曾 娟，肖國光，余侃萍，鄧景衡

(長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

內陸核電站是內陸工業(yè)企業(yè)中的耗水大戶，其用于循環(huán)冷卻系統(tǒng)的水占核電站全部耗水量的95%以上［1］，減少循環(huán)水損耗的技術途徑是提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍率，但循環(huán)冷卻水的不斷濃縮，容易使系統(tǒng)產生結垢與腐蝕。當系統(tǒng)產生結垢或腐蝕時，會引起水冷設備換熱效率下降、管線阻力增大或管道系統(tǒng)腐蝕穿孔發(fā)生滲漏等［2］，影響核電站的核能利用效率和正常運行。因此，必須研究內陸核電站廠址附近水域的水質指標情況，考察其是否可以滿足核電廠對取水原水的水質要求及在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的結垢或腐蝕傾向，為桃花江內陸核電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的防腐及阻垢提供技術參考。

1 桃花江核電站廠址10 km 范圍水質指標

湖南桃花江核電站廠址位于湖南省益陽市桃江縣某鄉(xiāng)，資水右岸，下游，廠址所臨資江段水域屬于Ⅲ類功能區(qū)域。水質指標監(jiān)測取核電站取水口上游5km、3km、下游2km、10km 和取水口五個斷面，取全年監(jiān)測指標最劣時段數(shù)據(jù)(枯水期)。桃花江核電站10 km 范圍內水質指標見表1。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，資江桃花江核電站取水口段全年最劣水質指標均滿足《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838－2002)中的Ⅱ類水質標準［4］，廠址附近全年水質均優(yōu)于工業(yè)冷卻水現(xiàn)行國標［3］，滿足核電廠對取水原水的水質要求。

2 結垢腐蝕趨勢分析

2.1 結垢機理

結垢的原因多種多樣，包括沉淀、結晶、化學反應、腐蝕和微生物生長等，是各種因素綜合作用的結果［5］。冷卻水的結垢趨勢是決定腐蝕速率的主要因素，而Cl－和SO2－4的腐蝕則成為次要因素，因為碳酸鈣垢可以使金屬表面不直接與水中有害物質接觸，抑制腐蝕電極的反應過程。因此，在有碳酸鈣膜析出的循環(huán)水系統(tǒng)中，腐蝕不是主要問題。

表1 桃花江核電站廠址10 km 范圍內水質指標

2.2 水質判斷指數(shù)［6］

(1)Langlier 飽和指數(shù)。該指數(shù)是Langlier 據(jù)水中碳酸鹽平衡理論提出的描述碳酸鈣固體與含二氧化碳溶液之間平衡關系表達式，LSI =pH－pHs。判據(jù):若LSI ＜0，說明水中的碳酸鈣處于未飽和狀態(tài)，仍能繼續(xù)溶解，水具有產生腐蝕的趨勢;若LSI ＞0，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，水具有產生碳酸鈣沉積的趨勢;若LSI =0，水質處于穩(wěn)定狀態(tài)，既不結垢，也無產生腐蝕的趨勢。

(2)Ryznar 指數(shù)。該指數(shù)是根據(jù)飽和指數(shù)的含義并結合冷卻水的實際運行資料提出的穩(wěn)定指數(shù)，RSI=2pHs－pH。判據(jù):若RSI ＜6.0 時，形成水垢，RSI 越小，水質越不穩(wěn)定，結垢傾向越嚴重;若RSI =6.0～7.0 時，水質基本穩(wěn)定;若RSI ＞7.5～8.0 時，出現(xiàn)腐蝕，RSI 越大，腐蝕越嚴重。

(3)Larson－Skold 指數(shù)。Larson 指數(shù)是Larson和Skold 教授在研究水對碳鋼腐蝕時總結出來的。Larson 指數(shù)= (Cl－+ SO2－4)/(HCO－3+ CO2－4)。判據(jù):若Larson 指數(shù)＜0.8，氯離子和硫酸根離子不太會破壞碳鋼成膜;若0.8 ≤Larson 指數(shù)≤1.2，氯離子和硫酸根離子有可能會破壞碳鋼成膜，有一定的腐蝕性;若Larson 指數(shù)＞1.2，隨指數(shù)的增加，發(fā)生嚴重局部腐蝕的傾向更加明顯。

Langlier 飽和指數(shù)和Ryznar 指數(shù)都是以碳酸鈣的溶解平衡作為判斷依據(jù)，在一般情況下，利用這兩種指數(shù)得出的結論基本相同;但是，Langlier 飽和指數(shù)的理論性較強，而Ryznar 指數(shù)是一個經驗指數(shù)，具有較強的實用性，因此，在實際生產過程中配合應用這兩種指數(shù)，更有助于判斷水的結垢和腐蝕傾向。

2.3 結垢趨勢預判

根據(jù)水質分析資料，分別計算Langlier 飽和指數(shù)、Ryznar 指數(shù)和Larson 指數(shù)，對不同濃縮倍率下，資江水體作為循環(huán)冷卻水的結垢與腐蝕趨勢進行預判，結果見表2。

表2 不同濃縮倍率下循環(huán)冷卻水結垢與腐蝕趨勢判斷

從表2可知，核電站取水口段水體作為循環(huán)冷卻水在濃縮1.0 倍時，碳酸鈣和硫酸鈣在水體中趨向穩(wěn)定，而循環(huán)水中存在的Cl－和SO24－對管道產生輕微的腐蝕，而隨著濃縮倍率的增加，冷卻水中離子濃度相應增加，碳酸鈣和硫酸鈣等在管道上形成垢層，阻隔了具有腐蝕作用的Cl－和SO24－與管壁的接觸［7］，因此，濃縮倍率越高，結垢現(xiàn)象越嚴重。

3 結垢腐蝕趨勢判斷

3.1 廠址臨近水域水體腐蝕性能的測定

廠址臨近水域水體腐蝕性能的測定采用旋轉掛片試驗，具體試驗方法參考《水處理劑緩蝕性能測定－旋轉掛片法》(GB/T 18175－2000)［8］。掛片材料選用不銹鋼片和銅片，試片大小4×3 cm2，掛片直徑4 cm，試驗結果見表3。

表3 核電站循環(huán)冷卻水補充水旋轉掛片試驗結果

從表3可知，當循環(huán)冷卻水補充水的濃縮倍率為1.0 時，銅片與不銹鋼片均產生輕微的腐蝕，其中銅片腐蝕速率大于不銹鋼片腐蝕速率;隨著濃縮倍率的上升，銅片與不銹鋼片腐蝕速率為零［9－10］。

3.2 廠址臨近水域水體結垢性能的測定

廠址臨近水域水體結垢性能的測定采用靜態(tài)阻垢試驗［11］。試驗方法如下:選定核電站取水口水為試驗水樣，在32 ℃和50 ℃的試驗溫度下分別蒸發(fā)濃縮至1.0～5.0 倍，達到pH 值升高和鈣離子及碳酸氫根離子濃度增加的目的，恒溫靜置10 h 后，取上清液經0.45 m 濾頭過濾，分析測定濾液中鈣離子的含量，以評定水樣在不同溫度及濃縮倍率的結垢性能，試驗結果見表4。

表4 在不同濃縮倍率下的靜態(tài)阻垢試驗結果

結果表明，在32 ℃和50 ℃試驗溫度下濃縮倍率在1.0 時，阻垢效率為100%和99.7%不會結垢，而隨著濃縮倍率的增加，其阻垢效率逐漸降低，結垢現(xiàn)象越來越嚴重，直至濃縮倍率為5.0 時，水樣中有30.4%的Ca2+以CaCO3和CaSO4晶體的形態(tài)附著在容器壁和形成沉淀析出。

4 結語

(1)桃花江核電站取水口段全年最劣水質指標均滿足《地表水環(huán)境質量標準》中Ⅱ類水質標準。

(2)用Langlier 飽和指數(shù)、Ryznar 指數(shù)和Larson指數(shù)對核電站不同濃縮倍率下的循環(huán)冷卻水的結垢和腐蝕趨勢進行預判，與實際核電站取水口水質結垢與腐蝕試驗結果一致。

(3)濃縮倍率為1.0 時，核電站取水口段10km范圍內水體對銅片和不銹鋼片產生輕微腐蝕，而隨著濃縮倍率的增加，結垢趨勢越來越嚴重。

(4)為了控制水體腐蝕，必須使Langlier 飽和指數(shù)＞0，同時又要防止嚴重結垢，因此，循環(huán)水冷卻濃縮倍率宜在2.0～3.0 之間。為了保證機組安全運行，建議可通過對循環(huán)冷卻水進行加酸或投加阻垢劑處理，適當提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍率。

［1］于 寧.我國核電站近岸水域環(huán)境功能區(qū)若干問題研究［D］.青島:中國海洋大學，2010.

［2］丁兆勇，王秀梅.凝汽器冷凝管的腐蝕與防護［J］.節(jié)能與環(huán)保，2009，(5):56－59.

［3］GB 50050－2007，工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范［S］.

［4］GB 3838－2002，地表水環(huán)境質量標準［S］.

［5］吳靜然，陳穎敏.火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中沉積物控制的研究［J］.廣州化工，2009，37(1):142－144.

［6］祝 歡，陳穎敏，寇利卿，等.循環(huán)冷卻水濃縮倍率對凝汽器管路的腐蝕和結垢趨勢［J］.電力環(huán)境保護，2009，25(4):52－54.

［7］張新英.循環(huán)冷卻水中氯離子的腐蝕影響探析［J］.聚酯工業(yè)，2012，25(2):32－35.

［8］GB/T 18175－2000，水處理劑緩蝕性能測定—旋轉掛片法［S］.

［9］安 洋，徐 強，吳子濤，等.模擬循環(huán)冷卻水中幾種離子對碳鋼腐蝕的影響［J］.電鍍與精飾，2011，33(4):35－38.

［10］楊培燕，張繼恒，顧寶珊，等.循環(huán)水管道腐蝕原因分析［J］.生產實踐，2011，25(2):23－29.

［11］張 強，鄭敏聰.電廠循環(huán)冷卻水阻垢緩蝕劑篩選及評價研究［J］.安徽電力，2007，24(3):16－18.