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熱水鍋爐及采暖系統氧腐蝕的探討

09-20 16:26:37  瀏覽次數:813次  欄目:建筑工程管理
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  摘要:熱水鍋爐在工業生產和日常生活中得到了廣泛的應用,由于循環水量大,帶入流解氧也多,因此,熱水鍋爐的氧腐蝕尤為突出,文章分析了氧腐蝕的原理及影響因素,并提出了防護措施。

  關鍵詞:熱水鍋爐;采暖系統;氧腐蝕;機械除氧;化學除氧

  熱水鍋爐與蒸汽鍋爐相比,具有結構簡單、制造容易、鋼材耗量較少、熱效率較高、運行安全、操作方便、不易發生缺水干鍋和受熱面金屬過熱事故等特點,因此在工業生產和日常生活中得到了廣泛的應用。尤其是在我國北方,冬季采暖是城鎮居民的基本生活需求,雖然這幾年國家一直在推動熱電聯產項目的建設,但大部分采暖熱源仍為熱水鍋爐。而熱水鍋爐系統的運行腐蝕、停用腐蝕以及由此而引起的腐蝕產物結垢問題卻長期困擾著人們。而且熱水鍋爐循環水量大,帶入流解氧也多,因此熱水鍋爐的氧腐蝕尤為突出,腐蝕會帶來巨大的經濟損失,首先會降低壽命,我國熱水鍋爐設計壽命為15年,由于腐蝕原因一般只能運行5~8年,其次腐蝕泄漏發生在嚴寒期,供熱中斷會直接影響居民的正常生活。

  一、氧腐蝕原理

  1.鐵受水中流解氧的腐蝕是一種電化學腐蝕:陰極過程,O2是強烈的陰極去極化劑,能吸收陰極電子形成氟氧離子OH-,使腐蝕過程加劇,反應公式如下:

  O2+4E+2H2O→4OH-

  陽極過程,鐵的電極電位低于氟的電極電位,反應公式如下:

  Fe→Fe2++2e

  陽極反應產物和陽極反應產物反應,形成鐵銹:

  Fe2++2OH-→Fe(OH)2

  4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

  Fe(OH)2+Fe(OH)3→Fe3O4+4H2O

  2.氧腐蝕部位及特征。熱水鍋爐運行時,最易發生氧腐蝕的部位在入水口附近的金屬表面、系統接觸大氣區的金屬表面、循環不暢處和腐蝕產物沉積處的金屬。其特征為斑點腐蝕或潰瘍,常常在金屬表面生成許多直徑為1~30mm的鼓包,其表面著色由黃褐色到磚紅色不等,主要成分為氧化鐵,次層為黑色粉未狀物,為四氧化三鐵。有時,在腐蝕產物的最深處,緊靠金屬表面,還存在一個黑色層為氧化亞鐵,將這些腐蝕產物清除后便露出蝕坑。

  二、影響氧腐蝕的因素

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  1.熱水鍋爐采暖系統,有直供和間供兩種形式,由于系統的不嚴密性,容易造成氧氣的進入,尤其是直供系統直接與用戶相連,若補水量增大,除氧不正常,就會加大溶解氧含量。在一般條件下,水中氧含量越多,鋼的腐蝕越快。

  2.溶液的PH值對金屬的腐蝕速度影響較大,當pH值低到溶液呈酸性時金屬腐蝕速度劇烈增大,當有流解氧存在時,pH的改變對金屬腐蝕影響更大。通過大量的鍋爐運行數據分析,pH值小于6時,腐蝕速度隨pH值降低迅速增加;pH值在6~10之間,含氧量的高低決定腐蝕速度的高低;pH值在10~12之間時,腐蝕速度隨pH值的增加而降低;pH值為12時,腐蝕速度幾乎很小。

  由此可見,鍋爐正常運行時,控制鍋水pH值在10~12范圍內,可以使金屬表面形成一層穩定的保護膜,造成陽極鈍化,從而大大降低鍋爐的腐蝕速度。

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  鍋爐停運期間的腐蝕比運行腐蝕更嚴重,大規模的腐蝕損壞和局部腐蝕孔往往是由停用腐蝕引起的,尤其熱水采暖鍋爐系統運行期一般為4~5個月,每年停運期7~8個月,若在停運期間沒有將水放凈或未做好養護,氧腐蝕將會加劇。

  三、氧腐蝕的防護措施

  根據以上分析,防止氧腐蝕不僅要在運行其間進行,更應在停用期間采取措施,才能有效減緩和防止氧腐蝕,延長設備使用壽命。為此,提出以下防護措施:

 。ㄒ唬┻\行期間采取機械除氧和化學除氧同時處理的方式

  1.機械除氧主要是加裝除氧器,熱水鍋爐由于蒸汽汽源問題及投資原因,不適應使用熱力除氧和真空除氧,可考慮使用海綿鐵除氧,這是進入20世紀90年代后在鋼屑除氧的基礎上研制的技術,也采用過濾式,用堆比重比較輕的海棉狀還原鐵粉為除氧劑,當含氧水通過濾層時發生以下反應:

  2Fe+2+2H2O+O2→2Fe(OH)2

  Fe(OH)2吸附在海綿鐵粒上,但它在含氧水中是不穩定的,它將被氧化成三價鐵的化合物:2Fe(OH)2+H2O+1/2O2→2Fe(OH)3

  Fe(OH)3呈現為黃綠色類絮狀物,可用反洗方法沖走,在濾層深處,由于水中氧的濃度已經很低,因此必然存在與Fe(OH)2沉淀保持平衡關系的少量的Fe2+,它很容易被Na型樹脂吸收,所以出水再經Na型強酸性陽樹脂層時便可除去,交換反應為:

  Fe2++2NaR→FeR2+2Na+

  這種方法常溫下即可除氧,體積小投資小,除氧效果較穩定,因此在很多熱水鍋爐系統中得到應用,問題是缺少技術的統一性。

  2.化學除氧,主要是添加除氧劑,種類有Na2SO3和水合聯氨(N2H4·H2O),后一種由于價格昂貴且有較強的毒性,所以不能在熱水鍋爐采暖系統使用,Na2SO3易溶于水,是一種還原劑,遇到水中的溶解氧產生如下反應:2Na2SO3+O2→2Na2SO4,而且Na2SO3價廉無毒無污染,因此一直作為首選除氧劑,但有幾個問題需要注意:

  溫度是影響Na2SO3同氧反應的重要因素,室溫下Na2SO3同氧反應的速度較慢,但隨著溫度升高,反應時間大大縮短。研究證明,溫度每升高10℃,反應速度約增加1倍,在100℃以上,反應速度更快。所以在使用Na2SO3時,盡量直接加到熱水管道中。

  Na2SO3很容易氧化失效,因此使用時最好隨用隨配,確實需要儲存時,采取嚴格的密封措施。也可同時加入一些水溶性的硝酸鹽或硫酸鹽,作為催化劑,加快反應速度,但要注意用量的配比。

  3.控制鍋水的pH值在10~12范圍內,從而在金屬表面形成一層保護膜,可以避免或減少氧腐蝕的發生。但在實際運行中鍋水的pH值有時發生變化,那么當pH值<10時,可以采用向鍋內投加一定量的堿性藥劑的方法以提高鍋水的pH值。對冬季采暖的熱水鍋爐我公司是投加Na(OH)2和Na3Po4,這樣既減少了爐水的硬度,又提高了pH值,而且在運行時監測NaOH濃度,避免造成堿性腐蝕。

  4.由于供熱面積較大,一些熱水鍋爐供熱采取間供系統,二次網補水基本采用離子交換法進行軟化,一般認為這樣pH值提高了,水的腐蝕性也降低了。

 。ǘ┩_\期間的措施

  1.鍋爐系統的保護,可采用干法,停爐后排干鍋水,然后烘干加入干燥劑,具體用量:無水氯化鈣(1~2kg/m3)、生石灰(2~3kg/m3)、硅膠(2.7kg/m3)),最后封閉鍋爐,并定期檢查干燥劑。

  2.二次網停運期間的防護比較困難,停熱短期可充滿水采取濕法保養,但檢修、改造期間水必須泄掉,由于供熱管網較長,管徑由大到小不等,徹底清除積水不現實,所以存在一空白區間容易產生氧腐蝕,這時的防護還需探討。

  以上給出了幾種防止氧腐蝕的措施,但也應該根據實際情況選擇適宜的方法,比如小型熱水鍋爐,安裝除氧器造價相對較高,可只采用化學除氧,根據給水的溶解氧含量,計算出Na2SO3加入量,使系統中亞硫酸根含量保持在2~7mg/L,同時再加入Na(OH)2和Na3Po4,也能達到防腐效果。另外還要加強管理,降低系統補水量;加強水質的監測,保證加藥量控制在合理的范圍。

  參考文獻:

  [1]鹿道智.工業鍋爐司爐教程[M].2001.

  [2]魏剛,熊蓉春.熱水鍋爐防腐阻垢技術[M].化學工業出版社,2002.

  作者簡介:申巍,男,天津人,供職于天津市津南區集中供熱辦公室,研究方向:供熱管理。

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