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首页 > 2015年全国煤炭生产行业腐蚀调查 > 腐蚀状况
- 煤炭生产行业腐蚀特征
我国煤炭生产主要是地下开采，地下煤矿数量约占98%.煤矿井下相对湿度高，井下水酸、碱、盐等含量大，以及有害气体在水中的溶解为电化学腐蚀过程提供了导电性良好的介质。由于工作需要，井下通风量大，供氧充分，为阴极反应的进行提供了有利条件。煤炭开采过程中频繁的磨擦磨损也大大加速了金属构件的腐蚀进程。我国部分矿井腐蚀调查和实验室模拟试验结果表明，钢铁在井下的单侧年平均腐蚀深度为0.2~1.2毫米，为海洋环境中钢铁腐蚀程度的2~3倍。
从腐蚀环境特征分析，煤炭行业腐蚀主要分为空气腐蚀和矿井水的腐蚀。由于井下空气中含有的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、二氧化硫和硫化氢等气体具有较高的湿度和温度，材料遭到的腐蚀比“城市大气”还要严重。研究表明，当空气中的相对湿度高于60%时，由于毛细管凝结和吸附等作用，水蒸气会在金属表面形成水膜。二氧化硫等气体的溶入不但增加了液膜的导电性能，而且由于溶液呈酸性更加速了腐蚀。由于二氧化硫和氧的共同作用使铁转变成易溶的Fe3SO4,后者进一步氧化并水解为硫酸，再与铁反应，从而加速了腐蚀反应的进行。
表1 煤矿井下大气的腐蚀作用
由于煤矿当地岩层的地质年代、地质结构、岩石性质、各种煤系伴生矿物成分、所在地区的环境条件不同，全国煤矿矿井水水质区别很大。西南和南方部分煤矿由于煤层含硫量为2%~9%,其矿井水大都为酸性矿井水（pH<5.5），而北方煤矿的矿井水一般中性或弱碱性，但少部分矿区由于煤层含硫量较高（例如乌达、铜川、枣庄、淄博、义马等），其矿井水也呈酸性。我国煤矿矿井水实际上大多呈中性或弱碱性，煤炭设备在该种环境下的腐蚀多为氧去极化腐蚀。此外，高矿化度矿井水中Ca2+、Mg2+、SO4-、HCO3-等在金属设备表面吸附形成水垢，造成了该部分钢铁基体电解质溶液处于相对封闭的环境（闭塞区）中，在中性或碱性环境下，氧去极化腐蚀的阴极过程对氧气不断消耗，造成垢下钢铁基体表面电解质溶液中氧含量较低，形成了“氧浓差电池”加快垢下区域钢铁材料腐蚀速度。
由于潮湿，电解质丰富等特殊环境特点，造成矿井设备，露天开采设备以及洗选设备具有不同的腐蚀特点。
煤矿矿井主要分为井筒和巷道两部分，井筒分为主井、副井、和风井等。煤炭行业腐蚀的设备主要以井筒装备腐蚀为主，它包括罐道、罐梁、梯子间、管路、电缆、井底金属支撑结构，以及托管梁、电缆支架、过卷装置等。煤矿井筒装备是矿井井筒提升、排水、采掘、运输的固定钢铁装置，是矿井的咽喉部分。它深埋于地层中，含介质、水质及其变化会对井壁混凝土产生腐蚀破坏。由于复杂的地质条件和环境因素，在服役过程中既承受荷载作用，又经受着有害环境的化学作用。由于力学过程与化学过程的双重和多重破坏作用，致使大量井壁结构过早失效。究其原因是由于力学作用诱发结构内部的力学损伤，而环境化学作用则进一步诱发材料化学演变，加速金属构件的腐蚀失效。目前我国煤矿井筒装备使用寿命平均为15年左右，腐蚀严重的地区还不到十年。据此推算，我国煤炭系统井筒装备因腐蚀而消耗的钢材约达4.5万吨左右，相当于新建年产50矿井的钢材用量。基于结构强度要求，大部分罐道均由普通碳钢制造，罐笼采用铝制构件或钢、铝混合结构。
煤炭的洗选设备主要包括厂房大梁、离心机、皮带支架、中煤筛、煤矸石支架、绞车，以及各类溜槽、煤仓、安全跨线桥和反射炉烟筒等。洗选煤的主要工序是处理煤和水的两相介质，有着不同程度的相对运动，包含电解质、溶解氧、水、磨损作用等，是一个极其苛刻的腐蚀环境。
洗选时洗煤厂厂房的腐蚀是造成损失和安全隐患的主要部分。该洗煤厂厂房钢结构腐蚀严重（如图1），不可小觑。
图1某洗选厂整体腐蚀状况
螺栓紧固件部位腐蚀程度分级为非常严重，钢结构整体分级为严重；从调查的某洗选厂桁架钢结构的整体状态来看，腐蚀最严重、隐患最大的当属单螺栓紧固件（如图2）。
图2 单螺栓紧固件腐蚀情况
焊接过程由于是一个不均匀的加热和冷却的过程，这种过程必然会造成热影响区组织和性能的不均匀性。也正是这种组织和性能的不均匀性更加容易造成钢结构的腐蚀；从图3可以看出：桁架钢结构焊缝腐蚀程度分级为严重，腐蚀严重，腐蚀部位主要集中在焊缝上和焊缝周围的应力集中区域。底层锈层呈黑色，表层锈层呈红褐色。
图3 桁架钢结构焊缝腐蚀情况
从图4可以看出：桁架支撑梁腐蚀程度分级为严重，腐蚀主要集中在工字梁水平方向容易积水处和边缘部分，腐蚀产物起层，锈层厚度超过3mm,部分锈层已剥离。
图4 桁架支撑梁腐蚀情况
洗煤厂洗选设备运转时，工作期间温度比检修期间，空气温度平均升高约10℃左右。统计结果表明，在其它条件相同时，气温越高，腐蚀速度一般也较大。气温剧烈变化也影响大气腐蚀。例如工作期间和停车检修之间有温度变化，当停车检修期间温度下降，由于金属表面温度低于空气温度，使大气中水蒸汽结露凝结在金属表面上，这样就加速了腐蚀。调查报告显示，停车检修期间的3~5个小时内，设备表面煤粉要水洗去除，长时间的水洗使车间内空气湿度上升。一般讲空气中湿度越大，金属表面结露越容易，表面上的电解液膜存在的时间也越长，腐蚀速度也相应增加。各种金属都有一个腐蚀速度开始急剧增加的湿度范围，使金属大气腐蚀速度开始急剧增加的大气相对湿度称为临界湿度。钢铁的临界湿度约在50%~70%之间。当相对湿度达60%以上时，钢的腐蚀量就急剧上升；而小于60%时腐蚀量很小。而此洗选厂的湿度基本上都保持在60%以上，有的甚至超过了100%,所以，水对腐蚀进程的促进作用是巨大的。器械工作废气排出的硫化物、氮化物、CO、CO2等，也有来自荡起的煤粉尘以及其它固体颗粒，对金属大气腐蚀影响较大。另外，空气中通常称为灰尘的固体微粒杂质也能加速腐蚀。