孙占远 王文娜 李晨硕 常荷茜

【摘 要】用耐候钢代替普通碳钢作为锅炉用材料，可以提高耐蚀性，延长锅炉的使用寿命。本文对比了耐候钢和碳钢在酸性、碱性、中性溶液介质下的浸泡腐蚀速度差异。结果表明：随着时间增长，两种材料的腐蚀速率总体为下降趋势，即最开始腐蚀的最快，随着腐蚀时间的增长腐蚀速率降低。在三种介质溶液中，耐候钢的腐蚀腐蚀速率均远低于普通碳钢。其中，在碱性介质中，耐候钢的腐蚀速率为普通碳钢的39.9%;在酸性条件下，耐候钢的腐蚀速率为普通碳钢的50.6%。

【关键词】浸泡腐蚀;耐蚀性;耐候钢;碳钢

一、序言

随着我国近年来对环保性和经济性的要求逐渐提高，对高性能的锅炉需求量越来越大。锅炉已经成为了人民生产和生活中广泛使用的特征设备。但是由于锅炉本身所处的工作环境恶劣：处在高温的工作环境、炉水的水质波动、燃煤中硫元素的含量等一系列因素都导致了锅炉中会经常出现腐蚀现象。

给水的酸碱性对锅炉的腐蚀影响很大[1];这种腐蚀分为两种情况：一种是碱腐蚀，另一种是酸腐蚀。碱腐蚀是指锅炉受热面表面有沉积物时，由于沉积物的传热性能比锅炉差很多，沉积物会使它下边的金属壁温度升高，使得沉积物与金属壁之间的炉水浓缩。此时又因为炉水pH过大会将金属的氧化保护膜溶解，电化学腐蚀加剧。酸腐蚀是指炉水中含有氯化镁（MgCl2）和（CaCl2）时，在沉积物下的氯化镁和氯化钙与炉水发生反应生成氢氧化镁和氢氧化钙以及盐酸，使得pH值下降，对钢材形成酸腐蚀，在实际运行过程中，很多供暖企业为了降低运行费用，采取锅炉低负荷输出、低温供水的运行方式。较低的供回水温度使得锅炉的受热面产生大量的冷凝水，冷凝水引起金属表面的氧腐蚀，碳酸蒸汽凝结液与金属接触会发生酸腐蚀[2]，还有在增加除锈剂时，也会造成酸性溶剂对锅炉材料的酸性腐蚀。碳钢在锅炉应用中耐腐蚀性较差，使用时间长时会出现问题，影响生产。一些公司选用了耐候钢来代替普通碳钢作为锅炉用钢。

耐候钢属于低碳钢和合金钢之间的一种低合金钢，是在碳钢的基础上添加了少量的铜、镍等耐腐蚀性元素而形成的，所以具有耐大气腐蚀的性能。它具有优质钢的延性、抗疲劳、成型等优点。本文对比了在不同酸碱介质中，耐候钢和碳钢的耐蚀性差异，为锅炉选材提供参考数据。

二、实验材料及方法

实验所选用的对比材料为碳钢和耐候钢，耐候钢的牌号为S355J2W，碳钢选用的牌号为Q245R。所用到的工具为电子天平，溶液有Na2CO3溶液，过滤后的纯净水以及除垢剂。

通过设置两种材料的对比实验，将每种材料做三组对比实验（腐蚀介质分别为酸性溶液，中性溶液，碱性溶液），整体分为六组。实验选取pH值为10-12的Na2CO3的碱性溶液用来模拟锅炉日常工作时的环境;选取过滤后的纯净水用来做空白对照;选取添加了以柠檬酸为主要成分的除垢剂用来模拟锅炉除垢酸洗时的环境。

首先锅炉工作时的pH值要求为10-12，选取了Na2CO3溶液作为模拟环境。添加Na2CO3的作用是：（1）能够有效的消除钙镁离子，降低水质的硬度。（2）在炉内压力作用下部分Na2CO3可以水解成NaOH，来保持锅水的碱度。过滤后的纯净水里边不含有杂质，用来模拟理想环境。而酸性条件的选取是由于锅炉在使用一段时间后，内部会出现不同程度的水垢，但是根据目前的研究状况来看，最好的水处理方法“三钠一胶”法防垢率可以达到80%左右，所以炉内的除垢仍然是必要的，而除垢时常用的是酸洗。除垢剂呈酸性，与锅炉基体易发生反应。根据文献报道，尽管酸洗时间只有几个小时，但是酸洗后仍会在锅炉基体上找到腐蝕的小坑。所以酸洗过程中的腐蚀也应该提起重视。

本实验采用对比实验法，1-3组为耐候钢，4-6组为碳钢，水浴温度是70℃。分别测量这两种钢材在72，168，288小时后的腐蚀程度。将浸泡达到时间的工件取出后应先将试样吹干，打磨去所有的表面锈蚀产物，再进行称重，得到腐蚀后的质量。电子秤可以精确到0.0001g。腐蚀速率的计算公式（1）如下：

X：腐蚀速率（mm/a）

ω1：试验前质量（g）

ω2：试验后质量（g）

87600：计算常数

A：试样表面积（cm2）

T：试验时间（h）

D：试样材质密度

其中，耐候钢的密度为7.85g/cm3，碳钢密度为7.81g/cm3。腐蚀速率的单位含义为毫米每年（mm/a）。

三、实验结果及分析

将各组试样分别经过72小时、168小时、288小时浸泡后取出，吹干，打磨去所有的表面锈蚀产物，称量实验后的质量，再根据公式计算出各组的腐蚀速率。

72小时组：在添加了除垢剂的两组中，试样表面有黑色的片状的腐蚀产物，在用水冲洗时该产物十分容易洗净。而另外四组则是在试样表面有黄色腐蚀物产生。

168小时组：自来水一组水质混浊，锈蚀产物散布在水质中，浸泡试件上锈蚀产物附着不多。Na2CO3碱性溶液一组，整体水质较为清澈，锈蚀产物附着在试样上，成片状;锈蚀产物颜色与自来水浸泡组相比较浅。而加入除垢剂的一组，水质颜色发黑，试样上的锈蚀产物为黑褐色，腐蚀产物附着厚度最厚（从腐蚀速率上也可得到印证）。但是除垢剂的加入可以使得锈蚀产物、水垢等附着强度减小。在称重前的打磨过程层中可以发现，锈蚀产物虽然厚度大，但是水一冲洗就会脱落。脱落后的试样表面，十分光洁。自来水一组和Na2CO3碱性溶液一组的腐蚀产物的附着强度则强一些。

经过计算可以得出72小时浸泡实验的腐蚀速率如表2所示：

由实验数据可以得出，耐候钢在碱性条件下腐蚀速率接近于低碳钢的42.3%，但在中性条件下的腐蚀速率接近低碳钢的16.0%，酸性条件下的腐蚀速率接近低碳钢31.8%。锅炉的主要工作条件是碱性环境（pH10-12），由此可以得出，在短时间内耐候钢比低碳钢具有更优的耐腐蚀性能。

168小时浸泡实验中样品的腐蚀速率如表3所示：

分别对比相同环境下，耐候钢和低碳钢的腐蚀速率可看出，在碱性条件下，经过168小时浸泡后，耐候钢腐蚀速率接近于低碳钢腐蚀速率的40.9%，在中性条件下，耐候钢的腐蚀速率仅为低碳钢的24.1%，在酸性条件下，耐候钢的腐蚀低于低碳钢，大概为低碳钢腐蚀速率的74.7%。

288小时浸泡实验中样品的腐蚀速率如表4所示：

分析实验数据可以得出，在碱性条件下，耐候钢的腐蚀速率接近于低碳钢的36.5%，在中性条件下，耐候钢的腐蚀速率仅为低碳钢的37.5%，在酸性条件下，耐候钢的腐蚀低于低碳钢，大概为低碳钢腐蚀速率的45.4%。有较好的的耐蚀性。

综合以上三种情况，取三次实验各种环境下的平均值可以得到，在碱性条件下，耐候钢的腐蚀速率接近于低碳钢的39.9%，在中性条件下，耐候钢的腐蚀速率仅为低碳钢的25.9%，在酸性条件下，耐候钢的腐蚀低于低碳钢，大概为低碳钢腐蚀速率的50.6%。有较好的的耐蚀性。

四、结论

综合浸泡72小时、168小时、288小时三个时间测得的数据。可以发现在碱性条件下耐候钢的最大腐蚀速率为0.1465mm/a，低碳钢的最大腐蚀速率为0.3463mm/a;中性条件下，耐候钢的最大腐蚀速率为0.2966mm/a，低碳钢的最大腐蚀速率为1.8499mm/a;酸性条件下，耐候钢的最大腐蚀速率为2.2707mm/a，低碳钢的最大腐蚀速率为5.4069 mm/a。在三种水质中碱性水质的工作情况下水垢附着的厚度最小、测得的腐蚀速率最慢。碱性条件下，耐候钢的腐蚀速率接近于低碳钢的39.9%，在中性条件下，耐候鋼的腐蚀速率仅为低碳钢的25.9%，在酸性条件下，耐候钢的腐蚀低于低碳钢，大概为低碳钢腐蚀速率的50.6%。

因为锅炉的主要工作环境是pH10-12之间，属于碱性环境，耐候钢在碱性环境下腐蚀速率很低，符合锅炉用钢的要求。又因为自来水中含有较多的钙、镁离子，容易形成水垢，需要使用酸性的除垢剂，耐候钢在酸性条件下的耐蚀性能远远优于低碳钢。由此可以得出，用耐候钢取代低碳钢作为锅炉材料是可行的。

【参考文献】

[1]刘炳伟. 锅炉钢材腐蚀破坏及机理研究[D].郑州大学，2013.

[2]程港，刘爽，赵雷，钱志博，肖玉龙.燃气热水锅炉烟气低温腐蚀的预防及锅炉直供系统设计探讨[J].工程建设与设计，2018（17）：87-89+92.

[3]王国平，王军明，刘委东，郭希柱.锅炉水冷壁垢下腐蚀分析及措施[J].齐鲁石油化工，2019，47（01）：53-56.

[4]程远鹏，白羽，郑度奎，李自力.X65钢在CO_2/油/水环境中的腐蚀特性试验[J].油气储运，2019，38（08）：863-869.