河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 劉建平 于建華 陳衛(wèi)民 孫新偉
基于氧腐蝕的熱水鍋爐停爐保養(yǎng)分析
河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 劉建平 于建華 陳衛(wèi)民 孫新偉
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,熱水鍋爐使用的數(shù)量日益增多。在日常的熱水鍋爐內(nèi)部腐蝕防護方面,我們往往將防護工作的重點放在鍋爐的運行期,忽略了鍋爐停爐期內(nèi)部腐蝕問題,殊不知熱水鍋爐停爐期內(nèi)部腐蝕問題也相當(dāng)嚴重。由于熱水鍋爐一旦發(fā)生事故,將嚴重危及人的生命和財產(chǎn)的安全。因此,我國長期以來把熱水鍋爐作為特種設(shè)備,實施嚴格的安全監(jiān)管制度。
熱水鍋爐是北方冬季的采暖設(shè)備,每年大約3月中下旬至11月中旬是鍋爐停爐保養(yǎng)時間,在停爐期間按照《鍋爐定期檢驗規(guī)則》進行檢驗。在定期檢驗中發(fā)現(xiàn),許多用戶對熱水鍋爐維護保養(yǎng)不夠重視。如有的鍋爐停爐后不做保養(yǎng),有的雖然進行了保養(yǎng),但保養(yǎng)方法不適當(dāng),造成鍋爐內(nèi)表面產(chǎn)生腐蝕。且熱水鍋爐停爐期間的腐蝕在很大程度上比運行時產(chǎn)生的腐蝕嚴重得多,因此必須加強熱水鍋爐的停爐保養(yǎng)。
本文,筆者首先介紹了氧腐蝕機理,然后通過對氧腐蝕機理的分析,詳細制定了干保養(yǎng)和濕保養(yǎng)兩套方案,對某單位3臺同一型號的熱水鍋爐分別采用不同的保養(yǎng)方案。結(jié)果表明在不同的保養(yǎng)方法下,沒有采取任何保養(yǎng)措施的熱水鍋爐氧腐蝕嚴重,采用干法保養(yǎng)的熱水鍋爐效果要好于采用濕法保養(yǎng)的熱水鍋爐。對方案的比較和研究可以為熱水鍋爐停爐保養(yǎng)分析提供依據(jù),同時也為特種設(shè)備安全和鍋爐經(jīng)濟運行提供了保證。
從目前的鍋爐定檢情況分析,絕大多數(shù)的腐蝕屬于有氧腐蝕的范疇。因為氧是一種去極化劑,所以當(dāng)有氧存在時,加快了電化學(xué)腐蝕的速度,在潮濕的環(huán)境中產(chǎn)生腐蝕電池,其反應(yīng)機理如下:
陽極:Fe→Fe2++2e
陰極:(1/2)O2+H2O+2e→2OH
Fe2++2OH-→Fe(OH)2
鍋爐內(nèi)水汽與鐵反應(yīng)可在表面生成Fe(OH)2的保護膜,對鐵進行了保護,但在過量氧存在條件下:
2Fe(OH)2+(1/2)O2+H2O→2Fe(OH)3(鐵銹)
Fe(OH)2進一步氧化成疏松的Fe(OH)3沉淀物,F(xiàn)e(OH)3的沉淀,使陽極范圍Fe2+的濃度顯著降低,即O2促使陽極的鐵離子轉(zhuǎn)入水溶液中,加速了腐蝕的進程。生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3,還會進一步反應(yīng):
Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4(黑色)+4H2O
在鍋爐運行時Fe(OH)3和Fe3O4將成為氧的代用品,是腐蝕電池的陰極去極化劑,其反應(yīng)式如下:
Fe(OH)3+e→Fe(OH)2+OH
Fe3O4+e+H2O→3FeO+2OH-
鐵在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)生腐蝕,結(jié)果高價鐵發(fā)生了還原反應(yīng),生成低價氧化鐵,當(dāng)鍋爐再次停用時,已還原的鐵銹又會重新氧化成為高價氧化鐵,并且根據(jù)鐵銹下的充氧濃度不同而產(chǎn)生強烈的濃差腐蝕,使氧化鐵大量增加。隨著鍋爐的交替運行和停用,腐蝕過程也隨之惡性循環(huán),從而造成受壓部件的嚴重腐蝕。另外,鐵受到氧腐蝕后,雖然能在金屬表面形成一層保護膜,減少了腐蝕核心的數(shù)目,但每一個核心地區(qū)的腐蝕速度卻大大增加了,腐蝕的破壞程度將更為劇烈。
從鍋爐氧腐蝕機理分析,可以得出如下結(jié)論:在鍋爐停用期間,要想減少鍋爐氧腐蝕,必須控制鍋爐內(nèi)部的氧氣或水分,也就是常說的濕法保養(yǎng)和干法保養(yǎng)。
某單位有3臺同一型號的熱水鍋爐,編號為1#、2#和3#,型號為SZL7—1.0/115/70—AⅡ,作為冬季供暖使用,停用期為每年3月中旬到11月中旬,由于3#爐作為備用爐,使用次數(shù)不多,兩年未進行停爐保養(yǎng),我們從2009年跟蹤了兩個停爐期,3臺初始狀況基本相同,分別采用濕法保養(yǎng)和干法保養(yǎng),如表1所示。
表1 方法選擇機理
根據(jù)實際情況,分別對1#爐濕法保養(yǎng)和2#爐干法保養(yǎng)制定了具體步驟。
1.1#爐濕法保養(yǎng)的具體步驟。按4kg/m3NaOH+1kg/m3Na3PO4的濃度配置適量堿液(要用軟化水),用泵送入鍋筒內(nèi)部直至頂部的排氣閥出水,關(guān)閉排氣閥后,升壓至0.05~0.1MPa停止。這樣,可以保證鍋爐內(nèi)部的氧氣完全排出。當(dāng)表壓低于0.01MPa時,應(yīng)及時補充堿液,以防止氧氣的進入。另外,還需定期測量堿液的pH值,應(yīng)保持在10~12之間,當(dāng)pH值低于10時,要補充堿液,以保證金屬表面的鈍化,造成陽極極化,從而達到保護鍋爐防止腐蝕的目的。
2.2#爐干法保養(yǎng)的具體步驟。停爐前必須煮爐,以清除金屬表面的水垢和腐蝕產(chǎn)物。停爐后打開入孔,清除堆積在鍋筒集箱底部的垢渣、銹渣等污物。用少量木柴細火烘爐(主要是烘干鍋爐內(nèi)部的水分),至人孔處向外溢出的熱氣減少為止。此步驟亦可采用熱爐放水法,其操作方法為:當(dāng)爐內(nèi)水溫降至70~80℃,爐膛內(nèi)溫度降至100℃以下時放水,然后依次打開排氣閥、人孔,這樣就可以利用鍋爐的余溫烘干內(nèi)部的水分。鍋爐內(nèi)部加入干燥劑?,F(xiàn)在使用最多的干燥劑為硅膠,從人孔、爐門分別放入到鍋筒和爐膛內(nèi)部,然后關(guān)閉人孔、爐門。閥門必須密封。在實際操作過程中,人孔的拆裝極不方便,可采用在人孔圈處涂抹一層黃油,然后用塑料紙貼封的方法,這樣可以方便地更換干燥劑,也降低了管理人員的勞動強度。1個月后檢查硅膠,是否吸潮,如果吸潮,則需要更換硅膠后重新密封,以后的檢查,周期適當(dāng)延長。
另外,在放置硅膠的過程中,可按1~2支/m3的比例在鍋筒內(nèi)放入點燃的蠟燭,這樣在密封后,蠟燭的燃燒可消耗掉鍋爐內(nèi)部的氧氣,使保養(yǎng)更為徹底。
本次鍋爐定期檢驗發(fā)現(xiàn)1#爐鍋筒內(nèi)部共有2處明顯腐蝕,最大尺寸約為Φ6×0.5mm,2#爐鍋筒內(nèi)部基本無明顯腐蝕,3#爐鍋筒內(nèi)部存在8處大小及深度不一的圓形腐蝕斑點及腐蝕凹坑。最大尺寸約為Φ15×1.5mm,最小尺寸約為Φ5×0.5mm。此外,在3#爐鍋筒還有1處輕微腐蝕鼓包,鼓包表面呈紅褐色,其內(nèi)有黑色粉末狀物,用手剝?nèi)ス陌砻嫘纬筛g坑,坑內(nèi)堆著腐蝕產(chǎn)物。
對1#爐和3#爐共取5處打磨、拋光,4%硝酸酒精溶液侵蝕,再制取金相復(fù)型,在金相顯微鏡上觀察及拍攝金相照片。其檢驗結(jié)果:母材的顯微組織均為正常的鐵素體+珠光體,鐵素體晶粒度為7~8級,表明該腐蝕與材質(zhì)無關(guān)。用X射線物相分析腐蝕產(chǎn)物時,其主要物相為Fe3O4,其次為Fe2O3及FeO,可判斷二臺鍋爐的腐蝕為氧腐蝕。
由以上分析可以看出,沒有采取任何保養(yǎng)措施的熱水鍋爐氧腐蝕嚴重,采用干法保養(yǎng)的熱水鍋爐效果要好于采用濕法保養(yǎng)的熱水鍋爐,這為今后的熱水鍋爐停爐保養(yǎng)和最佳保養(yǎng)方法選擇提供了依據(jù)。
本文,筆者介紹了氧腐蝕機理,通過對氧腐蝕機理的分析,制定了不同的保養(yǎng)方案。通過實例分析,得到了如下的結(jié)論:沒有采取任何保養(yǎng)措施的鍋爐氧腐蝕嚴重,采用干法保養(yǎng)的鍋爐效果要好于采用濕法保養(yǎng)的鍋爐。熱水鍋爐由于維護保養(yǎng)不好,而使受壓元件造成的腐蝕是鍋爐最常見的一種損壞方式,所以熱水鍋爐在停運期間,必須進行保養(yǎng),并要選擇合理的保養(yǎng)方法,以減少熱水鍋爐金屬的腐蝕,延長了熱水鍋爐的使用壽命,保證鍋爐安全、經(jīng)濟運行。