桃花江內(nèi)陸核電站附近水域的水質(zhì)指標(biāo)評價

曾 娟，肖國光，余侃萍，鄧景衡

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

內(nèi)陸核電站是內(nèi)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(shù)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(chǎn)生結(jié)垢與腐蝕。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢或腐蝕時，會引起水冷設(shè)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(yùn)行。因此，必須研究內(nèi)陸核電站廠址附近水域的水質(zhì)指標(biāo)情況，考察其是否可以滿足核電廠對取水原水的水質(zhì)要求及在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的結(jié)垢或腐蝕傾向，為桃花江內(nèi)陸核電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的防腐及阻垢提供技術(shù)參考。

1 桃花江核電站廠址10 km 范圍水質(zhì)指標(biāo)

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?qū)儆冖箢惞δ軈^(qū)域。水質(zhì)指標(biāo)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(biāo)最劣時段數(shù)據(jù)(枯水期)。桃花江核電站10 km 范圍內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838－2002)中的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［4］，廠址附近全年水質(zhì)均優(yōu)于工業(yè)冷卻水現(xiàn)行國標(biāo)［3］，滿足核電廠對取水原水的水質(zhì)要求。

2 結(jié)垢腐蝕趨勢分析

2.1 結(jié)垢機(jī)理

結(jié)垢的原因多種多樣，包括沉淀、結(jié)晶、化學(xué)反應(yīng)、腐蝕和微生物生長等，是各種因素綜合作用的結(jié)果［5］。冷卻水的結(jié)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(zhì)接觸，抑制腐蝕電極的反應(yīng)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(nèi)水質(zhì)指標(biāo)

2.2 水質(zhì)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(guān)系表達(dá)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(chǎn)生腐蝕的趨勢;若LSI ＞0，碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)，水具有產(chǎn)生碳酸鈣沉積的趨勢;若LSI =0，水質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既不結(jié)垢，也無產(chǎn)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(jié)合冷卻水的實際運(yùn)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(zhì)越不穩(wěn)定，結(jié)垢傾向越嚴(yán)重;若RSI =6.0～7.0 時，水質(zhì)基本穩(wěn)定;若RSI ＞7.5～8.0 時，出現(xiàn)腐蝕，RSI 越大，腐蝕越嚴(yán)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(jié)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(yán)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(jié)論基本相同;但是，Langlier 飽和指數(shù)的理論性較強(qiáng)，而Ryznar 指數(shù)是一個經(jīng)驗指數(shù)，具有較強(qiáng)的實用性，因此，在實際生產(chǎn)過程中配合應(yīng)用這兩種指數(shù)，更有助于判斷水的結(jié)垢和腐蝕傾向。

2.3 結(jié)垢趨勢預(yù)判

根據(jù)水質(zhì)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(jié)垢與腐蝕趨勢進(jìn)行預(yù)判，結(jié)果見表2。

表2 不同濃縮倍率下循環(huán)冷卻水結(jié)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(chǎn)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(yīng)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(jié)垢現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3 結(jié)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(zhuǎn)掛片試驗，具體試驗方法參考《水處理劑緩蝕性能測定－旋轉(zhuǎn)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(jié)果見表3。

表3 核電站循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水旋轉(zhuǎn)掛片試驗結(jié)果

從表3可知，當(dāng)循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水的濃縮倍率為1.0 時，銅片與不銹鋼片均產(chǎn)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(jié)垢性能的測定

廠址臨近水域水體結(jié)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(dá)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(jīng)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(jié)垢性能，試驗結(jié)果見表4。

表4 在不同濃縮倍率下的靜態(tài)阻垢試驗結(jié)果

結(jié)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(jié)垢，而隨著濃縮倍率的增加，其阻垢效率逐漸降低，結(jié)垢現(xiàn)象越來越嚴(yán)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(jié)語

(1)桃花江核電站取水口段全年最劣水質(zhì)指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(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(jié)垢和腐蝕趨勢進(jìn)行預(yù)判，與實際核電站取水口水質(zhì)結(jié)垢與腐蝕試驗結(jié)果一致。

(3)濃縮倍率為1.0 時，核電站取水口段10km范圍內(nèi)水體對銅片和不銹鋼片產(chǎn)生輕微腐蝕，而隨著濃縮倍率的增加，結(jié)垢趨勢越來越嚴(yán)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(yán)重結(jié)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(jī)組安全運(yùn)行，建議可通過對循環(huán)冷卻水進(jìn)行加酸或投加阻垢劑處理，適當(dāng)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(xué)，2010.

［2］丁兆勇，王秀梅.凝汽器冷凝管的腐蝕與防護(hù)［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(shè)計規(guī)范［S］.

［4］GB 3838－2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［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(jié)垢趨勢［J］.電力環(huán)境保護(hù)，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(zhuǎn)掛片法［S］.

［9］安 洋，徐 強(qiáng)，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(chǎn)實踐，2011，25(2):23－29.

［11］張 強(qiáng)，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.