電廠淡水凝汽器腐蝕的陰極保護(hù)

1、電廠淡水凝汽器腐蝕的陰極保護(hù)2004 年 09 月 14 日腐蝕與防護(hù) 2001 年 7 月 第 22 卷第 7 期 范隆海 （ 廣西電力試驗(yàn)研究院，南寧 530023）摘 要：根據(jù)電廠凝汽器的結(jié)構(gòu)情況及腐蝕特點(diǎn)，對(duì)在低電導(dǎo)介質(zhì)疑水中實(shí)施凝汽器陰 極保護(hù)防腐蝕進(jìn)行了研究，并對(duì)凝汽器陰極保護(hù)參數(shù)的確定和陰極保護(hù)實(shí)施中的有關(guān)問 題進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞：防腐蝕；陰極保護(hù)；凝汽器；淡水 中圖分類號(hào)： TG174 41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1005 748X(2001)07-0303-04收稿日期： 2001-11-01 1 引言火電廠凝汽器因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材質(zhì)多樣以及運(yùn)行環(huán)境苛刻，腐蝕損壞較為嚴(yán)

2、重。陰極 保護(hù)技術(shù)作為防止凝汽器腐蝕的重要措施在國外已被廣泛采用并取得了良好效果。在我 國，高電導(dǎo)的海水或海水倒灌介質(zhì)中凝汽器的陰極保護(hù)防蝕已取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)于低電導(dǎo)淡水介質(zhì)中（200 uS /cm左右）凝汽器陰極保護(hù)則研究較少，尚無成功經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明淡水中凝汽器的腐蝕仍不可忽視。2 陰極保護(hù)技術(shù)陰極保護(hù)技術(shù)是通過把陰極電流施加到被保護(hù)金屬表面，使之進(jìn)行適度的陰極極化， 將金屬在介質(zhì)中的電極電位負(fù)移從而降低其腐蝕速率。對(duì)電廠凝汽器，采用陰極保護(hù)防 蝕是適宜的。據(jù)報(bào)道， 90 年代初日本在淡水冷卻的 50 、海水冷卻的 96 的電廠凝 汽器上都設(shè)置了陰極保護(hù)系統(tǒng)。陰極保護(hù)可以防止或減

3、輕凝汽器由不同材質(zhì)引起的電偶 腐蝕以及沖刷蝕或砂蝕，通過降低電位，對(duì)管材的點(diǎn)蝕、脫鋅等均有較好效果，能有效 地防止或減緩凝汽器腐蝕的發(fā)生。由于淡水的電阻率很高 （ 比海水高約 200 倍 ），水質(zhì)成分與海水相比也有較大差異，濃差、離子遷移對(duì)電極過程影響大，陰陽極反應(yīng)阻力也較海水中要大，所以海水中成功 應(yīng)用的某些結(jié)果，如電極的選型和布置、電流電位的分布、保護(hù)參數(shù)的范圍、鈣質(zhì)沉積 層的形成和影響、運(yùn)行控制和調(diào)整等，在淡水中卻不一定適用，這些問題正是本研究的 關(guān)鍵內(nèi)容。3 試驗(yàn)和陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 1 陰極保護(hù)參數(shù)試驗(yàn)保護(hù)電位和保護(hù)電流是陰極保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。淡水中凝汽器陰極保護(hù)參數(shù)的經(jīng) 驗(yàn)數(shù)據(jù)較

4、少，故以試驗(yàn)為主結(jié)合資料數(shù)據(jù)來確定。先以實(shí)驗(yàn)室極化曲線法來確定陰極保 護(hù)的可能性和祖略的保護(hù)參數(shù)， 再以模擬試驗(yàn)研究保護(hù)方式進(jìn)一步確定保護(hù)參數(shù)。圖 2 是凝汽器中主要受保護(hù)材質(zhì)碳鋼和 HAI77 2A 銅管的陰極極化曲線，介質(zhì)為天然 河水(電導(dǎo)率為200 S /cm左右)。 圖1中，外加陰極電流使碳鋼試樣的電位負(fù)移,當(dāng)外加電流IaPP為23 . 9uA/cm2時(shí)，碳鋼的陰極極化電位為-0 . 68V(SCE)，負(fù)移量£= 0.31V，可知此時(shí)碳鋼已得到保護(hù)。當(dāng)lapp繼續(xù)增大，電位負(fù)移至-1 .05V(SCE)時(shí)，陰極電流急劇上升，并在試樣表面見有氣泡產(chǎn)生，說明試樣電位已負(fù)移至析氫電

5、位而致過保護(hù)了。故碳鋼的保護(hù)參數(shù)為：-0 68-1 05V(SCE) 、23 952 5A/cm 2。同樣， 圖 2 表明銅材的保護(hù)參數(shù)為： -0 48-105V(SCE)、16 644.6 A/cm 2。由此確定凝汽器陰極保護(hù)參數(shù)為：-0 68-105V(SCE)、23 952.5 A2/ cm 2。試驗(yàn)中如果金屬電偶作用、溫度、流速、以及泥砂和氧化劑量等因素對(duì)電極過程的影響均未作考慮；因歐姆電位降“ IR '的原因還存在測(cè)試和儀器的誤差，故實(shí)驗(yàn)選定的參數(shù)范圍只是指導(dǎo)性的，但為凝汽器陰極保護(hù)的可能性提供了依據(jù)。所得保護(hù)電流值 較高與均勻全面腐蝕有關(guān)。3 2 陰極保護(hù)方式犧牲陽極法和外

6、加電流法陰極保護(hù)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，為確定陰極保護(hù)方式進(jìn)行了模 擬試驗(yàn)。在凝汽器模擬試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行了兩種保護(hù)方式的動(dòng)、靜態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)水質(zhì)電 導(dǎo)率為200S /cm左右，銅管為HAI77 2A管，管板為圓形碳鋼，犧牲陽極用鎂基陽極，外部電源用直流穩(wěn)壓電源，參比電極為高純鋅，電位和電流用數(shù)字萬能表測(cè)量。36h 后電位負(fù)移圖 3 、圖 4 是外加電流式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)保護(hù)參數(shù)的變化情況。大約經(jīng)過 至-0.01V(Zn)，電位負(fù)移量 約為0 . 6V ,外加電流穩(wěn)定值為 11 . 5mA，保護(hù)電流密度為150mA / m2。在同樣的情況下，動(dòng)態(tài)時(shí)所需的保護(hù)電流較靜態(tài)時(shí)大約1倍，動(dòng)態(tài)時(shí)電位的穩(wěn)定性也不如靜態(tài)時(shí)好，

7、估計(jì)是水流的紊亂干擾了電流的分布和電極 反應(yīng)速度，陰極極化程度降低而加大了陰極反應(yīng)電流，同時(shí)，動(dòng)態(tài)下鈣質(zhì)沉積層不易形 成( 盡管很微量 )和電流的屏蔽效應(yīng)也是動(dòng)態(tài)時(shí)保護(hù)電流較大的原因。選擇鎂基犧牲陽極試驗(yàn)。犧牲陽極表面積與被保護(hù)金屬表面積之比及值的大小決定著犧牲陽極的形狀和數(shù)量。試驗(yàn)中選擇了3 %和9 %兩個(gè)R值水平。圖5是靜態(tài)鎂陽極時(shí)在兩個(gè) R值水平時(shí)管板管端電位變化情況，表明當(dāng) R值為3 %表明在 R 值為時(shí)£僅為2l10mV , 9%時(shí)增至440mV，這說明靜態(tài)時(shí) R值必須在9%左右時(shí)方能有足夠的電位負(fù)移。 圖 6 是用鎂陽極時(shí)動(dòng)態(tài)下管板管端電位的變化情況，9 %時(shí)，電位負(fù)移至

8、 +o 04V(Zn) ，相應(yīng)的保護(hù)電流為 5 6mA 即電流密度為 92mAm 2。試驗(yàn)表明， R 為 3%時(shí)電流的變化明顯比 9%時(shí)平緩， 初始電流也相差約 57mA/m2，說明R值的增大提高了陽極的輸出電流；從£來看，R值必需達(dá)到9 %時(shí)才有 足夠的保護(hù)效果。另外，動(dòng)態(tài)下由于介質(zhì)紊亂，極化相對(duì)較困難，穩(wěn)定時(shí)間及穩(wěn)定值均 較靜態(tài)時(shí)有所增大，保護(hù)電流也增大近一倍。外加電流和犧牲陽極這兩種方式均能使管板及管端電位降低至 o04V(Zn) ，這已比碳鋼或銅合金在淡水中的自腐蝕電位低o3V以上，金屬處于保護(hù)狀態(tài)。但犧牲陽極法其 R 值高達(dá) 9%且此時(shí)輸出電流比外加電流法小近一倍，表明低電

9、導(dǎo)介質(zhì)中凝汽器的陰極保護(hù)方式較適合采用外加電流式。在模擬試 驗(yàn)中，已初步考慮了碳鋼與銅合金的面積比、水流及水室結(jié)構(gòu)、銅管的屏蔽等因素，其 結(jié)果是有參考意義的。3 3 現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)犧牲陽極法的驅(qū)動(dòng)電位完全取決于犧牲陽極本身和受保護(hù)金屬的電化學(xué)性能，如果 驅(qū)動(dòng)電壓小輸出電流有限，調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)性差；同時(shí)考慮到凝汽器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性 以及冷卻水的高電阻率，設(shè)計(jì)凝汽器陰極保護(hù)系統(tǒng)為：外加電流式，保護(hù)電位范圍為2+o 25+o 1V(Zn) ，銅材和碳鋼的初始平均保護(hù)電流為015 和 01Am 2，采用20A / 90V的磁飽和式恒電位儀，采用n型鉑鈮和直棒型鋅兩種輔助陽極，高純鋅為參比電極，用耐蝕

10、環(huán)氧基涂料。4 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析o 65o 72V(Zn) ，前后陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝后即進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)加電和不加電調(diào)試，測(cè)試了管板與管端電位 隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果表明管板與管端自然腐蝕電位在 水室略有不同。動(dòng)、靜態(tài)加電后的情況相似，但動(dòng)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長，恒電位儀輸出也高一些。靜態(tài)穩(wěn)定后管板及管端電位為 +o 23+026V(Zn) 、恒電位儀輸出為9 . 5V和0 .8-1 . oA ;動(dòng)態(tài)穩(wěn)定后為+0 . 30V(Zn)左右、輸出為10V和1 . 01 . 6A。圖7 是機(jī)組陰極保護(hù)系統(tǒng)半年的運(yùn)行曲線，表明保護(hù)電位較穩(wěn)定，恒電位儀運(yùn)行正常且有余量，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基本合理的。陰極

11、保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果除進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)外，更重要的是其實(shí)際的保護(hù)防蝕效果。凝 汽器腐蝕的電極過程隨不同的條件在不斷變化，如自然電位的漂移、陰極過程的加速或 減緩等，這些都是不能儀從保護(hù)電位上反映出來的 ( 還有測(cè)試的影響 )，單從運(yùn)行數(shù)據(jù)不能完全了解保護(hù)效果。試驗(yàn)中在安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)的同時(shí)安裝了鋼材和碳鋼兩組試片， 試片在保護(hù)和末保護(hù)的情況下隨系統(tǒng)運(yùn)行了近兩年，大修時(shí)取出以評(píng)價(jià)保護(hù)效果。試片 檢查情況見表 l 。碳鋼在淡水中常是局部性的孔蝕和潰瘍狀腐蝕，在貴金屬電偶作用下 其局部腐蝕將更快發(fā)展。失重法所得腐蝕速率儀是平均值，難以反映其局部腐蝕程度。在實(shí)際工程中，陰極保護(hù)所能提供的保護(hù)程度如可阻止金屬發(fā)

12、生危險(xiǎn)的局部腐蝕即認(rèn)為 是適宜的；同時(shí)從運(yùn)行凝結(jié)水質(zhì)和水室涂層的檢查結(jié)果也表明，機(jī)組陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行 是正常的。5 討論(1) 考慮到凝汽器前水室的腐蝕情況和運(yùn)行特點(diǎn)，試驗(yàn)中是以前水室管板及管端電位作為保護(hù)電位的控制電位的。采用單點(diǎn)電位控制有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)和便于控制，但要求輔助電極和參比電極的定位布置要合理，能采出有充分代表性的保護(hù)(極化 )電位，所以各保護(hù)范圍的電流分布和極化程度要相對(duì)均勻，參比電極的安裝除控制點(diǎn)外要考慮IR 降的影響，試驗(yàn)表明參比電極距管板距離對(duì)電位的測(cè)試有較大影響。(2) 由于凝汽器銅管量多且細(xì)長，對(duì)電流屏蔽較大，模擬試驗(yàn)中測(cè)試過不同保護(hù)距離的保護(hù)電位，結(jié)果表明陰極保護(hù)效應(yīng)

13、大約只能延伸至管徑10 倍左右的深度。淡水中凝汽器銅管的腐蝕多發(fā)生在管端，如能防止端部腐蝕將阻止大部分腐蝕的發(fā)生，陰極保護(hù)滿足了這個(gè)要求。(3) 淡水低電導(dǎo)介質(zhì)中凝汽器陰極保護(hù)系統(tǒng)采用外加電流式為宜。凝汽器的水室結(jié)構(gòu)不利于高 R 值的犧牲陽極法，且犧牲陽極數(shù)量較多將有局部過保護(hù)的可能。在實(shí)際中，外加陰極電流隨運(yùn)行工況的不同是需不斷調(diào)整的，如極化之初需要較大電流而穩(wěn)定后又稍小、電極反應(yīng)的變化及涂層的破損等。試片結(jié)構(gòu)表明淡水中陰極保護(hù)同樣會(huì)導(dǎo)致鈣質(zhì)沉積層的出現(xiàn)，局部 pH 值的升高是引起該現(xiàn)象的原因；由于流速等原因?qū)嶋H上銅管內(nèi)壁是處于微垢層運(yùn)行，不可能象試片那樣有厚的沉積層，銅管及其它表面的微垢層由于程度和深度的原因不會(huì)影響凝汽器的運(yùn)行，卻能降低保護(hù)電流，對(duì)陰極保護(hù)有利。(4) 雖有試驗(yàn)結(jié)果作基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中保護(hù)電位還是逐漸下調(diào)的。由于測(cè)試、IR 降和電位電流分布的因素，直接將電位負(fù)移太多特有過保護(hù)的可能。整個(gè)保護(hù)面和局部過 保護(hù)都與電位電流的分布有關(guān)，局部過保護(hù)會(huì)使腐蝕加劇。在調(diào)節(jié)電位的過程中不時(shí)檢 查肪蝕涂層和管板水室的保護(hù)情況來確定電位的負(fù)移量，根據(jù)實(shí)際的保護(hù)效果不斷調(diào)整 恒電位儀的運(yùn)行是必要的，而不僅僅依賴實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6 結(jié)論在