管式GGH管道內(nèi)壁腐蝕特性及防腐技術(shù)

李清毅 周旭健 鐘 莎 張 健 胡達(dá)清

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

管式GGH管道內(nèi)壁腐蝕特性及防腐技術(shù)

李清毅 周旭健 鐘 莎 張 健 胡達(dá)清

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

針對管式GGH系統(tǒng)管道內(nèi)壁及介質(zhì)腐蝕問題，研究了管式GGH管道內(nèi)壁及管內(nèi)熱媒水腐蝕的特性，分析了引起腐蝕的原因，提出了防止管道內(nèi)壁及熱媒水腐蝕的方案，應(yīng)用于工程實(shí)際，成功解決了因熱媒水水質(zhì)差帶來的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題。

熱媒水管式換熱器（管式GGH）；內(nèi)壁；腐蝕；水質(zhì)

煤燃燒過程中產(chǎn)生的大量煙塵等多種污染物是造成近年來頻繁發(fā)生重灰霾天氣的重要原因之一。燃煤電廠超低排放技術(shù)的應(yīng)用在改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量、推進(jìn)煤炭清潔高效利用和加快火電行業(yè)轉(zhuǎn)型升級中起了極為重要的作用[1-2]。管式熱媒水換熱器（簡稱“管式GGH”）作為部分超低排放技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，一方面與電除塵器耦合實(shí)現(xiàn)了煙塵和SO3等多污染物的更高效脫除控制，另一方面避免了因高濕煙氣排放對電廠設(shè)備、周邊居民和環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，達(dá)到了煙氣污染物控制與余熱回收利用的雙重目的。有文獻(xiàn)對管式熱媒水換熱器的管外壁腐蝕、材料選料、設(shè)備布置和控制模式等進(jìn)行了研究[3-6]，但是對熱媒水管道內(nèi)壁腐蝕及介質(zhì)影響問題少有報(bào)道。

本文探索了管式GGH系統(tǒng)管道內(nèi)壁及管內(nèi)介質(zhì)腐蝕的機(jī)理，分析并選擇了解決腐蝕的方法，提出了實(shí)現(xiàn)方法的措施，并對應(yīng)用于工程實(shí)際的效果進(jìn)行了測試。

1 管式GGH管內(nèi)壁腐蝕機(jī)理

圖1所示為管式GGH的系統(tǒng)示意圖。管式GGH由煙氣冷卻器、煙氣加熱器、加藥箱、熱媒水泵、輔助加熱器及其連接管道組成。一般煙氣冷卻器和煙氣加熱器分別布置在電除塵器和煙囪入口前，兩裝置之間熱媒水通過單根較大直徑的管道連通；在兩裝置內(nèi)部，設(shè)置多根直徑較小的管道與煙氣進(jìn)行換熱。系統(tǒng)內(nèi)熱媒水一般使用電廠除鹽水，熱媒水閉式循環(huán)，在正常運(yùn)行條件下，一般不進(jìn)行熱媒水的置換。

圖1 管式GGH系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)連接管道用量較大，其考慮經(jīng)濟(jì)性因素，連接管道一般采用碳鋼材質(zhì)。管式GGH系統(tǒng)投運(yùn)后取樣發(fā)現(xiàn)，熱媒水渾濁，pH值較低，c（Fe2+）較高，主要是因?yàn)楣艿纼?nèi)壁與管內(nèi)熱媒水在物理和化學(xué)作用下產(chǎn)生一定的腐蝕，給整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了較大的隱患。

熱媒水管道及介質(zhì)的腐蝕狀況與管道材質(zhì)、管道表面特性、熱媒水pH值等化學(xué)性質(zhì)、熱媒水流速、溶氧和溫度等物理特性、施工影響及管道與熱媒水的相互作用均有一定的關(guān)系。根據(jù)腐蝕原理的不同，管式GGH管道內(nèi)壁和熱媒水的腐蝕主要有以下幾類。

（1）磨損腐蝕

管道的磨損腐蝕主要是管道內(nèi)熱媒水及攜帶施工的殘?jiān)扰c金屬表面間發(fā)生相對運(yùn)動，從而引起內(nèi)壁表面的加速破壞和磨蝕。一方面，熱媒水對已經(jīng)生成的腐蝕產(chǎn)物具有沖刷作用；另一方面，熱媒水對沖刷后新裸露的金屬表面進(jìn)行進(jìn)一步的侵蝕作用，沖刷和腐蝕交替進(jìn)行，從而使腐蝕不斷加劇，熱媒水水質(zhì)逐漸變差。

（2）垢下腐蝕

管道的垢下腐蝕主要是管內(nèi)壁有水垢或有沉積水渣時，易在水垢或水渣下部對管道產(chǎn)生腐蝕。由于熱媒水管道布置彎頭較多，每段管道的標(biāo)高不一致，容易造成結(jié)垢和黏泥沉積，從而造成垢下腐蝕。在管道搭接縫、管板環(huán)焊縫及表面沉淀物等處極易引起垢下腐蝕。李奇峰等人[7]經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在管束與管板環(huán)焊縫處出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕跡象。

（3）電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕主要是當(dāng)管道與具有一定含氧量的水介質(zhì)接觸時，金屬表面會形成許多微小電池。金屬作為電池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出電子，自身被氧化成高價(jià)態(tài)的鐵離子，進(jìn)而造成了金屬的腐蝕。其反應(yīng)方程式為：

金屬（陽極）：2Fe→2Fe2++ 4e；

氧氣（陰極）：O2+2H2O+4e→4OH-（堿性環(huán)境）；O2+4H++4e→2H2O（酸性環(huán)境）

總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2（堿性環(huán)境）；

2Fe+O2+4H+→2H2O+2Fe2+（酸性環(huán)境）

胡洋等人[8]發(fā)現(xiàn)水中的溶解氧（1.03 mg/L）是造成熱媒水側(cè)腐蝕的主要原因。腐蝕產(chǎn)物中含有大量鐵的氧化物，說明腐蝕以鐵的氧腐蝕為主。鄧朝紅等人[9]研究發(fā)現(xiàn)換熱器以除鹽水作為熱媒水補(bǔ)充水（含氧量為8×10-6-10×10-6，pH值在8.8～9.2），吸氧腐蝕是造成換熱器腐蝕的主要原因。此外，熱媒水的pH值也會對管道的腐蝕造成一定的影響。童家麟等人[10]認(rèn)為，確保熱媒水pH值＞10，可以有效地防止水質(zhì)對換熱器的換熱面造成腐蝕。

（4）酸性腐蝕

管道的酸性腐蝕是指在水或含水介質(zhì)在露點(diǎn)以下與酸性物質(zhì)共存時，在壓力容器或管道中產(chǎn)生的腐蝕。有文獻(xiàn)報(bào)道部分酸性環(huán)境（如H2S）對碳鋼設(shè)備的均勻腐蝕隨溫度的升高而加劇。在80℃時，腐蝕速率最高，在110～120℃時腐蝕速率最低。在換熱器運(yùn)行的初期，腐蝕速率可達(dá)10 mm/a以上，隨著裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增長而迅速下降，到1 500～2 000 h后，腐蝕速率趨于0.3 mm/a[7]。

2 管式GGH管內(nèi)壁防腐措施

根據(jù)管式GGH管內(nèi)壁腐蝕的機(jī)理，結(jié)合造成管式GGH管道內(nèi)壁腐蝕的因素，可采取多種防腐措施。

（1）管道及連接件均采用不銹鋼材質(zhì)

胡洋等人[8]研究發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)換熱器的腐蝕程度差異較大。在有氧存在的熱媒水環(huán)境中，碳鋼的平均腐蝕速率為0.298 mm/a，09Cr2AlMo鋼的平均腐蝕速率為0.244 mm/a，奧氏體不銹鋼材質(zhì)腐蝕輕微。同時如管板與換熱管焊接處材質(zhì)不一，極易引起電化學(xué)腐蝕?；诖嗽?，可將熱媒水管道材質(zhì)更換為不銹鋼。因管道用量大，如熱媒水管道全部采用不銹鋼，成本高，經(jīng)濟(jì)性差。

（2）改變管內(nèi)熱媒水的特性

可主要采取以下措施：在盡量避免氧氣進(jìn)入熱媒水系統(tǒng)的同時，采用除氧劑去除系統(tǒng)內(nèi)的氧，防止引起電化學(xué)腐蝕；合理控制閉式循環(huán)水的流速防止磨損腐蝕；采用加堿措施合理控制系統(tǒng)的pH值。

（3）將熱媒水管道內(nèi)壁進(jìn)行清洗。

保證管式GGH管內(nèi)壁清潔是防止腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵措施，因此需要對管式GGH內(nèi)部管道進(jìn)行清洗和防護(hù)。管道清洗可分為物理清洗和化學(xué)清洗兩類。

物理清洗以機(jī)械方法對管道清洗，主要有高壓水力沖洗、膠球清洗、刮管器清洗、刷子清洗等幾種。因管式GGH管道布置復(fù)雜，操作復(fù)雜且清洗不徹底。

化學(xué)清洗是指采用一定的清洗工藝，通過化學(xué)藥劑的水溶液與熱力設(shè)備系統(tǒng)中受熱面的腐蝕產(chǎn)物、沉積物和污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使設(shè)備受熱面內(nèi)表面清潔，并在金屬表面形成良好鈍化膜的方法。其能夠去除金屬表面的硬垢和腐蝕產(chǎn)物，清洗全面，用時短，效果好。

綜上所述，系統(tǒng)投運(yùn)前對管式GGH管內(nèi)壁進(jìn)行化學(xué)清洗，投運(yùn)后合理控制熱媒水的特性，可以避免管式GGH管內(nèi)壁及介質(zhì)的腐蝕。

3 工程應(yīng)用及效果

某電廠2臺600 MW燃煤機(jī)組應(yīng)用了超低排放技術(shù)，且均采用管式GGH系統(tǒng)提高煙塵的脫除效率并抬升煙囪入口的煙氣溫度。其中1號機(jī)組進(jìn)行了化學(xué)清洗，在運(yùn)行過程中對熱媒水進(jìn)行除氧和加堿控制；2號機(jī)組未進(jìn)行清洗；且未進(jìn)行除氧和加堿控制。

在投運(yùn)前對1號機(jī)組進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗方法為：在管式GGH系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行系統(tǒng)上水，待系統(tǒng)滿水后一邊疏放一邊上水直至排水澄清無雜物，并將系統(tǒng)內(nèi)水完全疏放；配置適量的酸洗溶液，溶液成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：（4～7）%的HCl溶液、0.5%的IS-129緩蝕劑和0.08%的異抗壞血酸鈉；利用清洗泵通過臨時進(jìn)液管道和臨時回液管道建立酸洗循環(huán)；將酸洗循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行升溫，升溫速度大于25℃/h，直至溫度達(dá)到（55 ±5）℃并維持此溫度不變，循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)6～7h；停運(yùn)清洗泵，對系統(tǒng)上水并同時通過臨時回液管道進(jìn)行排水，對循環(huán)管道進(jìn)行沖洗，直至排水中鐵離子含量不大于50 mg/L，pH不小于4.5為止；然后將系統(tǒng)水完全疏放排凈。再配置漂洗鈍化溶液，溶液成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：5%的檸檬酸、0.3%的緩蝕劑和適量氨水，pH維持在3.5～4；利用清洗泵將循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行升溫，升溫速度大于25℃/h，直至溫度達(dá)到（75±5）℃并維持此溫度不變，循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)5 h；再加入氨水調(diào)節(jié)pH值至9.5～10.0，加入3%聯(lián)氨，維持溫度不變，循環(huán)5h，系統(tǒng)內(nèi)鈍化膜形成良好后停運(yùn)清洗泵，拆除臨時進(jìn)液管道和臨時回液管道，對系統(tǒng)上水并排凈，完成化學(xué)清洗。

在系統(tǒng)運(yùn)行后，1號機(jī)組加入除氧劑進(jìn)行除氧，同時加入NaOH溶液調(diào)節(jié)pH穩(wěn)定在10.0～10.8之間，2號機(jī)組加藥箱隔離。投運(yùn)后隔天對熱媒水進(jìn)行取樣檢測，主要結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，1號機(jī)組在水質(zhì)檢測時間段內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定，F(xiàn)e2+濃度維持在80～150 μg/L之間，而2號機(jī)組Fe2+濃度在1 200 μg/L以上，并且隨著時間的延長有集聚的趨勢，取樣時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)較為渾濁，且本機(jī)組pH值在7上下，容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，極易對系統(tǒng)甚至機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。通過對比證明所發(fā)明的防腐方法及加堿控制措施可保證系統(tǒng)內(nèi)熱媒水水質(zhì)穩(wěn)定。

圖2 pH與Fe2+濃度隨時間的變化關(guān)系

4 結(jié)語

針對管式GGH系統(tǒng)管道常見的內(nèi)壁及介質(zhì)腐蝕問題，本文研究了管式GGH管道內(nèi)壁及管內(nèi)熱媒水腐蝕的特性和機(jī)理，對比研究了可行的防腐措施。結(jié)合管式GGH的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置特點(diǎn)，本文發(fā)明了化學(xué)清洗管道內(nèi)壁結(jié)合調(diào)節(jié)熱媒水水質(zhì)的防腐方案，并將該方案在某電廠600 MW機(jī)組上進(jìn)行了應(yīng)用。對比研究表明，該方案可有效控制熱媒水水質(zhì)，防止循環(huán)水管道發(fā)生腐蝕，保證管式GGH系統(tǒng)甚至整臺機(jī)組的穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行。

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Tube Type GGH Pipeline Inner Wall Corrosion Characteristics and Anticorrosion Technology

Li Qingyi, Zhou Xujian, Zhong Sha, Zhang Jian, Hu Daqing
Zhejiang Province Tiandi Environment Protection Technology Co.,Ltd

∶Focused on tube type GGH system pipeline inner wall and its medium corrosion problems, the author studies tube type GGH pipeline inner wall and warm medium water corrosion characteristics and analyzes causes of corrosion. The author puts forward anticorrosion solution for inner wall by warm medium water which is applied in practical projects. It solves the unstable operation problems due to poor water quality.

∶Warm Medium Water Tube Type Heat Exchanger (Tube Type GGH), Inner Wall, Corrosion, Water Quality

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.006