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热水锅炉及采暖系统氧腐蚀的探讨

发布时间:2021-04-20 10:01 人气:

  摘要:热水锅炉在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用,由于循环水量大,带入流解氧也多,因此,热水锅炉的氧腐蚀尤为突出,文章分析了氧腐蚀的原理及影响因素,并提出了防护措施。

  关键词:热水锅炉;采暖系统;氧腐蚀;机械除氧;化学除氧

  热水锅炉与蒸汽锅炉相比,具有结构简单、制造容易、钢材耗量较少、热效率较高、运行安全、操作方便、不易发生缺水干锅和受热面金属过热事故等特点,因此在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用。尤其是在我国北方,冬季采暖是城镇居民的基本生活需求,虽然这几年国家一直在推动热电联产项目的建设,但大部分采暖热源仍为热水锅炉。而热水锅炉系统的运行腐蚀、停用腐蚀以及由此而引起的腐蚀产物结垢问题却长期困扰着人们。而且热水锅炉循环水量大,带入流解氧也多,因此热水锅炉的氧腐蚀尤为突出,腐蚀会带来巨大的经济损失,首先会降低寿命,我国热水锅炉设计寿命为15年,由于腐蚀原因一般只能运行5~8年,其次腐蚀泄漏发生在严寒期,供热中断会直接影响居民的正常生活。

  一、氧腐蚀原理

  1.铁受水中流解氧的腐蚀是一种电化学腐蚀:阴极过程,O2是强烈的阴极去极化剂,能吸收阴极电子形成氟氧离子OH-,使腐蚀过程加剧,反应公式如下:

  O2+4E+2H2O→4OH-

  阳极过程,铁的电极电位低于氟的电极电位,反应公式如下:

  Fe→Fe2 2e

  阳极反应产物和阳极反应产物反应,形成铁锈:

  Fe2 2OH-→Fe(OH)2

  4Fe(OH)2 O2 2H2O→4Fe(OH)3

  Fe(OH)2 Fe(OH)3→Fe3O4 4H2O

  2.氧腐蚀部位及特征。热水锅炉运行时,最易发生氧腐蚀的部位在入水口附近的金属表面、系统接触大气区的金属表面、循环不畅处和腐蚀产物沉积处的金属。其特征为斑点腐蚀或溃疡,常常在金属表面生成许多直径为1~30mm的鼓包,其表面着色由黄褐色到砖红色不等,主要成分为氧化铁,次层为黑色粉未状物,为四氧化三铁。有时,在腐蚀产物的最深处,紧靠金属表面,还存在一个黑色层为氧化亚铁,将这些腐蚀产物清除后便露出蚀坑。

  二、影响氧腐蚀的因素

  (一)运行期间

  1.热水锅炉采暖系统,有直供和间供两种形式,由于系统的不严密性,容易造成氧气的进入,尤其是直供系统直接与用户相连,若补水量增大,除氧不正常,就会加大溶解氧含量。在一般条件下,水中氧含量越多,钢的腐蚀越快。

  2.溶液的PH值对金属的腐蚀速度影响较大,当pH值低到溶液呈酸性时金属腐蚀速度剧烈增大,当有流解氧存在时,pH的改变对金属腐蚀影响更大。通过大量的锅炉运行数据分析,pH值小于6时,腐蚀速度随pH值降低迅速增加;pH值在6~10之间,含氧量的高低决定腐蚀速度的高低;pH值在10~12之间时,腐蚀速度随pH值的增加而降低;pH值为12时,腐蚀速度几乎很小。

  由此可见,锅炉正常运行时,控制锅水pH值在10~12范围内,可以使金属表面形成一层稳定的保护膜,造成阳极钝化,从而大大降低锅炉的腐蚀速度。

  (二)停运期间

  锅炉停运期间的腐蚀比运行腐蚀更严重,大规模的腐蚀损坏和局部腐蚀孔往往是由停用腐蚀引起的,尤其热水采暖锅炉系统运行期一般为4~5个月,每年停运期7~8个月,若在停运期间没有将水放净或未做好养护,氧腐蚀将会加剧。

  三、氧腐蚀的防护措施

  根据以上分析,防止氧腐蚀不仅要在运行其间进行,更应在停用期间采取措施,才能有效减缓和防止氧腐蚀,延长设备使用寿命。为此,提出以下防护措施:

  (一)运行期间采取机械除氧和化学除氧同时处理的方式

  1.机械除氧主要是加装除氧器,热水锅炉由于蒸汽汽源问题及投资原因,不适应使用热力除氧和真空除氧,可考虑使用海绵铁除氧,这是进入20世纪90年代后在钢屑除氧的基础上研制的技术,也采用过滤式,用堆比重比较轻的海棉状还原铁粉为除氧剂,当含氧水通过滤层时发生以下反应:

  2Fe 2 2H2O O2→2Fe(OH)2

  Fe(OH)2吸附在海绵铁粒上,但它在含氧水中是不稳定的,它将被氧化成三价铁的化合物:2Fe(OH)2 H2O 1/2O2→2Fe(OH)3

  Fe(OH)3呈现为黄绿色类絮状物,可用反洗方法冲走,在滤层深处,由于水中氧的浓度已经很低,因此必然存在与Fe(OH)2沉淀保持平衡关系的少量的Fe2 ,它很容易被Na型树脂吸收,所以出水再经Na型强酸性阳树脂层时便可除去,交换反应为:

  Fe2 2NaR→FeR2 2Na

  这种方法常温下即可除氧,体积小投资小,除氧效果较稳定,因此在很多热水锅炉系统中得到应用,问题是缺少技术的统一性。

  2.化学除氧,主要是添加除氧剂,种类有Na2SO3和水合联氨(N2H4·H2O),后一种由于价格昂贵且有较强的毒性,所以不能在热水锅炉采暖系统使用,Na2SO3易溶于水,是一种还原剂,遇到水中的溶解氧产生如下反应:2Na2SO3 O2→2Na2SO4,而且Na2SO3价廉无毒无污染,因此一直作为首选除氧剂,但有几个问题需要注意:

  温度是影响Na2SO3同氧反应的重要因素,室温下Na2SO3同氧反应的速度较慢,但随着温度升高,反应时间大大缩短。研究证明,温度每升高10℃,反应速度约增加1倍,在100℃以上,反应速度更快。所以在使用Na2SO3时,尽量直接加到热水管道中。

  Na2SO3很容易氧化失效,因此使用时最好随用随配,确实需要储存时,采取严格的密封措施。也可同时加入一些水溶性的硝酸盐或硫酸盐,作为催化剂,加快反应速度,但要注意用量的配比。

  3.控制锅水的pH值在10~12范围内,从而在金属表面形成一层保护膜,可以避免或减少氧腐蚀的发生。但在实际运行中锅水的pH值有时发生变化,那么当pH值<10时,可以采用向锅内投加一定量的碱性药剂的方法以提高锅水的pH值。对冬季采暖的热水锅炉我公司是投加Na(OH)2和Na3Po4,这样既减少了炉水的硬度,又提高了pH值,而且在运行时监测NaOH浓度,避免造成碱性腐蚀。

  4.由于供热面积较大,一些热水锅炉供热采取间供系统,二次网补水基本采用离子交换法进行软化,一般认为这样pH值提高了,水的腐蚀性也降低了。

  (二)停运期间的措施

  1.锅炉系统的保护,可采用干法,停炉后排干锅水,然后烘干加入干燥剂,具体用量:无水氯化钙(1~2kg/m3)、生石灰(2~3kg/m3)、硅胶(2.7kg/m3)),最后封闭锅炉,并定期检查干燥剂。

  2.二次网停运期间的防护比较困难,停热短期可充满水采取湿法保养,但检修、改造期间水必须泄掉,由于供热管网较长,管径由大到小不等,彻底清除积水不现实,所以存在一空白区间容易产生氧腐蚀,这时的防护还需探讨。

  以上给出了几种防止氧腐蚀的措施,但也应该根据实际情况选择适宜的方法,比如小型热水锅炉,安装除氧器造价相对较高,可只采用化学除氧,根据给水的溶解氧含量,计算出Na2SO3加入量,使系统中亚硫酸根含量保持在2~7mg/L,同时再加入Na(OH)2和Na3Po4,也能达到防腐效果。另外还要加强管理,降低系统补水量;加强水质的监测,保证加药量控制在合理的范围。

  参考文献:

  [1]鹿道智.工业锅炉司炉教程[M].2001.

  [2]魏刚,熊蓉春.热水锅炉防腐阻垢技术[M].化学工业出版社,2002.

  作者简介:申巍,男,天津人,供职于天津市津南区集中供热办公室,研究方向:供热管理。

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