電感及pH腐蝕測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電廠循環(huán)水處理的作用

楊富淋,張秀麗,張宏杰,康存軍

(1. 沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,沈陽(yáng) 110015； 2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100045；3. 天津大唐國(guó)際盤(pán)山發(fā)電有限責(zé)任公司,薊縣 301907)

電感及pH腐蝕測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電廠循環(huán)水處理的作用

楊富淋1,張秀麗2,張宏杰3,康存軍3

(1. 沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,沈陽(yáng) 110015； 2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,北京 100045；3. 天津大唐國(guó)際盤(pán)山發(fā)電有限責(zé)任公司,薊縣 301907)

從電廠循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕特點(diǎn)與機(jī)理的方面討論了循環(huán)水系統(tǒng)的防腐蝕工作重點(diǎn)，有針對(duì)性地采用電感及pH腐蝕測(cè)量系統(tǒng)來(lái)指導(dǎo)循環(huán)水處理與設(shè)備防腐蝕。通過(guò)在天津大唐盤(pán)山發(fā)電有限責(zé)任公司(以下稱大唐盤(pán)電)3號(hào)凝汽器上的應(yīng)用，驗(yàn)證了其有效性。

循環(huán)水系統(tǒng);腐蝕監(jiān)測(cè);電感;pH;單向隔離

熱電廠一般采用敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水技術(shù)來(lái)處理水的循環(huán)使用與冷卻，這種處理技術(shù)會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境變得極具腐蝕性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備發(fā)生腐蝕，威脅電廠長(zhǎng)周期的生產(chǎn)安全。因此,必須選擇一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的循環(huán)水處理與腐蝕控制方案，以解決由循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕造成的影響。找出導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)發(fā)生變化的原因、并對(duì)會(huì)造成設(shè)備發(fā)生腐蝕的因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)易產(chǎn)生腐蝕的重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以掌握腐蝕發(fā)生的過(guò)程，通過(guò)腐蝕數(shù)據(jù)的變化來(lái)反饋水質(zhì)的變化，改善循環(huán)水水質(zhì)，根本解決水質(zhì)處理問(wèn)題。

以往電廠對(duì)于循環(huán)水的監(jiān)測(cè)方法僅為水質(zhì)化驗(yàn)分析，主動(dòng)實(shí)施的監(jiān)測(cè)手段較少?，F(xiàn)階段電廠循環(huán)水系統(tǒng)已應(yīng)用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法是對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)中的凝汽器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因凝汽器中銅管的腐蝕和結(jié)垢是使發(fā)電機(jī)組損壞和傳熱效率降低的主要因素，同時(shí)凝汽器也是受循環(huán)水腐蝕的關(guān)鍵設(shè)備，所以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)很有意義。已應(yīng)用的電化學(xué)腐蝕在線監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)探針的電極進(jìn)行線性極化，測(cè)得腐蝕電流后得出相應(yīng)的腐蝕速率，其誤差較大，與實(shí)際腐蝕速率最大相差200倍，且瞬時(shí)測(cè)量對(duì)測(cè)量電極損傷較大，消耗快，維護(hù)成本增加。因此，本工作建立一套電感式測(cè)量系統(tǒng)來(lái)解決上述電化學(xué)測(cè)量的弊端，并與pH在線測(cè)量一同使用，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)循環(huán)水的腐蝕狀態(tài)。本工作主要闡述循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測(cè)對(duì)調(diào)節(jié)循環(huán)水水質(zhì)的作用，并通過(guò)天津大唐盤(pán)電3號(hào)凝汽器電感式腐蝕測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)證明其應(yīng)用效果。

1 電廠循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕

1.1 敞開(kāi)式循環(huán)水腐蝕問(wèn)題

電廠一般選用敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)，此系統(tǒng)的特點(diǎn)是水溫升高、流速變化、蒸發(fā)、無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)濃縮、雜物進(jìn)入等因素會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的沉積物附著和菌藻微生物滋生，由此形成設(shè)備腐蝕加重、粘泥污垢堵塞管道等問(wèn)題。一般循環(huán)水系統(tǒng)中附著水垢的主要成分是重酸鹽，它會(huì)隨著水的蒸發(fā)濃縮而增加，當(dāng)其濃度達(dá)到過(guò)飽和，或經(jīng)過(guò)傳熱管束表面水溫升高時(shí)，會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3[1]。CaCO3沉積在換熱管束表面，形成致密的碳酸鈣水垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管道。此外，設(shè)備腐蝕穿孔的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，主要是金屬與水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕、Cl-和SO42-含量增高時(shí)，加速碳鋼腐蝕以及微生物引起的腐蝕[1]。

對(duì)于處于冷卻水環(huán)境中的同種材料，由于碳鋼表面的不均一和冷卻水的導(dǎo)電性，在碳鋼表面會(huì)形成許多腐蝕微電池，微電池的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)分別會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，這些反應(yīng)會(huì)促使微電池中陽(yáng)極區(qū)的碳鋼不斷溶解而被腐蝕[2]。

在水溫不高時(shí)，銅合金會(huì)在溶氧水中產(chǎn)生淡紅色氧化亞銅，進(jìn)而生產(chǎn)黑色的氧化銅,見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

因Cl-半徑小，穿透性強(qiáng)，易穿過(guò)金屬保護(hù)膜層，置換氧原子形成氯化物，所以Cl-會(huì)加速陽(yáng)極過(guò)程，是引起點(diǎn)蝕的因素之一[1]。

微生物引起的換熱管束等設(shè)備的局部腐蝕也較為常見(jiàn)，主要是由于微生物排出的黏液和無(wú)機(jī)垢、泥沙、雜物等形成的沉積物附著在金屬表面，形成了氧濃差電池，促使金屬腐蝕。此外還有一些硫酸鹽還原菌(SRB)在25～30 ℃時(shí)，水解產(chǎn)生H2S,引起金屬特別是碳鋼的腐蝕。此外，SRB還會(huì)腐蝕銅或銅合金，主要包括白銅、黃銅等對(duì)微生物腐蝕很敏感的合金，產(chǎn)生點(diǎn)蝕[1]。

上述這些因素會(huì)對(duì)銅合金、碳鋼換熱設(shè)備造成腐蝕穿孔，形成滲漏，換熱傳熱面減少，降低了冷卻作用，因此設(shè)備腐蝕與水垢都將危害電廠的安全生產(chǎn)。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕控制方法

在碳鋼溶解氧腐蝕中,只要任一控制陽(yáng)、陰極極化過(guò)程，便可以控制腐蝕速率，在Cl-和SO42-含量升高時(shí)以及微生物腐蝕加重情況下，減緩這些因素便可降低腐蝕速率。現(xiàn)階段控制循環(huán)水系統(tǒng)防腐蝕，主要是添加緩蝕劑、殺菌劑、阻垢劑等藥劑，提高冷卻水pH，選用耐蝕材料和涂敷防腐蝕涂層。其中選擇耐蝕材料與涂敷防腐蝕層是在設(shè)備建設(shè)或檢修期實(shí)施的被動(dòng)防護(hù)辦法，而合理選用緩蝕劑、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水的pH才是較為主動(dòng)的防護(hù)方法，且這些方法可以隨生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而是各電廠通用的防腐蝕手段。

對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)特別是在凝汽器的進(jìn)水室、凝汽器管入口等部位進(jìn)行電感測(cè)量法監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)電感探針得到腐蝕損耗量的變化，結(jié)合循環(huán)水pH監(jiān)測(cè)可以調(diào)控緩蝕劑等藥劑的注入量，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)起到腐蝕控制作用。

2 凝汽器的腐蝕監(jiān)測(cè)

冷卻水凝汽器是循環(huán)水系統(tǒng)中的重要部件，也是重要的換熱設(shè)備。其常見(jiàn)腐蝕主要是銅管的點(diǎn)蝕、開(kāi)裂，沖刷腐蝕，碳鋼的沖刷腐蝕、微生物腐蝕、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等。大唐盤(pán)電3號(hào)凝汽器的70-1B材料在外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，黃銅管內(nèi)有一層稀松的連續(xù)的紫銅，斷層可見(jiàn)紫銅與黃銅的分層，見(jiàn)圖1，內(nèi)表面有白色的腐蝕產(chǎn)物紫銅栓，其脫落后就形成小孔。這種現(xiàn)象是典型脫合金腐蝕，在銅合金中鎳的電極電勢(shì)比銅小，鎳更活潑，因此鎳發(fā)生了溶解,同時(shí)因?yàn)镃l-的存在加速破壞了銅合金的保護(hù)膜，也促使了點(diǎn)蝕的發(fā)生。經(jīng)過(guò)能譜分析,銅合金腐蝕斷層處Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.63%。

圖1 70-1B腐蝕形貌Fig. 1 70-1B corrosion morphology

在銅管的外表面則形成了許多小坑，主要原因是水質(zhì)變化，水中的氯化物、硬度、沉積物增多，使銅管外表面的碳膜受到破壞而發(fā)生的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

由于冷卻水夾雜氣體、污物和泥沙等異物，在流經(jīng)凝汽器入口水室內(nèi)部以及管束入口段時(shí)會(huì)產(chǎn)生湍流，使凝汽器水室內(nèi)壁與凝汽器管表面受到?jīng)_擊破壞了金屬保護(hù)膜形成磨蝕，形成了沖刷腐蝕,見(jiàn)圖2。

圖2 3號(hào)凝汽器電化學(xué)探針被沖刷后形貌Fig. 2 Morphology of electrochemical probe of 3#condenser after being washed

基于這些腐蝕特點(diǎn)，除了加強(qiáng)設(shè)備材料的耐蝕性外，還應(yīng)在循環(huán)水中加入成模型緩蝕劑使其在金屬表面形成有效的保護(hù)膜，同時(shí)應(yīng)加入除菌劑(防微生物滋長(zhǎng))與阻垢劑(防垢)[3-5]。在關(guān)鍵部位添加電感腐蝕監(jiān)測(cè)探針，便可以通過(guò)累積的腐蝕損耗量得出某一階段的腐蝕速率，通過(guò)腐蝕速率可以判斷“藥劑”的適應(yīng)情況，并指導(dǎo)調(diào)整其加入量。此外，在循環(huán)水進(jìn)水環(huán)節(jié)一般會(huì)注入氨，其在空抽區(qū)會(huì)大量聚集、濃縮，若有溶解氧存在,便會(huì)在空抽區(qū)銅管汽測(cè)發(fā)生氨腐蝕，因此除了采用耐氨腐蝕白銅管外，還應(yīng)在日常生產(chǎn)中控制氨的濃度，嚴(yán)格控制水的pH，在抽空區(qū)循環(huán)水水側(cè)加入pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止氨濃度過(guò)高。

在循環(huán)水運(yùn)行時(shí)pH通常應(yīng)控制在7.0～9.2[1]，pH過(guò)低將增加循環(huán)水的腐蝕性，設(shè)備腐蝕速率加快;pH過(guò)高則會(huì)增加循環(huán)水的結(jié)垢傾向，管束易結(jié)垢。因此有必要對(duì)水質(zhì)的pH進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 凝汽器上電感腐蝕測(cè)量及pH監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

大唐盤(pán)電3號(hào)機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，共安裝了3個(gè)電感探針和1個(gè)pH探針，見(jiàn)圖3。電感探針和pH探針安裝在3號(hào)凝汽器循環(huán)水進(jìn)水室側(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水對(duì)不同材料管束的腐蝕速率與水質(zhì)的pH變化。在線式電感腐蝕測(cè)量及pH監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用485通訊傳輸模式，每個(gè)監(jiān)測(cè)部位均配有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序發(fā)出測(cè)量指令，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器便測(cè)量探針的腐蝕電位、pH電位等參數(shù)，接著由采集端計(jì)算機(jī)(生產(chǎn)區(qū))程序發(fā)出指令傳回?cái)?shù)據(jù)，并傳輸?shù)娇偡?wù)器(辦公區(qū))，通過(guò)B/S網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)可以瀏覽、分析。因盤(pán)山電廠網(wǎng)絡(luò)信息安全要求，為防止網(wǎng)絡(luò)攻擊或竊取數(shù)據(jù)，不允許對(duì)生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)只能向外進(jìn)行單向通信，因此在生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)服務(wù)器間安裝一臺(tái)正向型單向網(wǎng)絡(luò)隔離器，此單向網(wǎng)絡(luò)隔離器采用集成電路實(shí)現(xiàn)物理鏈路層的單向連接，使得在只有單組雙絞線連接下網(wǎng)卡能夠正常初始化并工作，以支持UDP協(xié)議的單向傳輸,見(jiàn)圖4。

將系統(tǒng)的測(cè)量間隔時(shí)間設(shè)定為60 min，表1中列出了3號(hào)凝汽器進(jìn)水側(cè)水室內(nèi)在線式電感探針的測(cè)量數(shù)據(jù)。由表1可見(jiàn),電感探針在此循環(huán)冷卻水中的腐蝕損耗值和平均腐蝕速率穩(wěn)定，腐蝕增加趨勢(shì)明顯，三種材料電感探針的腐蝕率由低到高分別是B30、70-1B、20號(hào)碳鋼，這個(gè)結(jié)果與CMB-1510B電化學(xué)系統(tǒng)測(cè)量?jī)x測(cè)得設(shè)備的瞬時(shí)腐蝕速率結(jié)果相近，見(jiàn)表2。

圖3 系統(tǒng)使用界面Fig. 3 System interface

圖4 腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)通信示意圖Fig. 4 LAN communication diagram of corrosion monitoring system

表1 3號(hào)凝汽器進(jìn)水側(cè)水室在線式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn),冷凝器的瞬時(shí)腐蝕速率均高于敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱設(shè)備碳鋼管壁腐蝕速率小于0.125 mm/a,銅、銅合金和不銹鋼換熱器管壁的腐蝕速率小于0.005 mm/a的控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。這是因?yàn)榇穗A段，裝置處在開(kāi)工初期，介質(zhì)流量變化較大，腐蝕損耗較多，且新探針正處在金屬腐蝕初期，會(huì)產(chǎn)生探頭加速腐蝕階段，在金屬表面產(chǎn)生鈍化膜后，腐蝕速率會(huì)相對(duì)平穩(wěn)。

表2 CMB-1510B腐蝕測(cè)量?jī)x測(cè)得3號(hào)凝汽器的腐蝕速率

在2月1日～3月14日期間，循環(huán)水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的pH為7.7～8.1。通過(guò)監(jiān)測(cè)pH變化，了解循環(huán)水回水在此期間pH的變化為0～0.5，呈弱堿性,見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，循環(huán)水偏堿性趨勢(shì)加重，這符合電廠循環(huán)水的pH參考值(7.0～9.2)，水質(zhì)pH控制較好。因水質(zhì)中碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽會(huì)水解成CaCO3、MgCO3等垢，垢類物質(zhì)析出會(huì)使水中氯離子和含氧酸根離子含量升高的增大，將導(dǎo)致水中的金屬局部腐蝕加速[4]。因此，在此環(huán)境中腐蝕探針的腐蝕損耗可以表征加速腐蝕趨勢(shì)，而pH實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)表現(xiàn)出微小波動(dòng)，并使pH逐漸降低。依此判斷，3號(hào)凝汽器的水質(zhì)中尚無(wú)水垢類物質(zhì)產(chǎn)生趨勢(shì)。

圖5 3號(hào)凝汽器循環(huán)水實(shí)時(shí)pH監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 5 Online pH monitoring data of 3# condenser circulating water

循環(huán)水中經(jīng)常投加聚磷酸鹽作為緩蝕劑或阻垢劑，而聚磷酸鹽會(huì)水解成磷酸鹽，若水實(shí)際pH大于磷酸三鈣飽和pH，很可能會(huì)有磷酸三鈣沉淀(磷酸水垢)，反之則無(wú)[1]。采用pH監(jiān)測(cè)與電感探針監(jiān)測(cè)腐蝕速率變化曲線相結(jié)合實(shí)時(shí)分析的辦法來(lái)判斷水垢生成的可能性，是一種簡(jiǎn)捷、實(shí)用的方法。

4 結(jié)論

電廠循環(huán)冷卻水處理一直是生產(chǎn)單位較為重視的工作，循環(huán)水系統(tǒng)能否長(zhǎng)、穩(wěn)、安運(yùn)行，直接影響了電廠的安全生產(chǎn)，因此循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕與防護(hù)工作顯得尤為重要。針對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕特點(diǎn)研制的電感腐蝕測(cè)量及pH監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能從本質(zhì)上解決腐蝕問(wèn)題，電感測(cè)量探針能夠監(jiān)測(cè)凝汽器的進(jìn)、回水室、凝汽器管入口等部位的均勻腐蝕、沖刷腐蝕、微生物腐蝕，而循環(huán)水pH監(jiān)測(cè)可以起到指導(dǎo)緩蝕劑、阻垢劑等“藥劑”的調(diào)節(jié)作用，從而對(duì)設(shè)備中的氨腐蝕、微生物腐蝕起到較好的防護(hù)作用。同時(shí)使用電感測(cè)量與pH監(jiān)測(cè)可以幫助管理人員得到循環(huán)水系統(tǒng)均勻腐蝕速率信息,同時(shí)可以預(yù)測(cè)水垢生成的可能性，從而能夠減緩凝汽器管的腐蝕，增加其使用壽命，降低維護(hù)成本。因此在電廠循環(huán)水處理工作中使用電感及pH腐蝕測(cè)量系統(tǒng)，幫助相關(guān)人員開(kāi)展防腐蝕管理工作是很有必要的。

[1] 周本省. 工業(yè)水處理技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1996：169.

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[4] 葛紅花，陳霞，張慧鑫，等. 不同水質(zhì)穩(wěn)定劑對(duì)凝汽器不銹鋼管的緩蝕性能[J]. 中國(guó)電力，2007,35(4)：17-19.

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[6] GB50050-1995 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Effect of Inductance and pH Corrosion Measuring System on Circulating Water Treatment in Power Plant

YANG Fulin1, ZHANG Xiuli2, ZHANG Hongjie3, KANG Cunjun3

(1. Shenyang Zkwell Corrosion Control Technology Co., Ltd., Shenyang 110015, China; 2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100045, China; 3. Tianjin Datang International Panshan Power Generation Co., Ltd., Tianjin 301907, China)

The key point of anticorrosion work for circulating water system was discussed in the aspects of corrosion characteristics and mechanism for circulating water in power plants. Inductance and pH corrosion measurement system was used to guide the circulating water treatment and equipment anticorrosion. Through the application to the 3#condenser of Tianjin Datang Panshan Power Limited Liability Company (hereinafter referred to as the Datang Panshan Power), the effect of the system was proved.

circulating water system; corrosion monitoring; inductance; pH; one-way isolation

10.11973/fsyfh-201705018

2015-08-06

楊富淋,工程師,本科,從事腐蝕監(jiān)檢測(cè)工作,15011295103,forlin-young@163.com

TG174

B

1005-748X(2017)05-0398-05