蒸压釜检验中发现的腐蚀现象原因分析

张继周+苏振+郑丽娜

摘 要：一台蒸压釜在进行全面检验过程中发现异常的腐蚀现象。针对这一腐蚀现象结合现场情况、工作参数和国家的相关标准、规范进行了一系列的原因分析，并提出了相应的预防和改善措施。

关键词：蒸压釜；高温氧腐蚀；高温硫化物腐蚀；碳酸盐应力腐蚀开裂；

1 情况介绍

某市一家利用煤粉燃烧过后生成的煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾生产砌块的工厂2012年新安装了一台175M3的蒸压釜，并于当年底投入使用。该蒸压釜工作压力1.2MPa，工作温度200℃，设计使用年限8年，筒体采用Q345R材质厚16.0mm的钢板制造，容积175.0M3，内径2850mm，造日期2011年7月3日，工作介质为饱和水蒸汽、水泥、砂浆。2005年9月进行首次全面检验，检验过程中发现蒸压釜内部两端有轨道脱焊现象，底部有连续分布的腐蚀坑，最大的有80×50mm，深5.0mm，如图1所示。外部保温层下普遍氧腐蚀，并伴有点腐蚀坑，最深1.5mm。

2 生产工艺

将煤粉渣、水泥、石膏和建筑垃圾等和水按照一定的比例混合，发酵凝固后切割成块，推入蒸压釜内，后通入蒸汽升压升温，待达到200℃，1.2MPa时保温保压6h，再降温降压至室温常压，把已经干燥的砌块推出再把新潮湿的砌块放入，如此周而复始的生产。该厂地处农村，现场粉尘较大。轨道上粉尘堆积，料车脱轨现象时有发生。蒸压釜安放在排污池上方，环境高温潮湿，水汽较大。

3 原因分析

3.1 高温氧化腐蚀

蒸压釜在200℃左右的高温潮湿环境中使用，高温下铁与氧反应生成蓬松的铁氧化物。设备运行时产生振动，疏松的铁氧化物脱落，露出单质铁，铁又氧化成铁氧化物，再脱落，周而复始，从而造成蒸压釜壁厚减薄。这种腐蚀现象宏观一般表现为普遍均匀腐蚀，造成的后果是壁厚均匀的减薄[1]。

3.2 二氧化碳腐蚀

空气中含有的二氧化碳溶解在蒸压釜内的凝结水中，生成碳酸。蒸压釜在高温潮湿环境下和二氧化碳（碳酸）发生反应，反应式如下：

H2O+CO2+Fe→FeCO3+H2

腐蚀区域壁厚减薄；在紊流区、液体冲击区域、焊缝的根部可能形成蚀坑或蚀孔。且在紊流区，可能形成较深的点蚀坑和沟槽。所以检验时应当重点检查底部焊缝的根部。其主要影响因素：⑴二氧化碳的分压越高，则溶解在水中的二氧化碳越多，形成碳酸的浓度越大，则腐蚀性越强。⑵在温度未达到溶液中二氧化碳气体一处温度前，随着温度的升高，腐蚀速率增大。

3.3硫酸腐蚀

煤粉渣中含有多种硫化物，如二氧化硫、三氧化硫等，它们与水接触生成亚硫酸、硫酸等，在与碳钢发生一系列复杂的化学反应，从而造成了碳钢的流失和材质的劣化。主要表现为焊缝热影响区会速度明显加快，在焊接接头部位形成沟槽。在低流速区或滞留区形成氢槽。且硫酸的腐蚀性极强，他不但能够腐蚀到单质铁，而且还能腐蚀焊缝中的杂质，例如Cr、Mn等。其主要的影响因素：⑴ 酸的浓度：因为硫酸具有极强的氧化性，所以随着浓度的增高，其腐蚀性反而减小。⑵工作温度：酸的浓度一定时，随着温度的升高，腐蚀速率增大。

3.4 冷取水腐蚀

冷却水中多溶解氧气、二氧化碳等气体。它们能与碳钢发生反应产生腐蚀。腐蚀多表现为点蚀，呈溃疡状，在金属表面形成黄褐色或砖红色鼓包，直径从1～30mm不等，由各种腐蚀产物组成，腐蚀产物去除后，可见金属表面腐蚀坑[2]。

3.5 高温硫化物腐蚀

碳钢在高温下与硫化物反应发生的腐蚀，其原理如下：

Fe+RS→FeS+R

通常表现为均匀减薄，同时生成FeS保护膜，膜层大约是被腐蚀掉的金属体积的5倍，并可能形成多层膜；碳钢表面保护膜因结合牢固且有光泽的灰色膜容易误认为是没有发生腐蚀的金属。主要影响因素：⑴温度：铁基合金的硫化物腐蚀通常在金属温度超过 200℃时开始发生，温度越高，腐蚀越快[1]；⑵合金元素：硫化物腐蚀取决于反应产生的保护性硫化物膜的钝化能力，氢的存在会破坏保护膜的稳定性，一般而言，Cr含量越高，耐硫化物腐蚀能力越强。合金中Cr含量低于7%～9%，耐腐蚀性能提高很少。⑶氢分压：存在明显的氢分压时，氢气环境下的高温硫化物腐蚀速率比无氢环境下的高温硫化物腐蚀高得多；⑷硫化氢分压：腐蚀速率随硫化氢分压的增加而增大。

3.6 碳酸盐应力腐蚀开裂

在含碳酸鹽溶液系统中拉应力和腐蚀介质共同作用下发生在碳钢焊接接头附近的表面开裂，它是一种特殊的碱应力腐蚀开裂。碳钢在高温下与水蒸气产生如下的化学反应：

3Fe+ 4H2O→Fe3O4+ 4H2

反应生成的Fe3O4覆盖在碳钢表面，形成一层保护膜。由于过高的局部拉伸应力会使局部区域的保护膜遭到破坏，在碳钢表面形成最初的腐蚀裂纹，碱溶液富集在裂纹中，形成电化学腐蚀。裂纹的尖端区域成为阳极，而裂纹周围的保护层成为阴极，再加上拉伸应力的作用，使裂纹迅速扩展，最终导致断裂。

碳酸盐应力腐蚀开裂常见于靠近焊缝的母材上，裂纹平行于焊缝扩展，有时也会在焊缝金属和热影响区发生。裂纹细小并常呈蜘蛛状网状，焊缝中的缺陷为开裂提供了局部应力集中。裂纹主要为晶间型，裂纹内一般会充满氧化物。

主要影响因素：⑴应力水平：碳酸盐应力腐蚀开裂可以在相对低的残余应力下发生，通常在没有经过应力释放的焊缝或冷加工的区域发生。⑵pH和碳酸盐浓度：随pH和碳酸盐浓度的增加，开裂敏感性增加。典型开裂组合条件有pH>9.0且CO2>100ppm，或8

400ppm或含水且硫化氢浓度为50wppm或更高，pH为7.6或更高。⑶当二氧化碳含量超过2%时，温度需高于93℃时就会发生开裂[1]。

4 预防和改善措施

4.1 表层设计

涂覆耐氧化耐腐蚀的表面保护层。以防止周而复始的氧腐蚀，从而避免壁厚的减薄。

4.2 材料设计

金属铬可形成保护性氧化物膜，铬含量的多少在一定程度上决定了金属的耐腐蚀的强弱。在合金中加入一定量的铬元素，可以大幅度的提高单质铁的耐氧化能力。铝和硅等其他合金元素也具有相同效果，但因其对力学性能不利，添加量应控制。如果铬含量未达到12%以上，增加钢中铬含量不能明显提高耐腐蚀能力。故一般选用多种合金混合添加。

4.3 工艺设计

对焊接接头（包括修补焊接接头和内、外部构件焊接接头）进行焊后消除应力热处理[3]。从而减少各种应力腐蚀开裂的可能性。

4.4 结构设计

（1）在设计过程中应尽量避免弯头等给水部位和较低能够积水部位的结构。

（2）在设计、制造、安装过程中应当把排污装置放在设备地势最低的部位，以便排污。