SCAL型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧含量變化及其 對材料腐蝕的影響

易小蘭

（天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院，四川眉山 620564）

表面式換熱器鋁制散熱器（SCAL）型間接空冷機(jī)組融合了海勒式間冷系統(tǒng)的鋁制散熱器和哈蒙式間冷系統(tǒng)的表面式換熱器的優(yōu)點[1-3]，解決了我國北方富煤貧水地區(qū)的發(fā)電問題，目前該機(jī)組在運(yùn)行期間主要的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為pH、電導(dǎo)率、鐵鋁含量等。SCAL型間冷系統(tǒng)作為閉式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水呈弱堿性[8]，而循環(huán)水pH異常升高原因尚不清楚，材料的腐蝕控制尚無完善的解決方案[6-9]。氧氣作為腐蝕反應(yīng)重要的去極化劑[10]，對腐蝕反應(yīng)影響重大。目前溶氧量卻沒有作為常規(guī)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，循環(huán)水中溶解氧的變化及其對材料腐蝕的機(jī)理有待研究。本文通過現(xiàn)場調(diào)查以及現(xiàn)場掛片實驗，對SCAL型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧變化情況以及溶解氧對材料腐蝕的影響進(jìn)行研究。

1 研究方法與實驗材料

1.1 現(xiàn)場調(diào)研及掛片實驗

為了闡明SCAL型間冷系統(tǒng)中循環(huán)水溶解氧含量變化規(guī)律，本文對6家使用SCAL型間冷系統(tǒng)電廠的8臺機(jī)組循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)研。循環(huán)水溶解氧含量通過上海美西智能電子儀器有限公司生產(chǎn)的OX-12B型便攜式測氧儀進(jìn)行測量。通過對間冷系統(tǒng)內(nèi)材料腐蝕情況檢查對材料腐蝕類型進(jìn)行分析。在某電廠通過如圖1所示的旁路掛樣裝置在不同溶解氧含量的循環(huán)水中進(jìn)行掛樣，研究循環(huán)水中溶解氧含量對于材料腐蝕速率的影響。

圖1 間冷系統(tǒng)現(xiàn)場旁路腐蝕掛片裝置示意圖

掛片實驗結(jié)束后，按GB/T16545—1996中的方法去除鐵、鋁試片的腐蝕產(chǎn)物，使用失重法計算鐵鋁試片的腐蝕速率。

1.2 實驗材料

現(xiàn)場掛片實驗采用與SCAL型間冷系統(tǒng)相同材質(zhì)的試片進(jìn)行，分別為1050A純鋁和Q235B碳鋼，其具體成分如表1和表2所示。

表1 實驗用純鋁1050A的化學(xué)成分（wt.%）

表2 實驗用碳鋼Q235B的化學(xué)成分（wt.%）

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 SCAL型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧含量調(diào)查

SCAL型間冷系統(tǒng)主要由間冷塔、散熱器組件（冷卻三角）、循環(huán)水泵（33%）、地下儲水箱、膨脹水箱、凝汽器和進(jìn)出循環(huán)水管道等部分構(gòu)成[5]，如圖2所示。

圖2 SCAL型間冷系統(tǒng)組成示意圖

在循環(huán)水運(yùn)行期間，各個扇區(qū)的排空管道開口很小，且空氣通過排空管道進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)需要擴(kuò)散經(jīng)過長度大于冷卻三角高度的水柱（冷卻三角高度一般為24m），雖與大氣相連通，但空氣不能進(jìn)入。膨脹水箱有長度大于冷卻三角高度的管道將膨脹水箱與循環(huán)系統(tǒng)間隔，管道內(nèi)的水起到液封作用。地下水箱與循環(huán)系統(tǒng)隔開，不參與循環(huán)。從結(jié)構(gòu)上看，外界空氣中的氧氣較難在系統(tǒng)運(yùn)行過程中擴(kuò)散進(jìn)入[1]。因此，循環(huán)水中溶解氧來源是運(yùn)行前除鹽水中溶解的氧氣。

2.2 SCAL型間冷系統(tǒng)中材料腐蝕類型分析

SCAL型間冷系統(tǒng)的循環(huán)水管道選材為碳鋼（牌號Q235B），調(diào)研結(jié)果顯示：在某電廠間冷系統(tǒng)停用期管道內(nèi)部腐蝕情況如圖3所示，整體來看，熱水輸水管道和冷水輸水管道內(nèi)腐蝕情況基本相同，循環(huán)水管道內(nèi)壁附著有腐蝕物，總體看腐蝕比較均勻，無明顯的局部腐蝕現(xiàn)象。從腐蝕形態(tài)上看，腐蝕產(chǎn)物在管道表面形成凸起的鼓泡，鼓包外層與內(nèi)層呈現(xiàn)較深顏色。根據(jù)管道內(nèi)壁的腐蝕形態(tài)判斷，碳鋼管道發(fā)生的腐蝕類型為氧腐蝕。[4-5]。

圖3 循環(huán)水管道內(nèi)部腐蝕情況（a）（b）（c）（d）

為熱水輸水管道；（e）（f）為冷水輸水管道

SCAL型間冷系統(tǒng)使用除鹽水作為循環(huán)水，在該系統(tǒng)運(yùn)行期間pH值隨運(yùn)行時間增加而逐漸升高，在弱堿性水質(zhì)條件下，碳鋼腐蝕的去極化劑為氧氣[12]。

碳鋼發(fā)生氧腐蝕的機(jī)理如下：

SCAL型間冷系統(tǒng)冷卻三角材質(zhì)為純鋁（牌號1050A），調(diào)查發(fā)現(xiàn)只有管口位置存在腐蝕，鋁管內(nèi)壁沒有出現(xiàn)泄漏。由于鋁性質(zhì)活潑，本身極易氧化，其表面生成的氧化膜可以起到抗氧化作用[3]，因此，該系統(tǒng)中氧氣的消耗與鋁腐蝕關(guān)系不大。

部分SCAL型間冷系統(tǒng)在運(yùn)行期間會向系統(tǒng)循環(huán)水中添加聯(lián)氨用于減緩材料腐蝕。雖然聯(lián)氨能與氧氣反應(yīng)，但是反應(yīng)速率受到溫度、pH和聯(lián)氨過剩量的影響，一般需要溫度達(dá)到150℃，pH在9~11，且有足夠的聯(lián)氨剩余量時與氧反應(yīng)速度較快。間冷循環(huán)水的溫度（最高65℃左右）和pH（一般小于8.5）都不適宜聯(lián)氨與氧氣反應(yīng)。

綜上，碳鋼的腐蝕反應(yīng)消耗應(yīng)該是SCAL型間冷循環(huán)水中溶解氧的主要消耗形式[13]。以10 000t水的系統(tǒng)為例，初始溶解氧含量8mg/L，腐蝕反應(yīng)為4Fe+3O2+6H2O→4Fe（OH）3，則循環(huán)水中全部溶解的氧氣可以使3 333.28mol鐵發(fā)生腐蝕。如果這些腐蝕產(chǎn)物全部進(jìn)入循環(huán)水，會導(dǎo)致循環(huán)水中鐵含量上升18.656mg/L。考慮到循環(huán)水溫度升高時還會逸出部分溶解氧，循環(huán)水中鐵含量實際上升量小于該值。

2.3 SCAL型間冷系統(tǒng)中溶解氧含量對材料腐蝕的影響

為了研究循環(huán)水中溶解氧含量對于材料腐蝕的影響，利用如圖1所示現(xiàn)場掛片裝置在某電廠進(jìn)行了3組實驗，通過對比不同溶解氧條件下材料的腐蝕速率對這一問題進(jìn)行研究。3組實驗分別命名為現(xiàn)場掛片實驗1~3?，F(xiàn)場掛片實驗選擇了兩種溶解氧含量階段：現(xiàn)場掛片實驗1實驗過程中循環(huán)水溶解氧100~180μg/L，現(xiàn)場掛片實驗2、3進(jìn)行期間循環(huán)水溶解氧約5μg/L。現(xiàn)場掛片實驗1和2進(jìn)行3d，現(xiàn)場掛片實驗3進(jìn)行了28d?，F(xiàn)場掛片實驗過程中碳鋼和鋁試片表面水流速率約為1.25m/s。三組現(xiàn)場實驗期間水質(zhì)情況監(jiān)測情況匯總于表2~表4。

表2 現(xiàn)場掛片實驗1進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表

表3 現(xiàn)場掛片實驗2進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表

表4 現(xiàn)場掛片實驗3進(jìn)行期間循環(huán)水水質(zhì)變化記錄表

從表2至表3可以看出，三次實驗過程中循環(huán)水電導(dǎo)率處于4.57~5.63，各組實驗之間無明顯差異，pH處于7.17~8.73，各組實驗之間無明顯差異?，F(xiàn)場掛片實驗1期間溶解氧含量最小測量值為96μg/L，最大測量值為177μg/L，現(xiàn)場掛片實驗2和3實驗期間溶解氧含量約5μg/L。三組現(xiàn)場掛樣實驗中，循環(huán)水水質(zhì)除溶解氧有明顯區(qū)別外，其他水質(zhì)參數(shù)基本接近。

3 結(jié)束語

1）SCAL型間冷系統(tǒng)在運(yùn)行期間基本處于密閉狀態(tài)，運(yùn)行期間大氣中的氧氣難以擴(kuò)散進(jìn)入，循環(huán)水中溶解氧主要是注水時除鹽水中攜帶的溶解氧。該型間冷系統(tǒng)循環(huán)水中溶解氧能降低至1.1μg/L。

2）碳鋼的腐蝕反應(yīng)是SCAL型間冷系統(tǒng)中氧氣的消耗主要原因。系統(tǒng)內(nèi)換水會引起循環(huán)水中溶解氧波動。

3）SCAL型間冷循環(huán)水中溶解氧含量是一個重要的水質(zhì)指標(biāo)，能夠在一定程度上反映循環(huán)水的腐蝕性。循環(huán)水中氧氣降低至5μg/L時，系統(tǒng)中碳鋼和純鋁的腐蝕速率均明顯降低。