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(哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

2016年初，國內(nèi)某電廠2×660 MW超超臨界機(jī)組工程間接空冷塔空冷器(間接空冷器)在運(yùn)行近1個(gè)月時(shí)出現(xiàn)泄漏，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員觀察，發(fā)現(xiàn)在鋁管束入口端空氣側(cè)個(gè)別鋁管根部發(fā)生破壞，導(dǎo)致冷卻水泄漏。拆下管束入口端管箱，發(fā)現(xiàn)水側(cè)個(gè)別鋁管端部也發(fā)生破壞。發(fā)生破壞的鋁管均集中在距離管箱入口較近的區(qū)域，而距離管箱入口較遠(yuǎn)的鋁管未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋁管破壞形式進(jìn)行觀察分析，判斷是由于鋁管內(nèi)局部發(fā)生腐蝕所致。

1 鋁管規(guī)格及成分分析

鋁管規(guī)格為25 mm×1 mm(直徑×壁厚)，材質(zhì)為1050，管束內(nèi)外表面經(jīng)無鉻氧化處理增強(qiáng)其耐蝕性。按照GB/T 3190—2008 《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》對(duì)鋁管進(jìn)行了成分分析(結(jié)果見表1)，所測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 鋁管化學(xué)成分分析結(jié)果 w,%

2 冷卻水水質(zhì)檢測(cè)

在鋁管束發(fā)生泄漏后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)循環(huán)水進(jìn)行了pH值檢測(cè)，達(dá)到9.5。2個(gè)月后取冷卻水水樣委托某環(huán)境科技公司進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果顯示，1號(hào)機(jī)組循環(huán)水的pH值與電導(dǎo)率分別為8.44和14.0 μS/cm；2號(hào)機(jī)組循環(huán)水的pH值與電導(dǎo)率分別為8.24和33.6 μS/cm。

此外，打開管箱后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部殘留焊渣、焊藥皮、沙粒等雜物，管板上也殘留有沙粒。鋁管束在制造過程中經(jīng)過無鉻氧化和整體循環(huán)沖洗，其內(nèi)部是不會(huì)有這些雜質(zhì)存在的。判斷這些雜質(zhì)是在焊接裝配鋼制管路時(shí)殘留在管道內(nèi)，由循環(huán)冷卻水帶入鋁管束內(nèi)部的。

3 管束入口管箱內(nèi)流體流動(dòng)模擬

從鋁管發(fā)生破壞部位的分布情況看，鋁管破壞的部位集中在距管箱入口較近區(qū)域，因此，要考慮管束內(nèi)冷卻水的流動(dòng)對(duì)鋁管的影響。處于流體環(huán)境中，金屬表面與流體之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，能破壞金屬表面氧化膜、剝離腐蝕產(chǎn)物，從而加大了腐蝕速率。流體速度在金屬腐蝕中也起到重要作用，不同流速對(duì)金屬腐蝕影響不同[1]。

為掌握管束入口管箱內(nèi)的流場(chǎng)、流動(dòng)參數(shù)的分布及數(shù)值大小，從定性和定量的角度去分析管束入口端局部破壞是否由流體流動(dòng)所造成的，采用ANSYS軟件對(duì)管束入口管箱建模進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

管束為4排管2管程，取入口管箱半側(cè)建立計(jì)算模型,見圖1。主要的管束內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)見表2。

按表2中的數(shù)據(jù)對(duì)入口管箱的速度入口邊界條件進(jìn)行賦值，并設(shè)置基管的各個(gè)出口為壓力出口邊界條件(按照26.5 m高的管束中充滿水，加上管束頂部接大氣的條件設(shè)置計(jì)算模型的出口壓力)。

圖1 入口管箱模型

冷卻系統(tǒng)總流量/(m3·h-1)61534.72入口最高溫度/℃57.34流體密度(最高溫度)/(kg·m-3)984.52入口流體平均流速/(m·s-1)2.273管束內(nèi)流體平均流速/(m·s-1)1.605

計(jì)算采用ANSYS的CFX模塊，僅模擬水的單相流流動(dòng)，介質(zhì)為純凈的水，不含雜質(zhì)。不進(jìn)行多相流的原因?yàn)閱蜗嗔鞯挠?jì)算比較容易實(shí)現(xiàn)，且結(jié)果可靠。

入口管箱整體壁面上的剪切應(yīng)力分布結(jié)果見圖2?？紤]到破壞均發(fā)生在基管的根部，因此僅顯示基管根部的壁面剪切應(yīng)力分布，見圖3。由圖2和圖3看出，鋁管壁面剪切應(yīng)力大的區(qū)域距離管箱入口較近，這與鋁管發(fā)生破壞的實(shí)際位置是一致的。

圖2 入口管箱整體壁面上剪切應(yīng)力分布

圖3 基管壁面上剪切應(yīng)力分布

從計(jì)算結(jié)果看出，基管上出現(xiàn)的最大壁面剪切應(yīng)力僅為225.3 Pa，若冷卻水的水質(zhì)干凈，僅由水體流動(dòng)是不會(huì)對(duì)鋁管造成破壞的。

4 鋁管腐蝕及腐蝕產(chǎn)物成分分析

因腐蝕剝落的鋁管內(nèi)表面形貌見圖4。從圖4可以看出，鋁管內(nèi)表面出現(xiàn)黃色腐蝕產(chǎn)物，其表面非常粗糙，出現(xiàn)不規(guī)則的坑洼狀的磨損溝槽，符合沖刷腐蝕形貌特點(diǎn)[2]。腐蝕表面掃描電鏡分析見圖5。由圖5可知，腐蝕產(chǎn)物覆蓋不均，表面呈蜂窩狀凹坑，呈現(xiàn)出典型的沖刷腐蝕形貌。

圖4 鋁管內(nèi)表面腐蝕形貌

圖5 腐蝕表面掃描電鏡形貌

在腐蝕產(chǎn)物表面選取不同區(qū)域進(jìn)行成分分析，腐蝕產(chǎn)物表面微區(qū)能譜分析見圖6。從圖6可以看出，生成的腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Si元素和Mg元素。沙子的主要成分為SiO2，因此，可以判斷，Si的含量高主要是由于泥沙沖刷管壁，破壞了氧化膜，形成了Si含量很高的腐蝕產(chǎn)物。Mg和Ca的出現(xiàn)，是由于冷卻水中含有水垢,水垢里有較多的Mg2+和Ca2+。

5 腐蝕機(jī)理分析

從以上分析結(jié)果可以得出，鋁管發(fā)生破壞的主要原因是由沖刷腐蝕導(dǎo)致的。沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕，是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結(jié)果。液體介質(zhì)流速和介質(zhì)中固體物的含量都對(duì)沖刷腐蝕有嚴(yán)重影響。介質(zhì)中固體物在流動(dòng)水的作用下會(huì)沖擊金屬表面，破壞氧化膜，露出新鮮的金屬表面，從而形成腐蝕原電池，進(jìn)一步加速腐蝕[3-4]。

圖6 腐蝕產(chǎn)物表面能譜分析

沖刷腐蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，影響腐蝕速率的因素也很多，如流體流速、沙含量和介質(zhì)pH值等。金屬在不同環(huán)境介質(zhì)條件下其沖刷腐蝕的機(jī)理不盡相同，含有沙粒的流體對(duì)金屬的沖刷行為主要是堅(jiān)硬固體顆粒與金屬表面相撞擊的機(jī)械過程，在具體的流體環(huán)境中，沖刷腐蝕總是與其他類型的腐蝕(如電化學(xué)腐蝕)協(xié)同作用，隨著沙粒含量及粒徑的增大，金屬的腐蝕速率會(huì)相應(yīng)增加。

由于冷卻水中的大量沙粒存在，以及冷卻水的快速流動(dòng)，引起了沖刷腐蝕，沖刷腐蝕破壞了鋁管表面的氧化膜，被破壞的部分新鮮金屬暴露出來，活性高，形成了電偶腐蝕的陽極，而有氧化膜覆蓋的部分為陰極，循環(huán)水又帶入大量溶解氧，在形成的腐蝕產(chǎn)物垢層內(nèi)外形成氧濃差電池，大大加快了腐蝕速率，造成暴露部分的新鮮金屬產(chǎn)生局部腐蝕。

從冷卻水水質(zhì)報(bào)告中看出，冷卻水電導(dǎo)率達(dá)到33.6 μS/cm，電導(dǎo)率的大小反映了水中離子的濃度，電導(dǎo)率越大水中離子濃度越大，反之越小。有研究表明[5],鋁合金的腐蝕電流隨著電導(dǎo)率的升高大體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而且電導(dǎo)率越高，腐蝕電流上升越快。而從能譜分析中可以得知，溶液中含有大量的Mg2+和Ca2+，Mg2+和Ca2+提高了介質(zhì)的電導(dǎo)率，加快了鋁腐蝕。

同時(shí)，冷卻水的pH值接近8.5，水體呈現(xiàn)堿性，而鋁的電位與pH值的關(guān)系見圖7。鋁在pH值約8.3的堿性溶液中腐蝕速率較大。說明冷卻水的pH值對(duì)于鋁管的失效有嚴(yán)重的影響[6]。

圖7 鋁的電位與pH值的關(guān)系

6 結(jié)論與建議

綜合以上分析可知，間接空冷器鋁管束入口端出現(xiàn)的局部腐蝕破壞主要是由沖刷腐蝕所造成的，腐蝕破壞發(fā)生在基管壁面所受剪切應(yīng)力最大的區(qū)域。循環(huán)水中的泥沙、鐵屑等硬質(zhì)顆粒是引起沖刷腐蝕的主要因素；同時(shí)，冷卻水的pH值及電導(dǎo)率偏高，亦導(dǎo)致了鋁管腐蝕加劇。

有研究表明，鋁管換熱器的冷卻水大多是未經(jīng)嚴(yán)格處理的地下水、河水或普通自來水。水質(zhì)不同會(huì)導(dǎo)致鋁管換熱器的運(yùn)行周期不同，鋁管的腐蝕取決于水的pH值和電極電位。冷卻水水質(zhì)處理的好壞和pH值的高低都會(huì)影響鋁管的耐蝕性能[7]。因此，在鋁管束實(shí)際使用中，冷卻水水質(zhì)必須嚴(yán)格控制，定期監(jiān)測(cè)、檢測(cè)，pH值控制在6.7～7.5，電導(dǎo)率要小于2 μS/cm，對(duì)地下水應(yīng)檢測(cè)氟、砷和硫等腐蝕性極強(qiáng)的元素含量。如果不能保證水質(zhì)合格，可采用重點(diǎn)部位補(bǔ)強(qiáng)的方法(如在入口端鋁管加保護(hù)套)，從而增強(qiáng)其抗沖刷腐蝕的能力。當(dāng)機(jī)組停機(jī)后重新啟動(dòng)，在空冷器充水的過程中，必須控制好冷卻水的流量和壓力，壓力差要小一些，流速要慢一些，不可急加壓，增加流速。

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[2] 張九淵，董剛，毛肖，等.硅粉系統(tǒng)沖刷腐蝕的形貌分析：第四屆全國腐蝕大會(huì)論文集[C].北京：[出版者不詳],2003：279-281.

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[5] 任桂林，底光輝，張勝寒.鋁合金在高純水中的腐蝕概述[J].廣東化工,2015,42(21):87-89.

[6] 楊振海, 徐寧,邱竹賢.鋁的電位-pH圖及鋁腐蝕曲線的測(cè)定 [J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2000,21(4): 401-403.

[7] 王育忠.鋁管換熱器腐蝕原因及解決方法[J].石化技術(shù),2005,12(3):53-54.