蒸汽冷凝水系统腐蚀问题之分析

冷凝水系统腐蚀原因分析

一般来说，开式蒸汽冷凝水系统碳钢管道的使用寿命只有4－5年，即使是比较耐腐蚀的铜质设备，实际使用寿命也难以达到设计要求。

蒸汽冷凝水化验结果表明，水中铁离子含量为0.5～1.5mg/L，铜离子含量为0.05～0.5mg/L，冷凝水的pH值一般为4～6左右。

上述现象及水质参数说明蒸汽冷凝水系统中腐蚀问题较为严重，造成系统腐蚀的原因如下：

1、氧腐蚀：凝水排放口和大气直接相通，故冷凝水可以吸收大气中的氧气。

冷凝水中氧腐蚀的形式是氧去极化腐蚀，其腐蚀产物随着载体材质的不同而不同。冷凝水的输送管道一般是钢制管材，其腐蚀产物是铁的氧化物，其反应方程式如下：阳极反应：Fe → Fe2+ + 2e （1-1）

阴极反应：O2 + 2H2O + 4e → 4OH-（1-2）

以上反应的产物Fe2+在水中会与相关物质进一步进行反应，其过程：

Fe2+ + 2OH-→ Fe(OH)2（1-3）

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2→ 4Fe(OH)3（1-4）

Fe(OH)2 + 2Fe(OH)3→ Fe3O4 + 4H2O （1-5）

以上腐蚀产物中，Fe(OH)2在有氧的条件下是不稳定的，可以转变为α-FeOOH、γ-FeOOH 或Fe3O4，α-FeOOH的颜色是黄色的，γ-FeOOH的颜色是橙色的，Fe3O4的颜色是黑色的；F e(OH)3是表示三价铁的氢氧化物，化学组成实际上并不像其化学式那么简单，常常是各种含水氧化铁的混合物，可以写成Fe2O3·nH2O或Fe2O3，Fe2O3又有α- Fe2O3和γ- Fe2O3之分，α- Fe2O3的颜色是砖红至黑色，γ- Fe2O3的颜色是褐色，受污染的冷凝水的颜色是红褐色，且腐蚀越严重，颜色越深，就是因为冷凝水中含有以上腐蚀产物。

冷凝水系统中铜质材料，在有溶解氧的存在下，产生以下氧化反应过程：

2Cu + O2＝ 2CuO （1-6）

一般情况下，铜氧化产生的氧化铜（CuO）为致密氧化膜，可以阻止氧化反应的进一步进行，但在酸性环境中，氧化膜溶解脱落：

CuO + 2H+ = Cu2+ + H2O （1-7）

铜的氧化反应和酸性溶解作用同时存在，最终造成铜质材料被腐蚀。

所以，同时存在碳钢和铜的蒸汽系统中，碳钢表面出现的溃疡腐蚀（点蚀），铜表面为均匀腐蚀。

2、冷凝水的酸腐蚀

冷凝水中的酸性物质主要是溶入冷凝水中的CO2形成弱电解质----H2CO3，H2CO3分解为H+和HCO3-。

CO2 + H2O = H2CO3 （2-1）

H2CO3 = H+ + HCO3-（2-2）

2.1 CO2的来源

低压锅炉一般使用经钠型阳离子树脂交换处理产出的软化水作为给水，软化水中的碱度（碳酸根离子，碳酸氢根离子）依然存在，碳酸根离子和碳酸氢根离子在蒸汽锅炉内发生变化：

2NaHCO3→ Na2CO3 + CO2 + H2O （2-3）

2.2酸腐蚀的机理

CO2进入蒸汽系统，当蒸汽被冷凝液化后，CO2溶入水后形成碳酸（H2CO3）。

H2CO3是一种弱酸，在水中电离的H+不多，但冷凝水是比较纯净的水，含盐量小，缓冲性差，即使像H2CO3这样的弱酸也会使PH值有较大的下降（见表一）。同时随着H+在腐蚀中不断消耗式2-2的电离平衡被打破，反应向右进行，不断电离出H+供腐蚀反应使用，直至H2CO3消耗完毕。

表一：蒸汽冷凝水中CO2含量对pH值的影响

CO2腐蚀的阳极反应和阴极反应方程式如下：

阳极反应：Fe → Fe2+ + 2e （2-4）

阴极反应：2H+ + 2e → H2（2-5）

CO2腐蚀的腐蚀产物是易溶的，不会沉积在金属表面，所以CO2腐蚀是均匀腐蚀，不会形成保护膜。

CO2不仅对铁产生腐蚀，同时对金属铜也会产生腐蚀，当只有CO2时，会对铜管产生脱锌腐蚀；当CO2和O2同时存在时，对铜管中的金属铜也会产生腐蚀（腐蚀机理参见式1-6和1-7），其腐蚀产物是易溶的Cu2+。

CO2对铜管的腐蚀主要发生在蒸汽冷凝水（疏水）液面上方的铜管表面，换热过程中，铜管内冷凝水液面上方管壁会形成一层过冷的水膜，这层水膜的水温比冷凝水的温度要低，大量的CO2溶入这层水膜中。实验表明：当热交换器中进汽中的CO2浓度为8mg/L时，疏水上方的铜管水膜中CO2的含量为500～600mg/L。再加上溶入的O2，对铜管产生严重腐蚀。

解决方案：

根据以上分析，对蒸汽冷凝水的回收过程需兼顾隔绝氧腐蚀和抑制酸腐蚀，详细技术方案请参考产品样本。