凝結水系統(tǒng)氧腐蝕特征及防護措施研究

張 魏，胡建國，田 旭

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

0 引言

凝結水系統(tǒng)是火力發(fā)電機組的重要組成部分，該系統(tǒng)的運行情況直接影響到整個機組的熱效率。凝結水系統(tǒng)中銅鐵的氧腐蝕不僅會直接造成設備腐蝕損壞，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)設備中[1]，在熱負荷高的受熱面上沉積，可能造成管道的局部過熱，甚至爆管，后果嚴重，給電廠帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

溶解在水中的氣體對熱力設備的危害主要有以下兩個方面，其一，在熱力設備工作條件下不發(fā)生相變的氣體會影響能量轉(zhuǎn)換過程中的傳熱效果，增加機組的不可逆損失。其二，以氧為主體的熱力設備金屬的腐蝕作用會大大縮短設備的使用壽命，降低設備的可靠性，甚至導致不可預測的事故。尤其以直接空冷機組為最，該類機組長期在凝結水含氧量高、過冷度大的情況下運行，不僅降低熱經(jīng)濟性，而且產(chǎn)生一些不利影響，即加快凝結水系統(tǒng)的氧化腐蝕和酸腐蝕，降低凝結水系統(tǒng)設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垢速度，降低鍋爐效率，進而影響到鍋爐的安全運行。因此，對凝結水系統(tǒng)氧腐蝕特征及其防護方法具有重要意義。

1 凝結水系統(tǒng)的氧腐蝕

某電廠機組配有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)，該機組在投入運行1年后，發(fā)現(xiàn)凝汽器泄漏，進行停機檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)腐蝕嚴重。如圖1所示，管道表面嚴重起皮，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-凝結水泵母管的腐蝕

而在汽側彎管處，由于腐蝕嚴重，造成管道穿孔，如圖2所示，在進出口室處的檢查發(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)一個個腐蝕坑。

圖2 汽側及進出口室的腐蝕

如圖3所示，而凝結水母管處，氧腐蝕產(chǎn)物板結在整個管道處，但隨著運行時間的延長，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 凝結水母管的氧腐蝕

1.1 氧腐蝕的過程及特征

根據(jù)腐蝕電化學的基本原理，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，使金屬的溶解加快，起著腐蝕劑作用；它也可以作為陽極鈍化劑，阻礙陽極反應過程的進行，起著保護作用。

對于凝結水系統(tǒng)中的鋼鐵管件來說，當表面保護膜存在缺陷時，暴露的金屬基體與有溶解氧的水相接觸，會形成腐蝕微電池，其中暴露的金屬基體為陽極，而帶有保護膜的金屬表面為陰極[2]。其電化學反應方程式如下：

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，將導致pH值偏低（酸化），促進了蝕坑外鐵的溶解，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不均勻性，可以組成腐蝕電池，陽極反應為鐵的離子化，生成的Fe2+會水解使溶液酸化，陰極反應為氧的還原。第二，可以閉塞電池。腐蝕反應的結果產(chǎn)生鐵的氧化物，所生成的氧化不能形成保護膜，卻阻礙氧的擴散，腐蝕產(chǎn)物下面的氧在反應耗盡后，得不到補充，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產(chǎn)物OH-。

鋼鐵發(fā)生氧腐蝕時，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個腐蝕坑。

而對于凝結水系統(tǒng)的銅管來說，銅管在與水接觸時，銅會發(fā)生陽極反應而直接氧化，當凝結水中有CO2存在而使凝結水偏酸性，在有氧的情況下，其腐蝕速度會大大加快。其氧化層的形成與鐵不同。當有氫離子和氧存在時都會被腐蝕，形成氧的點蝕[4]。

或者在堿溶液中：

在鐵表面會形成完整的氧化層，而銅和銅合金形成的氧化層是多孔和有孔隙的，允許水、氧、和銅離子進入形成金屬的表層。遷移進入銅氧化物的量取決于同氧化膜的厚度[5-6]。當氧化層厚度增加時，銅氧化速率減慢。當氧化層變厚，外層將會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常規(guī)的氧化反應形成。

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。因此，在凝結水系統(tǒng)中，含氧量的濃度越高，系統(tǒng)內(nèi)氧腐蝕就越嚴重。

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水的pH值。凝結水系統(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會進入凝結水系統(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發(fā)生，鋼的腐蝕加劇[7]。

1.2.3 離子

水中離子成分對腐蝕速度的影響也很大，當凝汽器發(fā)生泄漏時，水中H+、CL-、SO42-對鋼鐵表面的氧化物保護膜具有破壞作用[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-對金屬表面的鈍化膜破壞性較大，會促進金屬的點蝕。因此，為了防止凝結水系統(tǒng)的氧腐蝕，必須要嚴格控制凝結水的純度。

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，氧擴散速度加快的作用超過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，它對腐蝕的影響超過了氧擴散腐蝕增快所產(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)物堅硬。

1.2.5 流速

通常條件下，水的流速增大，擴散層厚度減小，鋼鐵的腐蝕速度提高。但當水流速增大到一定值時，可能會促進鋼鐵的鈍化，同時，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，氧腐蝕速度會有所下降。如果流速進一步增大，到一定程度時，腐蝕速度會出現(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 主要防護措施

從凝結水氧腐蝕的影響因素可知，防止氧腐蝕可采取下列措施：

1）嚴格控制凝結水的純度，尤其是直流鍋爐，對于超臨界直流鍋爐來說，其處理后的凝結水電導率必須≤0.2μS/cm，因此，必須要對全部的凝結水進行凈化處理[9]，完全去除進入蒸汽凝結水中的雜質(zhì)，這些工作主要由去除不溶性微粒的設施完成，如各類前置過濾器和去除溶解性雜質(zhì)的化學除鹽裝置。

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

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

（2）凝結水箱增加除氧裝置。例如直冷發(fā)電機組中，在凝結水箱上部增設除氧塔，空冷凝結水的下降管和補水管接至除氧塔，并在水管處布置一定的角鋼，水通過角鋼，充分散開，增加水流面積，提高除氧效果，進一步的減少了凝結水中的溶氧。

（3）凝結水儲罐的改造。在對凝結水儲罐進行設計時，在儲罐上方增設一個蓋子來減少與空氣的接觸，并在儲罐中加一個蒸汽加熱的線圈來提高凝結水的溫度，來降低氧的溶解性。

3 結論

凝結水系統(tǒng)中，當金屬表面保護膜不完整時，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促使腐蝕加劇，形成鼓包，導致設備損壞，嚴重影響到系統(tǒng)的正常運作，通過對水的純度及水中溶氧的控制來防止凝結水系統(tǒng)的氧腐蝕。

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