程 飛 董偉雄 呂江明

（1.紹興市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 紹興 312071；2.紹興鳳登環(huán)保有限公司，浙江 紹興 312071）

0 引言

新型冠狀病毒肺炎疫情使固廢處理企業(yè)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而保障固廢處理核心裝備-汽化爐系統(tǒng)的健康運(yùn)作意義重大。某固廢處理企業(yè)汽化爐灰水輸送管在三年內(nèi)，由于穿孔失效更換了二根同材質(zhì)同結(jié)構(gòu)管道，導(dǎo)致企業(yè)停產(chǎn)檢修，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失，影響了固廢處理效率。因此，該企業(yè)迫切需要了解穿孔失效原因并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。該灰水輸送管材質(zhì)為20#鋼，規(guī)格為250×8mm，穿孔失效位置如圖1所示，管道內(nèi)表面宏觀形貌如圖2所示，對(duì)腐蝕孔周?chē)M(jìn)行厚度測(cè)量，壁厚無(wú)明顯減薄。沈雅欣等作者對(duì)90°豎直彎管的液固兩相流沖刷進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示彎管位置為流體速度和流體壓力最大位置，而直管段流體速度和流體壓力并不大[1]，因此該研究主要通過(guò)宏觀檢查，介質(zhì)成分分析，掃描電鏡能譜分析等方式進(jìn)行。

圖1 管道失效位置

圖2 管道內(nèi)表面宏觀形貌

1 檢測(cè)與分析

1.1 宏觀檢查及常規(guī)檢測(cè)

對(duì)管壁來(lái)樣進(jìn)行宏觀檢查，外表面有金屬光澤、無(wú)脹粗，泄漏孔附近有白色鹽類(lèi)附著物；內(nèi)表面呈黃褐色，間雜有黑色凸起物，泄漏孔呈圓錐狀，內(nèi)壁開(kāi)口處直徑約21mm；管子截面實(shí)測(cè)最大壁厚為7.48mm，最小壁厚約7.04mm；泄漏孔附近打磨后有金屬光澤，基體上散布著黑色腐蝕斑。利用 X-MET 手持式合金儀對(duì)試樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果與20#鋼相匹配。利用里氏硬度計(jì)對(duì)管壁外表面進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度平均值為HB130。

圖3 管壁宏觀形貌

1.2 介質(zhì)取樣分析

對(duì)管道內(nèi)液體進(jìn)行取樣分析，取樣位置為灰水泵出口，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)定方法為：pH：GB/T 6920-1986，玻璃電極法；懸浮物：pH：GB/T 11901-1989，重量法；氯化物：GB/T 11896-1989，硝酸銀滴定法，其測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 介質(zhì)成分分析

1.3 掃描電鏡能譜分析

取樣部位為泄漏孔及其周?chē)?，分析方法GB/T 17359-2012，分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，分別為腐蝕穿孔區(qū)周?chē)蚰ズ蟛课唬軆?nèi)壁黃褐色腐蝕部位，管內(nèi)壁黑色塊狀物腐蝕部位。

1.3.1 分析區(qū)域A

對(duì)腐蝕穿孔區(qū)周?chē)蚰?，露出金屬光澤，分別對(duì)金屬基體和散布著的腐蝕斑區(qū)進(jìn)行電鏡能譜分析，圖4為相應(yīng)的20～1000倍的區(qū)域電鏡照片。分別在打磨后的金屬基體和相鄰腐蝕斑各取5點(diǎn)進(jìn)行電鏡能譜分析，如圖5所示，從主要元素含量對(duì)比圖，如圖6所示，可以看出腐蝕斑內(nèi)的C、O和Cl元素含量都大于金屬基體，特別是O和Cl元素分別超出了約5 倍和19倍，這表明在基體腐蝕的同時(shí)伴隨有大量氯離子侵入。

圖4 腐蝕穿孔區(qū)周?chē)蚰ズ蟛课?/p>

圖5 打磨后的金屬基體上能譜分析取點(diǎn)位置圖

圖6 能譜分析出的主要元素含量對(duì)比圖

1.3.2 分析區(qū)域B

圖7為管內(nèi)壁黃褐色腐蝕部位的電鏡照片，可看出腐蝕產(chǎn)物以0.1mm較大的圓塊狀聚合在一起，結(jié)合比較疏松，放大500倍時(shí)可觀察到更為細(xì)小的顆粒狀腐蝕物。

圖7 管內(nèi)壁黃褐色腐蝕部位的電鏡照片

如圖8所示，選取相對(duì)平坦的黃褐色腐蝕部位進(jìn)行能譜點(diǎn)分析和面掃描，對(duì)能譜點(diǎn)分析和面掃描結(jié)果中含量大于1%的元素進(jìn)行對(duì)比作圖，如圖9、圖10所示，可看出能譜點(diǎn)分析結(jié)果平均值與面掃描分析結(jié)果一致，與打磨后腐蝕坑的分析結(jié)果相比， O元素增大，C元素基本持平，Cl元素降低較多，但同時(shí)也新增加了Na、Si、P、S等元素。

圖8 黃褐色腐蝕部位進(jìn)行能譜分析的區(qū)域圖像

圖9 黃褐色腐蝕部位的元素面掃描結(jié)果

圖10 能譜點(diǎn)分析結(jié)果與面掃描結(jié)果對(duì)比圖

1.3.3 分析區(qū)域C

如圖11所示，管子內(nèi)壁除了黃褐色的腐蝕物外，還散布著大量的黑色塊狀物，對(duì)其進(jìn)行能譜點(diǎn)分析和元素面掃描，能譜取點(diǎn)位置如圖12所示，分析結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖11 管子內(nèi)壁黑色腐蝕物電鏡照片

圖12 電鏡能譜點(diǎn)分析取點(diǎn)位置圖

圖13 元素面掃描能譜譜圖

圖13 為區(qū)域3的能譜點(diǎn)分析與能譜面掃描結(jié)果對(duì)比圖，其中能譜點(diǎn)分析Na、P、S、Cl元素含量平均值為對(duì)應(yīng)元素的最小值，對(duì)比圖9中黃色腐蝕物的分析結(jié)果，可看出黑色腐蝕物內(nèi)O、Si元素含量增大，F(xiàn)e元素含量下降明顯。

圖13 能譜點(diǎn)分析與面掃描結(jié)果對(duì)比圖

2 結(jié)果與討論

綜合宏觀檢查、元素成分光譜分析、硬度檢測(cè)和掃描電鏡能譜分析結(jié)果，再結(jié)合管子的運(yùn)行環(huán)境，可以得出以下結(jié)論：管壁金屬材質(zhì)與20#鋼相匹配，無(wú)硬度異常，無(wú)明顯沖蝕；管內(nèi)壁腐蝕屬于氧腐蝕，以局部腐蝕（點(diǎn)蝕、坑蝕）為主，管壁腐蝕物主要分為Fe含量較高的黃褐色疏松物，和O、Si元素含量較高的黑色塊狀物；腐蝕泄漏孔產(chǎn)生的原因是氯化物腐蝕和氧腐蝕共同作用的結(jié)果：管子內(nèi)壁吸附灰水內(nèi)的溶解氧，在垢下產(chǎn)生局部電化學(xué)腐蝕，同時(shí)由于侵蝕性強(qiáng)的氯離子存在，一方面增大了介質(zhì)的電導(dǎo)率，使吸附氧的電化學(xué)腐蝕更容易發(fā)生；另一方面，氯化物破壞了金屬基體表面的氧化膜，使氧化膜下的基體金屬腐蝕不斷向深處發(fā)展[2,3]。

2.1 腐蝕機(jī)理

金屬腐蝕就其本質(zhì)而言，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕[4]?；瘜W(xué)腐蝕：是指金屬材料在干燥氣體和非電解質(zhì)溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化合物的過(guò)程中沒(méi)有電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕。電化學(xué)腐蝕：就是金屬和電解質(zhì)組成兩個(gè)電極，組成腐蝕原電池[5]。該系統(tǒng)中管道設(shè)備的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，也存在化學(xué) 腐蝕。

腐蝕反應(yīng)的主要過(guò)程如下[6]：

隨著腐蝕過(guò)程的發(fā)生，管線的局部滯留區(qū)，傳質(zhì)變得困難，外界的氧氣不能傳入， 而滯留區(qū)內(nèi)的氧很快被消耗形成貧氧區(qū)，此處的陰極氧還原反應(yīng)受抑制，陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物 Fe2+則難以擴(kuò)散出去， 在滯留區(qū)內(nèi)大量積聚，與灰水中的Cl-離子結(jié)合形成高濃度的FeCl2溶液，水解后該區(qū)域內(nèi)pH下降，成為酸化區(qū)，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕速度加快[7]。 其反應(yīng)式為：

2.2 緩蝕劑的原理

緩蝕劑主要通過(guò)抑制陽(yáng)極，陰極反應(yīng)中的任何一個(gè)或兩個(gè)，原電池反應(yīng)將減緩，金屬的腐蝕速度就會(huì)減慢。陽(yáng)極型緩蝕劑對(duì)陽(yáng)極過(guò)程的影響是：(1)在金屬表面生成薄的氧化膜，把金屬和腐蝕介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)；（2）因特性吸附抑制金屬離子化過(guò)程；（3）使金屬電極電位達(dá)到鈍化電位。主要有重洛酸鉀，硅酸鹽等。

陰極型緩蝕劑主要通過(guò)以下作用實(shí)現(xiàn)緩蝕：（1）提高陰極反應(yīng)的電位，例如三乙醇胺；（2）在金屬表面形成化合物膜；（3）吸收水中的溶解氧。

混合型緩蝕劑主要通過(guò)以下作用實(shí)現(xiàn)緩蝕：（1）與陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)生成不溶物，這些不溶物緊密沉淀在金屬表面起到緩蝕的作用，例如磷酸鹽；（2）形成膠體物質(zhì)，列如硅酸鹽；（3）在金屬表面吸附，形成吸附膜，例如明膠等[8-12]。

3 結(jié)語(yǔ)

腐蝕穿孔失效影響因素很多：（1）幾何形狀的因素；（2）pH值的影響；（3）氯離子濃度的影響；（4） 溫度的影響等綜合影響。本課題[13,14]通過(guò)對(duì)試件的綜合檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的分析，得出此汽化爐灰水輸送管腐蝕穿孔失效主要是氯化物腐蝕和氧腐蝕共同作用的結(jié)果，因此建議廠家進(jìn)行如下處理：（1）調(diào)整灰水輸送管的傾角或流速到合適值，盡量減小灰水對(duì)管壁氧化膜的連續(xù)破壞；（2）對(duì)輸送管內(nèi)壁進(jìn)行堿洗鈍化或噴涂防氯氧化物；（3）向灰水中加入抗氧緩蝕劑和阻垢劑[15-20]。