燃油锅炉是一种生产蒸汽或热水的换热设备，在燃油余热锅炉的运行过程中，在安全运行周期内经常出现水冷壁管、过热器管等管壁撕裂-爆管的现象，给用户带来很大麻烦和经济损失。为了找出爆管的原因，要对燃油锅炉运行的过程进行分析，锅炉的工作过程包括两个过程：即炉内过程和锅内过程。
　　一、炉内过程
　　炉内过程是燃料的燃烧过程和受热面外部烟气侧的炉内传热过程；燃料燃烧后生成的热量通过管壁传给在管内流动的工质使之成为过热蒸汽、饱和蒸汽或热水供给用户。其次，燃料燃烧后产生的烟气在炉膛、烟道中的管壁直接接触，产生的硫、钒以各种氧化物粘滞在管壁上，使金属管壁发生腐蚀。
　　锅炉管的氧化与腐蚀现象可分为两类，一类是在高温下普遍发生面壁厚的减薄是均匀的，属于这类的有高温氧化（烟气侧）与蒸汽腐蚀（蒸汽侧），它们使壁厚的减薄在温度计算时可用附加壁厚加以考虑。另一类是在一定条件下发生而壁厚的损伤为斑点或局部凹坑型、穿孔型及晶间型，属于这一类的有硫、钒、垢下腐蚀、氧腐蚀、氢损坏等它们对壁厚的损伤在强度计算中无法考虑，而这一类腐蚀最易使锅炉管发生爆裂失效，所以应采取适当的防护措施加以控制。根据锅炉管爆裂口的失效形式、腐蚀状况、燃烧用的燃料、介质工况等进行分析，可有以下几方面的因素使锅炉管发生爆裂失效：管子疲劳裂纹破坏、腐蚀疲劳破坏、燃料中硫、钒等腐蚀破坏。在燃油锅炉运行过程中，燃烧的燃料过程中均含有一定量的硫、钒，这些硫、钒就以各种形式存在于烟气中，使锅炉受热面元件及吊挂件、固定板等受到腐蚀。在不同的条件下，会产生不同型式的硫腐蚀、钒腐蚀现象。由于尚未燃尽的火焰直接冲刷到水冷壁管、过热器管，燃料的继续燃烧，消耗了大量氧气，在该处形成还原性或半还原性气氛，从而使水冷壁管、过热器管的外表面产生了硫腐蚀、钒腐蚀。燃料油中含硫、钒量越高，对锅炉腐蚀越严重。
　　下面是燃油锅炉在运行过程中发生故障后拍摄的一组图片
　　硫、钒的腐蚀一般均来自锅炉燃烧的燃料，由于燃料的燃烧产生的硫、钒与燃油锅炉管壁直接接触，还具有吸附作用，则造成的腐蚀破坏非常严重，主要发生在燃料的燃烧过程中。下面分别论述一下硫、钒腐蚀机理，其腐蚀反应过程如下：
　　（一）、硫的腐蚀
　　1.燃油锅炉的燃料油中含硫量很高，含硫的燃料油经过燃烧后，烟气中产生自由的硫原子，在还原性气氛中,由于没有过剩的氧,原子状态的硫能够单独存在,当水冷壁管的壁温约为350℃时,原子状态的硫将与管壁金属中的铁发生反应,生成硫化亚铁：
　　Fe+S→FeS
　　2.形成磁性氧化铁（Fe3O4）
　　上述反应产生的硫化亚铁（FeS），再缓慢氧化而生成黑色的磁性氧化铁（Fe3O4）。
　　3FeS+5O2→Fe3O4+3SO2
　　随着含硫量的增加，造成硫的腐蚀更严重。
　　硫在高温和低温均能发生硫腐蚀，硫是一种对锅炉运行十分有害元素。一般高温腐蚀发生在550～700℃的温度区间内，通常只发生在高温过热器管壁上。当管壁温度高于590℃时，腐蚀现象最为严重。
　　硫的低温腐蚀发生在露点以下，燃料中的硫在燃烧过程中大部分形成二氧化硫（SO2），但是其中很少一部分，在低温烟气中氧化，形成三氧化硫（SO3），三氧化硫与水蒸汽化合生成硫酸。如果锅炉对流受热面的管壁温度低于露点温度，硫酸就会凝聚在管子表面上，使金属腐蚀，如果烟气温度降到露点以下，硫酸就会凝聚在飞灰的颗粒上，形成酸性污物-酸垢。因此管壁温度愈低或烟气的露点温度愈高，则在锅炉低温受热面上愈易发生硫的低温腐蚀。
　　（二）、钒的腐蚀
　　燃油锅炉的燃料油中还含有一种有害元素钒，钒腐蚀是燃油锅炉中出现的另一种腐蚀现象，燃料油燃烧后产生的钒氧化物（V2O5）存在于油灰中，当它与高温金属接触时，就会破坏金属表面的氧化膜，使腐蚀过程加速发展。
　　3V2O5+4Fe→3Fe2O3+3V2O3
　　V2O3+O2→V2O5
　　Fe2O3+V2O5→2FeVO4
　　8FeVO4+7Fe→5Fe3O4+4V2O3
　　V2O3+O2→V2O5
　　这种有V2O5参与的金属氧化现象就是钒的腐蚀。钒腐蚀使原先金属表面生成的一层紧密的氧化膜Fe2O3变成多孔态的氧化膜，从而大大加速了腐蚀过程的发展。
　　钒的腐蚀现象只有在高温时，钒的氧化物熔化成胶态，粘着在元件壁面上，才会发生。一般温度高于590℃时，在有钠的氧化物存在时，钠的氧化物与钒的氧化物的比例Na2O/V2O5约为1：5时，腐蚀最为严重，甚至在较低温度时就会发生腐蚀现象。
　　二、锅内过程
　　锅内过程的好坏，严重影响的是锅炉运行的可靠性，锅炉受热面工作的可靠性，首先取决于管壁金属的温度工况，对于在正常壁温下锅炉钢管应具有足够的强度，当因水动力问题或传热恶化问题而使管壁温度超过容许值或使管壁温度长期波动时，锅炉钢管会因为金属强度下降或金属疲劳而破裂，由于热化学问题造成管内结垢或腐蚀而导致锅炉爆管漏泄事故。因为锅炉爆管的主要部位是水冷壁管和过热器管，下面对锅内过程进行分析，锅内过程是受热面金属与工质之间的传热过程、工质的蒸发与过热过程、工质的流动过程和工质侧的热化学过程。锅内过程包括：工质在管内流动时的水动力特性，即受热管和不受热管中的水、汽流动阻力，流动型式，流动的稳定性，汽水分离过程以及汽水两相的混合与分配等问题；水、汽单相流体在受热管内流动时的热交换过程以及管内汽水混合物的沸腾换热过程和传热恶化条件；工质侧的热化学问题，既蒸汽品质、盐分沉淀和管内结垢腐蚀等问题。
　　在锅炉运行过程中，随着炉膛温度的升高，在锅炉蒸发受热面中，工质一面在管内流动一面自管壁吸热，在达到工质沸点后即发生相变，产生蒸汽形成汽水混合物-汽液两相流体，在汽液两相流动中，汽液两相的流速是不同的，流动时两相的流动结构又是多种多样的，而且是带随机性的，在锅炉蒸发管中流动的则为两相流体的汽水混合物。随着管中工质热流密度的增大，各管中的工质沸腾点逐渐移向管子进口，各管中的流型逐渐由单相水、汽泡状流型、汽弹状、块状、带纤维的环状、环状、雾状流型一直发展到干饱和蒸汽和过热蒸汽流动。在受热管子中形成雾状流型时，工质含汽率增高，管壁液膜不断减薄，当管壁温度高到足以使管壁液膜汽化时，汽液两相流动结构就会发展到壁上无液膜，只有蒸汽流中还含有细小液滴的雾状流型。这种流型对于受热蒸发管而言是一种不安全的流型，由于管壁上无冷却液膜而蒸汽导热性能差，因而在工质流速不够高时导致热负荷较高，易引起管壁温度超过金属容许温度而导致管壁强度下降而失效。下面针对这几方面因素进行分析：
　　（一）、管子疲劳裂纹破坏
　　锅炉、余热炉、压力容器某些部件中，管子疲劳裂纹破坏是由于在反复加热和冷却的交变温度下，零部件内部便产生较大的热应力，由于热应力反复作用而产生的热疲劳破坏。还有材料本身和加工工艺的不同，造成的裂纹、滑痕、燃料油燃烧后产生的硫、钒腐蚀等缺陷的延伸和扩展，在交变载荷作用下，致使管材裂纹加速延伸和扩展。热疲劳破坏也是塑性变形累积损伤的结果，首先，炉膛中的热负荷是很不均匀的，因为炉膛中火焰的形状和充满度，火焰和烟气的温度场、速度场和燃烧产物的浓度场都是不均匀的，并且由于在结构上和运行上的原因造成各管热负荷不均匀。炉膛辅射受热面的热负荷沿炉宽、炉深和各炉墙间都存在不小的差别。锅炉炉膛烟气的温度场、速度场分布不均匀是造成受热面热负荷不均匀的主要原因。温度交变的作用除产生热应力外，还导致材料内部组织的变化，从而使强度和塑性降低。许多材料当温度循环超过某一值时，钢中的碳化物和其它强化相将发生熔入和再析出，使组织恶化，降低了热疲劳性能。其次，热疲劳时温度分布是不均匀的，在温度梯度大的地方，塑性变形大。这表明，热疲劳状态下的应力集中程度大。再者，当温度很高时，会导致由穿晶断裂向晶间断裂的过渡，这时裂纹扩展形态也发生较大的变化。高温元件的断裂往往都是由缺陷源的扩展引起的。在元件内总会存在着一定的缺陷或裂纹，在高温运行过程中，如果缺陷扩展到其临界尺寸，就会发生脆性断裂。最终导致管壁的破裂使锅炉发生爆管失效。
　　（二）、管子腐蚀疲劳破坏
　　燃油锅炉的管子腐蚀疲劳破坏，主要是由应力腐蚀裂纹和点腐蚀造成的，在循环载荷和腐蚀介质的共同作用下，金属材料受到腐蚀，受到腐蚀的地方致使金属材料产生腐蚀疲劳的破坏，导致管子腐蚀疲劳失效。
　　在燃油锅炉运行过程中，往往工质水含杂质较高，水处理不到位，这样对水循环产生不利的影响，由于水质或结构的原因造成局部区域介质的流速过慢产生蒸汽，管组的流量偏差、热负荷不均匀性或各管的吸热不均匀性引起的热偏差、热效流量偏差，在流量小或热负荷过高的管子中就有可能发生工质焓增过多、壁温度过高而损坏，由于过热器蒸汽温度高，过热器又处于较高烟温区，其受热面金属壁温一般已接近钢材容许温度，过热器各管吸热不均匀性较大，汽温高，容许热偏差值又小因此对流量偏差要求较严格，如果控制不当或锅炉运行不合理，则易产生蒸汽腐蚀而造成氢脆断裂。
　　洁净的水（或蒸汽）在很高温度下（约1000℃）才可能分解，但含有杂质的水（或蒸汽），又有促使分解的触媒剂铁，这种分解在较低温度下即可出现。蒸汽与高温区温度高于400℃的钢管壁接触时，将产生下列反应：
　　4H2O+3Fe→Fe3O4+8H
　　这样，在金属管子与蒸汽接触的表面便形成了Fe3O4氧化膜，这种现象就是蒸汽腐蚀。所形成的Fe3O4氧化膜在一定程度上会阻止蒸汽腐蚀的继续发展。但对于碳钢，在500℃以上，这种氧化膜基本上不能起作用了，影响蒸汽腐蚀的主要因素是温度。
　　蒸汽腐蚀主要发生在壁温较高的蒸汽过热器受热面管子和发生汽水分层或蒸汽停滞的蒸发受热面的管子等。由于蒸汽过热器管子结垢堵塞或受热偏差及水力偏差等原因，使管内工质流量减少导致管壁温度升高，流速下降时会发生明显的蒸汽腐蚀现象。在蒸汽腐蚀过程中产生的氢原子，如果不能较快地被蒸汽流带走，蒸汽腐蚀产生的氢渗入材料内部，就会溶入钢中。氢与材料中存在的缺陷有着强裂的交互作用，间隙原子都有向缺陷浓集的现象，一般温度愈高，则愈明显。唯有氢可在相当低的温度下向缺陷聚集的扩散能力。这就是在钢铁材料中氢表现出来的陷捕效应。氢向缺陷部位密集，形成氢在材料中的不均匀分布。在腐蚀介质（特别是含氢的介质）的作用下，首先发生表面吸附，导致金属材料表面的热力学动力学方面的变化和渗氢过程，腐蚀介质在金属材料的疲劳过程中促进了裂纹的萌生和扩展，则会造成氢脆断裂，导致锅炉管爆裂失效。如其容器内的工作介质是氢，更应注意所用钢材的抗氢性能。
　　为了防止锅炉元件产生蒸汽腐蚀，必须从结构上避免水力偏差和运行时避免蒸发受热面的汽水分层以及蒸汽过热器管壁的超温现象，设法消除蒸汽的停滞现象。
　　由于燃料油在燃烧过程中，产生的硫、钒使锅炉管壁造成硫、钒腐蚀是主要原因，加之锅内运行不确定因素造成的工质的停滞、汽泡积聚，在倾斜处汽水分层，通常不能保证管子的正常冷却，当上降管接入锅筒汽空间，则这种停滞现象表现为上降管中形成自由水位，自由水位上部空间的冷却更不好，汽水分层处和水循环停滞处均易产生碱性腐蚀。由于水汽比容不同产生了脉动，由于锅炉吸热量或水流量的变化引起了管间脉动，脉动在蒸发受热面中是必须避免的，当水流量脉动，管内水速接近于零时，壁温升高，后来当水流量再增加时热的管壁又被冷却，造成加热水段壁温波动，而且沸点也不断在变动。在沸腾区，管壁时而和水接触，时而和汽接触，使壁温因水和汽的传热条件不同而剧烈改变，在蒸发区段水流量的变化会使管壁上冷却水膜发生周期性破坏，造成周期性过热，因此发生脉动时由于金属温度周期性的波动，将产生疲劳的破坏。受热蒸发管中产生汽水混合物的脉动流动或汽水分层流动时发生腐蚀疲劳，在金属受到交变热应力并同时受到电化学腐蚀时，此时金属的疲劳极限大为降低，形成穿晶裂缝，发生穿晶腐蚀，极易发生爆管破坏。
　　以上是我对燃油锅炉腐蚀爆管产生的原因进行的分析，为了防止和减缓锅炉腐蚀造成的爆管失效，可采取如下措施进行预防：
　　1.在结构设计上注意水力偏差的发生，锅炉运行过程中严防受热面管温度过高导致过烧产生蒸汽腐蚀。在采购材料时限制钢材中氢的含量，可在钢中加入钼合金元素，以提高钢的抗蒸汽腐蚀性能，加入铌可有效地阻止钢的石墨化，提高抗氢性能，进一步提高钢的晶间腐蚀抗力。
　　2.为了防止和减缓硫对钢管的腐蚀，可在钢材表面做渗铝处理，可以大大提高钢材的耐热性以及对介质硫、H2S、SO2等的耐腐蚀性和对飞灰的耐磨性。
　　3.为了防止钒的腐蚀可加入添加剂，使之在油灰中形成高熔点的复合物。加入金属镁、氧化镁或白云石，在加入量上，使镁与钒分子比约为2：1时，能防止钒的腐蚀。氧化镁的含量愈高，熔点愈高。防止钒腐蚀的效果愈好。
　　参考资料：
　　1.锅炉原理及计算
　　2.锅内过程
　　3.锅炉与压力容器用钢
　　4.锅炉用钢及其焊接
　　5.焊接缺陷分析
　　
作者：锦州锅炉有限责任公司陈忠生高级工程师
　　毕业于锦州冶金机械大学机械设计与制造专业、西安交通大学压力容器设计与制造专业，八九年毕业后分配到技术部一直从事技术工作。

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