張 魏，胡建國(guó)，田 旭

（1.江西省電力設(shè)備總廠，江西南昌 330100 2.柘林水電廠，江西九江 332000 3.江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

凝結(jié)水系統(tǒng)是火力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，該系統(tǒng)的運(yùn)行情況直接影響到整個(gè)機(jī)組的熱效率。凝結(jié)水系統(tǒng)中銅鐵的氧腐蝕不僅會(huì)直接造成設(shè)備腐蝕損壞，使其壽命減短，甚至造成管道、水箱等穿孔泄漏，且腐蝕產(chǎn)物被工質(zhì)帶到后續(xù)設(shè)備中[1]，在熱負(fù)荷高的受熱面上沉積，可能造成管道的局部過(guò)熱，甚至爆管，后果嚴(yán)重，給電廠帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

溶解在水中的氣體對(duì)熱力設(shè)備的危害主要有以下兩個(gè)方面，其一，在熱力設(shè)備工作條件下不發(fā)生相變的氣體會(huì)影響能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的傳熱效果，增加機(jī)組的不可逆損失。其二，以氧為主體的熱力設(shè)備金屬的腐蝕作用會(huì)大大縮短設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的可靠性，甚至導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的事故。尤其以直接空冷機(jī)組為最，該類機(jī)組長(zhǎng)期在凝結(jié)水含氧量高、過(guò)冷度大的情況下運(yùn)行，不僅降低熱經(jīng)濟(jì)性，而且產(chǎn)生一些不利影響，即加快凝結(jié)水系統(tǒng)的氧化腐蝕和酸腐蝕，降低凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)備及管道的使用壽命，增加鍋爐給水的含鐵量，加快鍋爐受熱面的結(jié)垢速度，降低鍋爐效率，進(jìn)而影響到鍋爐的安全運(yùn)行。因此，對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)氧腐蝕特征及其防護(hù)方法具有重要意義。

1 凝結(jié)水系統(tǒng)的氧腐蝕

某電廠機(jī)組配有N7250-4型表面式凝汽器，裝有d 25 mm×1 mm的HSn70-1黃銅管，凝汽器冷卻面積為7 250 m2,冷卻水量為20 000 t/h，冷卻水系統(tǒng)為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，該機(jī)組在投入運(yùn)行1年后，發(fā)現(xiàn)凝汽器泄漏，進(jìn)行停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)腐蝕嚴(yán)重。如圖1所示，管道表面嚴(yán)重起皮，形成的鐵氧腐蝕產(chǎn)物附著在管壁，疏松且多孔，易剝落。

圖1 熱阱-凝結(jié)水泵母管的腐蝕

而在汽側(cè)彎管處，由于腐蝕嚴(yán)重，造成管道穿孔，如圖2所示，在進(jìn)出口室處的檢查發(fā)現(xiàn)，金屬表面出現(xiàn)較多的鼓包，而在這些鼓包的氧腐蝕產(chǎn)物剝落后，呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)腐蝕坑。

圖2 汽側(cè)及進(jìn)出口室的腐蝕

如圖3所示，而凝結(jié)水母管處，氧腐蝕產(chǎn)物板結(jié)在整個(gè)管道處，但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物逐漸在金屬表面起層，剝落，從剝落處可以看出腐蝕產(chǎn)物下的金屬出現(xiàn)了明顯的腐蝕坑。

圖3 凝結(jié)水母管的氧腐蝕

1.1 氧腐蝕的過(guò)程及特征

根據(jù)腐蝕電化學(xué)的基本原理，在鐵-水體系或銅-水體系中，氧有雙重作用：它可以作為陰極去極化劑，參加陰極反應(yīng)，使金屬的溶解加快，起著腐蝕劑作用；它也可以作為陽(yáng)極鈍化劑，阻礙陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行，起著保護(hù)作用。

對(duì)于凝結(jié)水系統(tǒng)中的鋼鐵管件來(lái)說(shuō)，當(dāng)表面保護(hù)膜存在缺陷時(shí)，暴露的金屬基體與有溶解氧的水相接觸，會(huì)形成腐蝕微電池，其中暴露的金屬基體為陽(yáng)極，而帶有保護(hù)膜的金屬表面為陰極[2]。其電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

這樣，基體金屬逐漸被溶解，表面形成微小腐蝕坑。而蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)生的Fe2+不斷向外擴(kuò)散，并在坑口附近被水中的溶解氧所氧化，生成Fe3O4、Fe2O3或FeOOH等次生腐蝕產(chǎn)物。由于這些次生產(chǎn)物在蝕坑口堆積，形成閉塞腐蝕電池[3]，這樣水中的溶解氧難以進(jìn)入蝕坑，而坑內(nèi)由于水解產(chǎn)生H+、且水中含有游離的CO2時(shí)，將導(dǎo)致pH值偏低（酸化），促進(jìn)了蝕坑外鐵的溶解，蝕坑逐漸向縱深發(fā)展，直至腐蝕穿孔。

而閉塞電池腐蝕的發(fā)生需要以下條件。第一，能夠組成腐蝕電池，由于管道表面電化學(xué)不均勻性，可以組成腐蝕電池，陽(yáng)極反應(yīng)為鐵的離子化，生成的Fe2+會(huì)水解使溶液酸化，陰極反應(yīng)為氧的還原。第二，可以閉塞電池。腐蝕反應(yīng)的結(jié)果產(chǎn)生鐵的氧化物，所生成的氧化不能形成保護(hù)膜，卻阻礙氧的擴(kuò)散，腐蝕產(chǎn)物下面的氧在反應(yīng)耗盡后，得不到補(bǔ)充，形成閉塞區(qū)。第三，閉塞區(qū)內(nèi)繼續(xù)腐蝕。鋼變成Fe2+，并且水解產(chǎn)生H+，O2在腐蝕產(chǎn)物外面蝕坑的周圍還原成為陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-。

鋼鐵發(fā)生氧腐蝕時(shí)，在金屬表面形成許多鼓包，鼓包由各種氧腐蝕產(chǎn)物組成，呈黃褐色至磚紅色，直徑從1~30 mm不等，去除氧化物后，可以看到金屬表面是一個(gè)個(gè)腐蝕坑。

而對(duì)于凝結(jié)水系統(tǒng)的銅管來(lái)說(shuō)，銅管在與水接觸時(shí)，銅會(huì)發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)而直接氧化，當(dāng)凝結(jié)水中有CO2存在而使凝結(jié)水偏酸性，在有氧的情況下，其腐蝕速度會(huì)大大加快。其氧化層的形成與鐵不同。當(dāng)有氫離子和氧存在時(shí)都會(huì)被腐蝕，形成氧的點(diǎn)蝕[4]。

或者在堿溶液中：

在鐵表面會(huì)形成完整的氧化層，而銅和銅合金形成的氧化層是多孔和有孔隙的，允許水、氧、和銅離子進(jìn)入形成金屬的表層。遷移進(jìn)入銅氧化物的量取決于同氧化膜的厚度[5-6]。當(dāng)氧化層厚度增加時(shí)，銅氧化速率減慢。當(dāng)氧化層變厚，外層將會(huì)作為銅氧化物的一部分而脫落。由此產(chǎn)生的氧化層是比鐵更具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。溶解性的銅離子和顆粒性的銅氧化物可以通過(guò)常規(guī)的氧化反應(yīng)形成。

1.2 氧腐蝕的影響因素

1.2.1 溶解氧濃度

在發(fā)生氧腐蝕的條件下，氧濃度的增加，能加速電池反應(yīng)。因此，在凝結(jié)水系統(tǒng)中，含氧量的濃度越高，系統(tǒng)內(nèi)氧腐蝕就越嚴(yán)重。

1.2.2 pH值

鈍化的鐵和銅氧化物的穩(wěn)定性主要取決于凝結(jié)水的pH值。凝結(jié)水系統(tǒng)中任何污染物引起的pH值的下降都能引起氧化物的溶解和增加腐蝕的發(fā)生。而凝結(jié)水系統(tǒng)中，CO2的存在是使pH值降低的主要原因，二氧化碳在空氣滲漏到凝汽器中時(shí)會(huì)進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，增加了給水的氫離子濃度降低了pH值，如下所示：

使得鋼鐵表面難以形成氧化膜，氧腐蝕與酸性腐蝕同時(shí)發(fā)生，鋼的腐蝕加劇[7]。

1.2.3 離子

水中離子成分對(duì)腐蝕速度的影響也很大，當(dāng)凝汽器發(fā)生泄漏時(shí)，水中H+、CL-、SO42-對(duì)鋼鐵表面的氧化物保護(hù)膜具有破壞作用[8]，因此，隨著這些離子濃度的升高，氧腐蝕的速度增大，尤其是CL-對(duì)金屬表面的鈍化膜破壞性較大，會(huì)促進(jìn)金屬的點(diǎn)蝕。因此，為了防止凝結(jié)水系統(tǒng)的氧腐蝕，必須要嚴(yán)格控制凝結(jié)水的純度。

1.2.4 溫度

在敞口系統(tǒng)中，水溫升高可以起兩方面的作用：一方面可以使水中氧的溶解度降低，它將降低氧的腐蝕速度；另一方面，又使氧的擴(kuò)散速度加快，使氧的腐蝕速度增加，這兩方面究竟哪一方面起主要作用，取決于溫度的高低。研究表面，在80℃以下時(shí)，氧擴(kuò)散速度加快的作用超過(guò)了氧溶解度降低所引起的作用，所以，水溫升高，腐蝕速度上升。在80℃以上，氧的溶解度下降迅速，它對(duì)腐蝕的影響超過(guò)了氧擴(kuò)散腐蝕增快所產(chǎn)生的作用，所以，水溫升高，腐蝕速度下降。

溫度對(duì)腐蝕表面和腐蝕產(chǎn)物的特征也有影響，常溫氧腐蝕的蝕坑面積大，腐蝕產(chǎn)物松軟；而高溫氧腐蝕的蝕坑面積小，腐蝕產(chǎn)物堅(jiān)硬。

1.2.5 流速

通常條件下，水的流速增大，擴(kuò)散層厚度減小，鋼鐵的腐蝕速度提高。但當(dāng)水流速增大到一定值時(shí)，可能會(huì)促進(jìn)鋼鐵的鈍化，同時(shí)，因水流可以把金屬表面的腐蝕產(chǎn)物或沉積物沖走，使之不能形成閉塞電池，氧腐蝕速度會(huì)有所下降。如果流速進(jìn)一步增大，到一定程度時(shí)，腐蝕速度會(huì)出現(xiàn)陡增，這主要是由于水的沖刷破壞了鋼表面的鈍化膜，形成另一種形態(tài)的腐蝕，促使腐蝕加速。

2 主要防護(hù)措施

從凝結(jié)水氧腐蝕的影響因素可知，防止氧腐蝕可采取下列措施：

1）嚴(yán)格控制凝結(jié)水的純度，尤其是直流鍋爐，對(duì)于超臨界直流鍋爐來(lái)說(shuō)，其處理后的凝結(jié)水電導(dǎo)率必須≤0.2μS/cm，因此，必須要對(duì)全部的凝結(jié)水進(jìn)行凈化處理[9]，完全去除進(jìn)入蒸汽凝結(jié)水中的雜質(zhì)，這些工作主要由去除不溶性微粒的設(shè)施完成，如各類前置過(guò)濾器和去除溶解性雜質(zhì)的化學(xué)除鹽裝置。

2）控制水中溶解氧的濃度，促使鋼表面形成良好的鈍化膜。要解決凝結(jié)水中溶解氧超標(biāo)的問(wèn)題，主要從以下幾個(gè)方面著手。

（1）凝結(jié)水中溶氧超標(biāo)多是由于凝汽器真空系統(tǒng)泄漏所致，因此，定期對(duì)凝結(jié)水真空系統(tǒng)進(jìn)行檢修、維護(hù)，加大對(duì)凝汽器真空系統(tǒng)有關(guān)部位泄漏的監(jiān)督，并采取防泄漏措施[10]，如在凝結(jié)水泵盤根槽內(nèi)加裝密封水環(huán)，引凝結(jié)水母管壓力作為外密封、在熱井上部加裝濾網(wǎng)等。

（2）凝結(jié)水箱增加除氧裝置。例如直冷發(fā)電機(jī)組中，在凝結(jié)水箱上部增設(shè)除氧塔，空冷凝結(jié)水的下降管和補(bǔ)水管接至除氧塔，并在水管處布置一定的角鋼，水通過(guò)角鋼，充分散開，增加水流面積，提高除氧效果，進(jìn)一步的減少了凝結(jié)水中的溶氧。

（3）凝結(jié)水儲(chǔ)罐的改造。在對(duì)凝結(jié)水儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在儲(chǔ)罐上方增設(shè)一個(gè)蓋子來(lái)減少與空氣的接觸，并在儲(chǔ)罐中加一個(gè)蒸汽加熱的線圈來(lái)提高凝結(jié)水的溫度，來(lái)降低氧的溶解性。

3 結(jié)論

凝結(jié)水系統(tǒng)中，當(dāng)金屬表面保護(hù)膜不完整時(shí)，在水中溶氧的作用下發(fā)生氧腐蝕，而游離的二氧化碳將會(huì)促使腐蝕加劇，形成鼓包，導(dǎo)致設(shè)備損壞，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)作，通過(guò)對(duì)水的純度及水中溶氧的控制來(lái)防止凝結(jié)水系統(tǒng)的氧腐蝕。

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