蝕所產(chǎn)生物質(zhì)隨著反應(yīng)時(shí)間增加逐漸從Fe3O4向Fe2O3轉(zhuǎn)化，金屬表面出現(xiàn)氧化膜，一定程度上減緩了金屬腐蝕速率。

2.3腐蝕結(jié)垢層分析

為了研究金屬表面的氧化層和結(jié)垢層之間各個(gè)元素的分布情況，利用電鏡SEM觀測其斷面的分層情況，并利用能譜儀對試片從基體到外層進(jìn)行線掃描分析，測試各元素的含量變化，可以發(fā)現(xiàn)金屬表面的腐蝕結(jié)垢層大致可分3層：第一層緊貼在基體表面，為比較致密的氧化層。大約10～15μm階段，F(xiàn)e元素含量逐漸降低，而O元素含量升高，說明金屬表面生成了氧化膜。該氧化膜能阻滯金屬原子或侵蝕性介質(zhì)的分子穿過該膜向金屬表面的擴(kuò)散，在一定程度上阻止金屬腐蝕過程的發(fā)展，從而使腐蝕速度降低，但粗糙的氧化膜也為CaCO3結(jié)垢提供了結(jié)晶核心，因此該層也會有少量Ca元素，并且含量有些浮動。第二層為中間層，大約15～20μm階段，在該層金屬的腐蝕和CaCO3的沉積同時(shí)發(fā)生，但垢層和氧化層之間的粘結(jié)不緊密，中間會有一些空洞。

2.4 結(jié)垢腐蝕過程的機(jī)理分析

為了分析金屬腐蝕結(jié)垢的過程，對金屬試片進(jìn)行稱重分析，利用單位表面積的質(zhì)量變化分析腐蝕結(jié)垢程度，用260號砂紙打磨金屬試片，在CaCl2溶液（濃度為50mg/L）和NaHCO3溶液（濃度為37.84mg/L）中進(jìn)行金屬腐蝕結(jié)垢實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量變化曲線。可以看出，試片的質(zhì)量變化趨勢是先失重，然后增重，隨著時(shí)間的增加，增重速度逐漸平緩，并趨于穩(wěn)定。通過試片的稱重法，并結(jié)合之前的SEM和XRD進(jìn)行分析，可以得出金屬的腐蝕結(jié)垢過程，主要可分為3個(gè)階段：第一階段為氧化膜生成期，金屬試片浸入溶液的初期，會與高溫高壓的溶液發(fā)生腐蝕反應(yīng)，表面生成金屬氧化物，覆蓋在金屬表面。第二階段為結(jié)垢迅速成長期，試片表面大部分區(qū)域已經(jīng)形成氧化膜，能在一定程度上阻止腐蝕過程的發(fā)展，使腐蝕速度降低。同時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，試片表面生成的氧化膜比較疏松，從微觀上看會有些凹凸不平處，并且金屬氧化膜表面的“剩余化合鍵力”具有吸附能力，所以會為非均相成核提供許多核化點(diǎn)，吸附作用將使晶胚在這些位置優(yōu)先形成，形成結(jié)晶核心，從而使溶液中的CaCO3向結(jié)晶核心聚積，形成沉積物。這些先期沉積的附著物，破壞了水中的溶解平衡狀態(tài)，使得鹽分向這些區(qū)域很快析出，使結(jié)垢迅速增加。第三階段為穩(wěn)定期，試片表面大部分區(qū)域已經(jīng)形成比較致密的氧化膜，可以很大程度地保護(hù)金屬，使腐蝕速度緩慢。而表面沉積物經(jīng)過快速增加的成長期之后，最終會覆蓋整個(gè)金屬表面，污垢的增加也趨于穩(wěn)定。因而在這個(gè)階段金屬的腐蝕和結(jié)垢速度都趨于穩(wěn)定。

2.5 表面粗糙度的影響

為了觀察金屬表面粗糙度對腐蝕結(jié)垢的影響，對試片表面分別用260號、600號、1200號砂紙打磨，打磨的砂紙?jiān)酱?，試片表面粗糙度越高。粗糙度不同的試片在本次試?yàn)條件下，通過試片的質(zhì)量變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度對腐蝕的影響不大，而粗糙度的增加明顯會促進(jìn)結(jié)垢速率與結(jié)垢量的增加。

結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)利用高溫反應(yīng)釜以及溶液對實(shí)際鍋爐狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過分析法對其成分進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：鍋爐管內(nèi)腐蝕有三層，其形成過程也有三個(gè)階段，因此鍋爐腐蝕結(jié)垢是逐漸形成的。受水質(zhì)影響較大，氧化膜會加速結(jié)垢速度，降低腐蝕程度，因此要重點(diǎn)關(guān)注氧化膜處理方式，定期進(jìn)行維護(hù)處理，減少腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，促進(jìn)鍋爐使用壽命增加。

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