開式循環(huán)水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏引出的冷卻水管防腐問題

董浩勤

（上海電力監(jiān)理咨詢有限公司，上海 200031）

0 引言

開式循環(huán)水系統(tǒng)是燃煤電站必不可少的冷卻體系，更是傳統(tǒng)火力發(fā)電廠維持設(shè)備安全運(yùn)行的重要組成部分。相對于閉式水系統(tǒng)，開式循環(huán)水系統(tǒng)有著水質(zhì)要求低、冷卻效果好、水溫具有較好的穩(wěn)定性［1］，投資少，施工成本低，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。臨海規(guī)劃設(shè)計(jì)的火電廠，通常會取海水作為循環(huán)冷媒介，使用海水的最大優(yōu)勢，就是消除了水源短缺的后顧之憂。但海水的高腐蝕性，一直以來都是設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行人員必須面對的難題。

海水中含有大量鹽類離子和氯離子，屬強(qiáng)電解質(zhì)溶液，具有高腐蝕性［2-4］，埋地管道、預(yù)應(yīng)力砼鋼管［5］、冷卻水管道、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、海水斜流泵、攔污柵、鋼閘門等管道設(shè)備的防腐措施一般為涂覆外防腐層、內(nèi)襯［6］與陰極保護(hù)的雙重方法。涂層防護(hù)可抑制隔絕海水中高濃度氯離子的侵蝕［7］，陰極保護(hù)通過將腐蝕電位降低到使金屬腐蝕速率顯著減小的電位值而達(dá)到電化學(xué)保護(hù)。

1 工程概況

某海外煉化項(xiàng)目建設(shè)配套電站，以滿足全廠供汽和供電需求。建設(shè)規(guī)模為5 臺380 t／h 循環(huán)流化床鍋爐、4 臺55 MW 抽凝機(jī)組、2 套7 MW 余熱發(fā)電機(jī)組、3 套12 500 t／d 熱法海水淡化裝置及配套設(shè)施以及相應(yīng)的55 kV 配套變電所。機(jī)組凝汽器和閉式水系統(tǒng)采用直流海水冷卻方式，海水通過進(jìn)水明渠、取水流道至取水泵站，經(jīng)3 臺斜流循環(huán)泵（兩用一備）作用，通過兩路冷卻水管道到主廠房依次給閉式水板式換熱器、6 臺機(jī)組凝汽器冷卻降溫。降溫后的循環(huán)海水被兩路回水管送到冷卻塔，給鍋爐煙氣脫硫后，經(jīng)曝氣池排回大海。系統(tǒng)流程具體見圖1。

圖1 直流海水冷卻流程

主廠房內(nèi)各機(jī)組冷卻水管道進(jìn)、出口設(shè)置一個電動蝶閥，獨(dú)立檢修凝汽器時(shí)用來隔離母管。閥門參數(shù)見表1。

表1 冷卻水管道閥門參數(shù)

2 閥門內(nèi)漏情況

施工過程中發(fā)現(xiàn)，主廠房內(nèi)冷卻水管道電動蝶閥安裝時(shí)，閥瓣和個別銷軸存在不同程度的銹蝕現(xiàn)象，閥門為對夾式?，F(xiàn)場對閥瓣光譜檢測確認(rèn)材質(zhì)為非不銹鋼，不耐海水腐蝕，見圖2、表2。

圖2 閥門外觀

表2 閥瓣材質(zhì) %

鋼材中當(dāng)鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cr＞12.5%時(shí)材料表面可形成一層連續(xù)致密的富鉻氧化膜，具備一定的抗腐蝕性能［8］，閥瓣銹蝕原因與庫存管理有關(guān)，另一方面現(xiàn)場為海島，環(huán)境高溫、高濕，空氣中海水鹽霧含量大有直接原因。

機(jī)組在調(diào)試考核期間，冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行約有6個月。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)個別閥門存在不同程度的內(nèi)漏現(xiàn)象，且對夾螺栓處有不同程度的銹蝕情況，提出更換主廠房內(nèi)所有冷卻水管道閥門。為保證機(jī)組正式投產(chǎn)后能長期、穩(wěn)定運(yùn)行，施工單位統(tǒng)一采購閥體和閥瓣全部為丁晴膠襯里，閥體自帶法蘭的閥門。原閥門與更換閥門對比見圖3。

圖3 閥門對比

從圖3 中看出原閥門迎水面受海水沖刷銹蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3和Fe3O4鐵銹［9］，已造成閥瓣邊緣腐蝕穿透，形成漏點(diǎn)，原閥門使用功能遭到損傷。表明此環(huán)境下，鎳基合金的閥體耐海水腐蝕性差。閥門滲漏原因和處理措施見表3。

表3 閥門滲漏原因及措施分析

此類閥門因安裝位置和使用環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮，在成本和使用壽命兩者之間取舍時(shí)應(yīng)權(quán)衡利弊?？墒褂媚彤?dāng)?shù)睾Ｋg的不銹鋼材質(zhì)如2205 雙相鋼等，或者采用全襯里工藝。不能一味追求成本控制，而忽視服役壽命，給后期投產(chǎn)運(yùn)行帶來不便。

3 管道內(nèi)壁不同腐蝕類型

利用更換閥門機(jī)會，對冷卻水管道內(nèi)防腐情況進(jìn)行了整體檢查，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁、彎頭、伸縮節(jié)焊接處、管道與法蘭焊縫處、犧牲陽極塊附近，存在不同程度的內(nèi)防腐漆皮脫落，管材腐蝕等現(xiàn)象，具體見圖4。

從現(xiàn)場管道內(nèi)壁腐蝕情況分析，存在以下幾種腐蝕類型。

圖4 管道內(nèi)壁不同腐蝕類型形貌對比

點(diǎn)蝕：形成由金屬表面向內(nèi)部擴(kuò)展的點(diǎn)坑，即空穴的局部腐蝕。本次檢查中發(fā)現(xiàn)以點(diǎn)蝕形式存在的腐蝕較普遍，個別管段呈現(xiàn)連片點(diǎn)蝕，對此管段整體更換。點(diǎn)蝕形成前，此處防腐層已脫落。

焊接腐蝕：此類腐蝕多發(fā)生于焊縫處，如管口與反法蘭對接的角焊縫、熱控專業(yè)壓力取源管接管座與管道內(nèi)壁焊口處、伸縮節(jié)出口段與管道對接縫隙處等，為防腐層的薄弱環(huán)節(jié)。停機(jī)后此處多會產(chǎn)生銹跡，加速腐蝕。焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)，當(dāng)海水的鹽度為3%左右時(shí)，其腐蝕速率最高［10］。本海域海水鹽度，最大值3.2%，最小值2.4%，平均值2.8%。

縫隙腐蝕：多發(fā)生于管道內(nèi)部與反法蘭焊縫處，以及法蘭對接面。管道法蘭墊片與密封面尺寸不一致［11］，接觸不嚴(yán)密，墊片密封不到位，是產(chǎn)生滲漏的薄弱環(huán)節(jié)。

沉積物腐蝕：本次沉積物腐蝕發(fā)生于2 臺濾水器之間的管道內(nèi)壁，為海洋藻類等物質(zhì)沉積附著在管壁周邊發(fā)生的局部腐蝕。說明在海水取水明渠入口加氯，藻類生物未全部殺死［12］。檢查人員還發(fā)現(xiàn)在閉式板換進(jìn)水管道前彎段內(nèi)壁和冷卻水母管檢查孔管壁上都有滋生藤壺，海洋生物的附著會加劇海水的腐蝕［13］?？刹捎么温人峒{與Spectrus CT1300 或國產(chǎn)復(fù)配型殺貝劑SW401［14］，避免貝殼類海洋生物造成對凝汽器冷卻管壁的損傷。

由空蝕和磨損腐蝕引起的防腐層脫落：此類現(xiàn)象多發(fā)生于管道90°彎段處和鋁合金陽極塊附近，由腐蝕和空泡、磨損聯(lián)合作用引起的損傷過程。海水中可能會攜帶少量泥沙，當(dāng)水流遇到三通接頭、90°彎頭、隔斷閥、膨脹節(jié)、膠球?yàn)V網(wǎng)等管部件產(chǎn)生湍流，加劇沖刷腐蝕［15］。磨損腐蝕屬于耦合損傷，它不只是材料腐蝕和磨損操作的簡單疊加，而是交互作用造成材料損失顯著增加［16］，加速了腐蝕速率。熱帶海域水溫高，與冷水域海水相比Q235B 鋼的腐蝕電位下降，腐蝕電流密度增加［17］，腐蝕速率會更快。

鼓泡：因防腐層表面下與基體間結(jié)合力的局部喪失，導(dǎo)致局部防腐層形成可見穹形缺陷的損傷過程。它也是造成防腐層脫落的另一個因素。鼓泡的原因不排除陰極剝離引起的滲透壓起泡，最終形成的表面缺陷［18］。

以上腐蝕都屬于局部腐蝕，形成如點(diǎn)坑、溝槽等外觀腐蝕形貌，為海水電解質(zhì)形成的腐蝕電池作用下的電偶腐蝕。凡海水介質(zhì)流經(jīng)管道中存在不同種金屬類別，如：碳鋼管道中的鎳鑄鐵閥門、不銹鋼收球網(wǎng)、凝汽器鈦管等，處于電解質(zhì)腐蝕溶液中的每種金屬會建立自身腐蝕電位，當(dāng)電位差大到一定程度，腐蝕電位更負(fù)的金屬將成為陽極，兩極之間產(chǎn)生電流流動，陽極的腐蝕速度逐漸增加［19-21］，產(chǎn)生電偶腐蝕。

4 原因分析

防腐蝕設(shè)計(jì)的原則，應(yīng)優(yōu)先采用主動防腐蝕技術(shù)。當(dāng)主動技術(shù)難以達(dá)到防腐要求，或者防腐成本過高時(shí)，可采用被動防腐蝕技術(shù)。本項(xiàng)目管道防腐采用涂層防護(hù)與陰極保護(hù)雙重技術(shù)。固態(tài)涂膜采用環(huán)氧瀝青漆，涂裝遍數(shù)為5 遍，總厚達(dá)到310 μm。環(huán)氧瀝青漆由環(huán)氧樹脂、煤焦瀝青、溶劑固化劑等組成的雙組分漆，具有極低的吸水率［22］、優(yōu)異的耐海水及良好的耐化學(xué)藥品性和防銹性能［23］。陰極保護(hù)法通過在管道內(nèi)壁安裝犧牲陽極塊，在犧牲陽極塊和管道之間建立自然電位［24］，利用鋁合金屬活潑的特性，通過陰極極化控制冷卻水管道電化學(xué)腐蝕，達(dá)到保護(hù)管道內(nèi)壁免受腐蝕目的。犧牲陽極法屬于電偶腐蝕。詳見表4、表5。

4.1 防腐涂層施工質(zhì)量

油漆前管道內(nèi)壁基層處理不到位，未按標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到噴砂Sa2.5 級，或者局部采用人工打磨后表面清理不干凈，未在4 h 內(nèi)及時(shí)涂裝。管道內(nèi)壁施工現(xiàn)場焊縫（如熱控測點(diǎn)、陽極塊接頭處等）未打磨光滑，如焊件尖角、焊接飛濺物、軋制夾層、咬邊、氣割表層等。清理雜物不徹底，如焊煙污染、粉筆油漆各種記號、舊涂層、灰塵、磨料、鋼絲段、丸粒等。

表4 防腐層涂料參數(shù)

表5 犧牲陽極塊參數(shù)

當(dāng)管道內(nèi)壁按標(biāo)準(zhǔn)要求處理到位后，通常環(huán)氧基的附著力都大于基體自身強(qiáng)度［25］。涂層脫落主要原因：涂裝時(shí)，管道內(nèi)壁表面清理未達(dá)到規(guī)定的粗糙度［26］，影響附著力，所以說基層預(yù)處理的好壞是關(guān)鍵所在，基層表面處理不到位導(dǎo)致的防腐涂裝工程失敗占總失效率的40%～50%。

不同廠家的油漆成分、雙組分配比存在差異，配比前未嚴(yán)格執(zhí)行說明書，如未使用專用稀釋劑，油漆過期失效，主漆與固化劑配比偏差大等因素。

施工前油漆攪拌不充分，熟化效果不理想，配比好的油漆放置時(shí)間過長。

首層涂刷偏厚、不均勻，各層間隔時(shí)間過短，干燥時(shí)間不夠。視環(huán)境溫、濕度的不同，一般表干時(shí)間為2～4 h。

以上原因都會造成油漆防腐層不同程度的缺陷，為后期運(yùn)行埋下質(zhì)量隱患，當(dāng)防腐層某一處薄弱點(diǎn)遭到破壞后，就會迅速形成大面積的鼓泡、起皮、撕裂直至最后完全脫落。

4.2 犧牲陽極塊安裝要求

犧牲陽極塊安裝的數(shù)量和位置應(yīng)按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)防腐總面積大小，計(jì)算合理的陽極塊總重。本項(xiàng)目安裝角度和間距，按表4 中數(shù)據(jù)為上限值。以保證最少的陽極塊數(shù)量，達(dá)到理想的釋放電流，對冷卻水管道內(nèi)壁陰極極化實(shí)現(xiàn)保護(hù)，滿足電流效率≥90%，達(dá)到電化學(xué)防腐效果。

陽極塊接頭處扁鋼鐵芯與管道內(nèi)壁接觸的四周應(yīng)采用角焊接工藝滿焊，焊角高度≥5 mm，避免咬邊，減少母材損傷。鐵芯防腐前要求棱角打磨光滑，清理干凈。

主廠房內(nèi)冷卻水支管到各機(jī)組凝汽器管段，蝶閥閥后缺少陽極塊。

5 防腐處理措施

本次檢修所有機(jī)組停機(jī)，廠房內(nèi)32 套對夾式蝶閥更換為帶法蘭全襯里蝶閥，同時(shí)對全廠冷卻水管道內(nèi)防腐整體檢查。涉及范圍廣、面積大、管線長，防腐修補(bǔ)環(huán)節(jié)多，主要采取以下措施。

所有管線全面檢查，發(fā)現(xiàn)有防腐層缺陷，采用手工和動力工具結(jié)合方式進(jìn)行清理。人工打磨、清理等級應(yīng)達(dá)到St3 級，除銹程度要求非常徹底，露出金屬光澤，如圖5。對于脫落層的處理，從邊緣向外延伸不少于100 mm 寬度；對于點(diǎn)蝕發(fā)展嚴(yán)重的部位，必須徹底打磨干凈后再實(shí)施堆焊，通過堆焊工藝優(yōu)化改善焊接部位的耐蝕性能［27］，堆焊前后形貌對比見圖6。

首層底漆施工前，對基層檢查驗(yàn)收，確認(rèn)所有雜物清理干凈后再涂裝，油漆嚴(yán)格按廠家說明書配比、拌制。

圖5 防腐基層表面人工清理前后對比

圖6 堆焊形貌前后對比

控制好油漆層間間隔時(shí)間，首層實(shí)干后、固化前再進(jìn)行第二度涂刷，檢查防腐層干性的標(biāo)準(zhǔn)，可用手指感觀判斷［28］。涂刷過程要求均勻，方可保證固化后最終漆膜厚度。但涂層的厚度并不是一味增加，抗腐蝕能力也會正比增強(qiáng)，過厚的涂層不僅浪費(fèi)原料，而且會使涂層內(nèi)聚力減?。?9］，不利于長期穩(wěn)定性。

現(xiàn)場采用工業(yè)壓縮空氣和增加軸流風(fēng)扇方式給管道內(nèi)輸送新風(fēng)，增加空氣流通，縮短油漆實(shí)干時(shí)間。

主廠房內(nèi)冷卻水管道閥前、閥后增加犧牲陽極塊，陽極塊離閥門距離為2 m 左右。

6 結(jié)語

以海水為熱交換媒介的開式循環(huán)水系統(tǒng)管道的內(nèi)防腐問題，是沿海煤電站投產(chǎn)運(yùn)行必須面對的常態(tài)問題，尤其是對于直流式海水冷卻更是如此。通過在凝汽器進(jìn)出口管道閥前、閥后增加犧牲陽極塊，嚴(yán)格控制防腐油漆施工質(zhì)量等措施，保證冷卻水管道整體防腐效果。

管道之間伸縮節(jié)、閥門等附件，視情況可采取金屬導(dǎo)體跨接手段，保證管道作為陰極極化導(dǎo)體的電連續(xù)性。

閥門法蘭對接面增加涂刷防腐漆環(huán)節(jié)，消除縫隙腐蝕，防止?jié)B漏。

海水取水流道處加氯裝置，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求落實(shí)連續(xù)投放和沖擊加藥劑量，以達(dá)到殺死海洋藻類和貝類目的，延長管道防腐壽命；同時(shí)針對閉式水板換前濾水器，要經(jīng)常清污，減少藤壺等海洋貝類滋生。

膠球收球網(wǎng)管段為冷卻水管道的一部分，運(yùn)行前應(yīng)先調(diào)好就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度，避免損傷收球網(wǎng)管段襯里。