凝汽器TP304管的腐蝕原因分析與防護(hù)措施

張慧

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，提供了人們對電力資源的需求，這也對發(fā)電廠發(fā)電機組的質(zhì)量、效率提出了更高的要求，作為火力發(fā)電機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中重要設(shè)備的凝汽管，其運行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟型是尤為重要的。但是在機組長期運行過程中，凝汽器管內(nèi)表面會出現(xiàn)不同程度的黏泥和泥沙的沉積，進(jìn)而影響凝汽器管的換熱效果，從而降低汽輪機的效率，而這就需要對其清洗，但是近年來出現(xiàn)了不銹鋼凝汽器管清洗后重新啟動時發(fā)生大面積泄漏的不良現(xiàn)象，因此該文基于此現(xiàn)象，分析了當(dāng)前凝汽器管TP304管的腐蝕原因，并進(jìn)行對應(yīng)防護(hù)措施的探討。

關(guān)鍵詞：凝汽器 不銹鋼管 點蝕 平衡電位 腐蝕

中圖分類號：TG172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0115-02

凝汽器的常用管材包括銅管、不銹鋼管和鈦管，其中不銹鋼管的強度和彈性模量均高于鋼管和鈦管，其允許應(yīng)力也遠(yuǎn)高于海軍黃銅和鈦管，所以允許有較大跨距而不振動，雖然不銹鋼管的熱膨脹系數(shù)與鈦管相差無幾，并低于銅合金管，但是不銹鋼管的強度高，也具有較強的耐蝕性，因此可以通過降低管壁厚度來實現(xiàn)管壁熱阻的降低。目前，國內(nèi)凝汽器管使用最多的就是TP304、TP316和TP317不銹鋼材質(zhì)。

1 凝汽器TP304管的腐蝕原因分析

1.1 點蝕

（1）不銹鋼點蝕機理及其電化學(xué)評定方法概述。

點蝕其實就是一種由小陽極大陰極腐蝕電池因其的陽極區(qū)高度集中的局部腐蝕形式[1]，這種腐蝕雖然不會導(dǎo)致大量金屬重量的損失，但是點蝕發(fā)生了連續(xù)發(fā)展，那么將會引發(fā)腐蝕穿孔直到整個設(shè)備不能運作為止，還有可能導(dǎo)致一些危害性較大的事故產(chǎn)生，這不僅僅會危害電廠的經(jīng)濟效益，還會為電廠工作人員的人生安全帶來巨大威脅。凝汽器TP304管中所包含的化學(xué)成分[2]有18%～20%的鉻（Cr），8%～10.5%的鎳（Ni），0.08%的碳（C），2.0%的錳（Mn），1.0%的硅（Si），0.035%的磷（P），0.030%的硫（S）。

在不銹鋼管發(fā)生腐蝕的時候會發(fā)生陽極反應(yīng)[3]，即不銹鋼中的鐵元素、鉻元素以及鎳元素都會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，即Fe生成為正2價鐵離子和2個電子，Cr生成為正3價鉻離子和3個電子，Ni生成為正2價鎳離子和2個電子。而不銹鋼管中產(chǎn)生的陰極反應(yīng)則會因為溶液的實際狀況產(chǎn)生不同的反應(yīng)。當(dāng)處于堿性有氧條件下，也就是在正常循環(huán)水的運行條件下，不銹鋼管腐蝕時發(fā)生的陰極反應(yīng)應(yīng)該是氧氣、水和陽極反應(yīng)生成的電子產(chǎn)生反應(yīng)生成氫氧根離子，用化學(xué)離子反應(yīng)式應(yīng)表示為：

O2+H2O+4e-→4OH-

其陰極氧平衡電位[4]應(yīng)表示為：

其中φθ表示標(biāo)準(zhǔn)電極電位，R表示通用氣體常數(shù)，T表示循環(huán)水絕對溫度，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)，Po2表示氧的絕對壓力，t表示循環(huán)水溫度。

在酸性無氧條件下，也就是凝汽器管內(nèi)表面發(fā)生結(jié)垢的時候，因為泥垢下某些鹽的水解和泥垢的覆蓋使其反應(yīng)處于酸性無氧環(huán)境，其陰極反應(yīng)應(yīng)該是由氫離子和電子產(chǎn)生反應(yīng)生成氫氣[5]，用化學(xué)的離子反應(yīng)式應(yīng)表示為：

2H++2e-→H2

其陰極氫平衡電位表示為：

在酸性有氧條件下，也就是在凝汽器經(jīng)過化學(xué)清洗或者停機備用時候，因為不銹鋼管道內(nèi)殘留有酸液，此時的陰極反應(yīng)可能會發(fā)生與酸性無氧條件下產(chǎn)生反應(yīng)的反應(yīng)相同，但也有可能出現(xiàn)氧氣、氫離子和電子相反應(yīng)的現(xiàn)象，用化學(xué)離子反應(yīng)式應(yīng)表示為：

O2+4H++4e-→2H2O

其陰極氫平衡電位表示為：

陰極氧平衡電位表示為：

點蝕的一個重點特性就是在某一給定的金屬-介質(zhì)體系中，會有特定陽極極化電位門檻值的存在，這一電位也就是點蝕電位[6]，它能夠提供給定材料在特定介質(zhì)中點蝕敏感性或者點蝕抗力的定量評估數(shù)據(jù)，其中的點蝕臨界擊穿電位Eb就是一個不涉及測試方法的熱力學(xué)參數(shù)，也就是說無論采用哪種測試方法，只要介質(zhì)、材質(zhì)和溫度一定，那么就能夠確定這一點蝕臨界電位，當(dāng)陰極平衡電位不大于不銹鋼的點蝕電位，那么不銹鋼出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象的幾率就會比較小。

（2）TP304不銹鋼管的電化學(xué)試驗及分析。

采取材質(zhì)為TP304的凝汽器管作為試驗電極制作材料，然后在CP6型綜合腐蝕測試儀上進(jìn)行電化學(xué)實驗。試驗采用三電極體系，其中鉑電極作為輔助電極，SCE（飽和甘汞電極）作為參比電極。其具體的試驗方法就是將制作完成的TP304不銹鋼電極浸入到試驗溶液中，當(dāng)電極電位基本都處于穩(wěn)定，就可以從開路電位開始以20 mV/min的掃描速度進(jìn)行陽極極化，直至陽極電流密度滿足1 mA/cm2為止。其中點蝕電位應(yīng)該是陽極極化曲線上電流密度在5～15 μA/cm2范圍內(nèi)且電流密度連續(xù)急劇上升時的最正點位置；通過摩爾法進(jìn)行試驗溶液中氯離子（Cl-）濃度的測定；通過pH計進(jìn)行溶液酸堿值的測定；通過XSE數(shù)仙逝測溫儀進(jìn)行溫度的測定。所使用的試驗溶液應(yīng)該是電廠的實際循環(huán)水，在試驗前需要對試驗溶液的各項指標(biāo)進(jìn)行分析，根據(jù)不同的試驗要求采取氯化鈣（CaCl2）或者鹽酸（HCl）完成對循環(huán)水的調(diào)節(jié)。

然后根據(jù)TP304不銹鋼在堿性氧化條件、酸性無氧條件和酸性有氧條件進(jìn)行試驗進(jìn)行電位陽極極化曲線以及相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取，從中對TP304不銹鋼在上述三類環(huán)境中的腐蝕情況進(jìn)行詳細(xì)分析。經(jīng)過試驗和計算發(fā)現(xiàn)，TP304不銹鋼在堿性有氧條件下的點蝕電位比氧平衡電位高，也就是說在該條件下，即凝汽器管內(nèi)表面不存在結(jié)垢的情況下，該不銹鋼會比較耐蝕；而且在高Cl-濃度堿性有氧條件下，TP304不銹鋼的點蝕電位雖然存在下降趨勢，但是與氧平衡電位相比，點蝕電位更比較高，所以在高Cl-濃度堿性有氧條件下，也就是在凝汽器管內(nèi)表面不存在結(jié)垢的停備用時期，TP304不銹鋼的耐蝕性也比較好。

在酸性無氧條件下，如果TP304不銹鋼所處溶液含有0.04%的鹽酸（HCl），其點蝕電位與氫平衡電位相比更高，而在含有0.2%鹽酸的酸性無氧環(huán)境系，其點蝕電位雖有明顯下降趨勢[7]，但仍高于氫平衡電位，也就是說，在高Cl-濃度的低pH環(huán)境下，TP304不銹鋼內(nèi)表面在不潔凈的情況下也具有較強的耐腐蝕能力。

而在酸性有氧條件下，如果不銹鋼處于含有0.04%鹽酸的環(huán)境中，其點蝕電位與氫、氧平衡電位相比更高，不容易產(chǎn)生腐蝕，當(dāng)處于含有0.07%和0.2%鹽酸的環(huán)境下，不銹鋼的點蝕電位的下降趨勢比較明顯，并且其點蝕電位低于氧平衡電位，因此比較容易出現(xiàn)腐蝕。在處于0.45%鹽酸環(huán)境下，不銹鋼的極化曲線基本處于水平，也就是說TP304不銹鋼在0.5%鹽酸溶液中不存在鈍化區(qū)，因此會直接出現(xiàn)全面腐蝕現(xiàn)象。

1.2 晶間腐蝕原因分析

奧氏體不銹鋼在經(jīng)過1050℃～1150℃的高溫后迅速冷卻就會得到單相組織[8]，這種組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度上升至427℃～816℃的時候，因為增大了C原子的遷移速率，Cr的碳化物會隨著晶界析出，再加上Cr的碳化物中含Cr量高于基體金屬，因此致使晶間腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。也就是說影響TP304不銹鋼晶間腐蝕的關(guān)鍵就在于C元素，因此控制TP304不銹鋼的晶間腐蝕的重要手段就是要加強不銹鋼中C含量的降低。

1.3 應(yīng)力腐蝕及其他腐蝕原因分析

在含有Cl-濃度的溶液中的應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）是TP304不銹鋼的一種常見腐蝕形態(tài)，在冷卻水中這種腐蝕的出現(xiàn)與氯化物、氯離子含量以及溶液溫度有關(guān)，通常情況下，可以發(fā)生水解并能夠生成酸的酸性氯化物均能引起TP304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂[9]，例如氯化鈣（CaCl2）、氯化鎂（MgCl2）、氯化銨（NH4Cl）等，而且氯離子的含量越高、溫度越高，不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的傾向就會越大，這種腐蝕情況在常溫下是很少出現(xiàn)的。

根據(jù)上述點蝕的三種條件下的分析，可以發(fā)現(xiàn)TP304不銹鋼只有在處于酸性較強的溶液中才會出現(xiàn)均勻腐蝕，其在堿性溶液和中性溶液中都具有較為良好的耐腐蝕性，因此不銹鋼在凝汽器的正常運行工況下出現(xiàn)均勻腐蝕現(xiàn)象的幾率是極其微小的，氮腐蝕也不例外。因為不銹鋼管的機械強度和鈍化性能都比較強，所以其耐沖刷腐蝕性能也會比較強，針對這一特點，管內(nèi)的冷卻水流速可以大幅度提升。根據(jù)實際可以發(fā)現(xiàn)，在淡水中，與不銹鋼管相連接的碳鋼管板會出現(xiàn)電偶腐蝕，根據(jù)鴨河口電廠凝汽器不銹鋼管的研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，引起不銹鋼腐蝕的原因是管材缺陷和微生物的協(xié)同作用。

2 凝汽器TP304管腐蝕防護(hù)措施探討

針對凝汽器TP304管的腐蝕防護(hù)措施應(yīng)該根據(jù)以上的原因分析，分別從改善腐蝕環(huán)境、改變不銹鋼管的耐蝕性以及規(guī)范安裝這三個方面進(jìn)行防護(hù)。對于不銹鋼管腐蝕環(huán)境的改變主要從加強水質(zhì)監(jiān)督、改善水質(zhì)處理工藝等方面入手，其中水質(zhì)的監(jiān)督應(yīng)該按照國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行凝結(jié)水和給水水質(zhì)的控制，在運行過程中要密切關(guān)注不銹鋼管的滲漏和泄露問題。并且只要發(fā)現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)一定要馬上進(jìn)行原因的查明，組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行解決方案的探討和實施。如果電廠不具備檢測水樣的條件，那么必須要取水樣送往相關(guān)單位進(jìn)行檢查。而且在控制循環(huán)水項目中，不僅需要控制水中的氯離子（Cl-），還需要著重考慮包括硫酸根（SO42-）在內(nèi)的其他離子的影響。在改善水質(zhì)處理工藝方面可以通過冷卻水緩蝕劑和阻垢劑等試劑的添加，防止循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢，進(jìn)而降低垢下腐蝕的可能。還可以聯(lián)合緩蝕劑的添加提高冷卻水的pH值，亦或者通過凝汽器循環(huán)泵，增大管內(nèi)水流速度，有效避免泥沙的沉積。在運行過程中，相關(guān)工作人員還需要做好循環(huán)水防垢防微生物黏泥的處理工作，保證凝汽器管內(nèi)的循環(huán)水流速維持在高于1.5 m/s的流速上，同時還需要通過合理滅菌滅藻處理和膠球清洗工作保證不銹鋼管內(nèi)金屬表面的清潔，同時也能夠有效延長不銹鋼管的使用壽命。而對于改善不銹鋼管的耐蝕性則主要從刷防腐涂料和防腐漆以及陰極保護(hù)等方面入手，這兩種措施主要適用于直流水系統(tǒng)和敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。而在規(guī)范安裝方面，則需要安裝人員在安裝過程只能夠盡可能避免對不銹鋼管的劃傷和應(yīng)力，此外，相關(guān)人員還需要做好機組停用階段的檢查和養(yǎng)護(hù)工作。

3 結(jié)語

總而言之，作為發(fā)電廠發(fā)電機組中不可獲取的重要設(shè)備，工作人員一定要保證凝汽器的質(zhì)量和運行效率，尤其是其中的不銹鋼管，只有針對當(dāng)前不銹鋼管容易出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，才能從多方面入手，更好地進(jìn)行凝汽器不銹鋼管的腐蝕控制，進(jìn)一步確保凝汽器的安全穩(wěn)定運行，進(jìn)而保證發(fā)電機組運行的安全性，從而為發(fā)電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)運行奠定基礎(chǔ)。

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