發(fā)電機(jī)定子線棒腐蝕的原因分析及防范措施探討

1、貴賓會(huì)員zhuh提供-發(fā)電機(jī)定子線棒腐蝕的原因分析及防范措施探討庹文群(華能岳陽(yáng)電廠湖南岳陽(yáng)414002摘要 對(duì)水冷式發(fā)電機(jī)空心銅導(dǎo)線的腐蝕因素進(jìn)行了分析,就2008 年2 月3 月對(duì)華能系統(tǒng)29 家電廠所采用的防腐蝕措施的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了分析比較,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出了幾種安全可行的防腐蝕措施。關(guān)鍵詞 發(fā)電機(jī)定子線棒腐蝕防范措施探討大型發(fā)電機(jī)的冷卻方式有“水-氫-氫”、“水-水-氫”、“水-水-空” 三種,我國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)組廣泛采用“水-氫-氫”冷卻方式,即定子繞組用水內(nèi)冷,轉(zhuǎn)子繞組用氫內(nèi)冷,定子鐵芯及其他部分用氫冷。水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)最大的問題就是銅導(dǎo)線的腐蝕,其危害一方面是引起冷卻水中銅離子含量

2、增加,使冷卻水的電導(dǎo)率上升,從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)泄漏電流的增加,另一方面是腐蝕產(chǎn)物在空芯銅導(dǎo)線內(nèi)的沉積,這有可能使空芯銅導(dǎo)線內(nèi)部發(fā)生堵塞,從而導(dǎo)致銅導(dǎo)線的溫度明顯上升,甚至導(dǎo)致絕緣受損。根據(jù)對(duì)華能系統(tǒng)所屬電廠采取的銅線棒防腐蝕措施及其水質(zhì)狀況的調(diào)查,結(jié)合我廠的實(shí)際情況,就發(fā)電機(jī)空心銅導(dǎo)線的腐蝕原因及其防范措施進(jìn)行探討。1 銅的腐蝕機(jī)理銅腐蝕的根本原因是冷卻水中存在著溶解氧和溶解二氧化碳,此外在腐蝕過(guò)程中生成的二價(jià)銅離子對(duì)銅的腐蝕有加速作用。這一腐蝕過(guò)程的反應(yīng)如下: 2發(fā)電機(jī)定子線棒腐蝕的影響因素由CuH2O 體系電位pH 平衡圖可知,金屬銅的熱力學(xué)免蝕區(qū)與H2O 的熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)部分重疊,那么金屬銅在

3、H2O 中具有足夠的穩(wěn)定性,在無(wú)氧化劑或能與Cu 離子生成可溶性絡(luò)合物的水溶液中,金屬銅一般不發(fā)生腐蝕,金屬銅處于免蝕區(qū);但在有氧化劑的酸性溶液或強(qiáng)堿性條件下,金屬銅處于腐蝕區(qū);在中性或弱堿性條件下和有氧化劑存在時(shí),金屬銅表面形成的氧化物具有穩(wěn)定性能對(duì)金屬銅基體起到保護(hù)作用,從而使金屬銅鈍化。 銅在純水中的腐蝕,并非隨著水中氧的濃度成比例升高,而是先升高后下降,見圖2。這主要是因?yàn)镃u2+、Cu+的氧化物有不同的溶解度,而含氧量會(huì)改變Cu2+和Cu+的比例。因此,水中含氧量改變,也會(huì)改變銅的溶解和析出。從溶解氧方面考慮降低銅線棒的腐蝕方法有:采用貧氧運(yùn)行方式,控制溶解氧濃度在較低水平(<

4、30g/L,達(dá)到防腐的目的,如:華能石洞口二廠就有非常成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)充氮密封,維持含氧量小于20g/L,內(nèi)冷水小混床旁路處理水量?jī)H占系統(tǒng)水量的3%左右,pH 值為7,而其含銅量小于5g/L,電導(dǎo)率小于0.15S/cm。采用富氧運(yùn)行方式,有些國(guó)家發(fā)展了通空氣以降低銅的腐蝕工況,在我國(guó)鄒縣電廠首例運(yùn)用,該方法在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行中,不應(yīng)加入空氣,防止帶入CO2,應(yīng)向內(nèi)冷水系統(tǒng)中加入純氧,并應(yīng)避免內(nèi)冷水溶氧量在60-600g/L 區(qū)間,防止腐蝕過(guò)快發(fā)生銅腐蝕產(chǎn)物脫落及二次沉積。后來(lái)證明這種方法并不可取實(shí)用,存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。所以我國(guó)不提倡高氧運(yùn)行方式。2.2 二氧化碳的影響二氧化碳對(duì)于冷卻水系統(tǒng)的防

5、腐是極為不利的。它主要有兩方面的危害:其一,二氧化碳溶于水后使水的pH 降低,氧化銅的溶解度增大;其二,它可以參與化學(xué)反應(yīng),使銅的氧化腐蝕產(chǎn)物由Cu2O 轉(zhuǎn)化為堿式碳酸銅,該物質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物在水流的沖刷下極易剝落。總之,二氧化碳破壞了初始氧化層的保護(hù)作用,使腐蝕繼續(xù)進(jìn)行下去,并且其腐蝕速度隨溶解在水中的二氧化碳質(zhì)量濃度的增大而增大。2.3 pH 的影響在水中,銅的電極電位低于氧的電極電位,從化學(xué)熱力學(xué)的觀點(diǎn)看,銅是能被氧化腐蝕的,腐蝕反應(yīng)能否不斷地進(jìn)行下去,取決于腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì),如果它在銅表面的沉積速度很快,而且又很致密,就起到了保護(hù)作用,即形成了所謂的保護(hù)膜;反之,腐蝕沉積物不能形成保護(hù)膜,腐

6、蝕就會(huì)不斷地進(jìn)行下去。銅的氧化膜的形成和防腐性能,與溶液的pH 值關(guān)系密切,提高介質(zhì)的pH 值,可降低氧化銅的溶解度,但過(guò)高的pH 值會(huì)使CuO 轉(zhuǎn)變成Cu2O,使保護(hù)膜溶解,實(shí)際上,在水中銅的自然腐蝕電位為0.20.3 V,對(duì)照poubix 電位pH 圖可知, pH=710,銅處于最穩(wěn)定狀態(tài),腐蝕速度較小。2.4 溫度的影響一般地說(shuō),溫度升高,腐蝕速度也會(huì)增加。對(duì)于密閉式隔離系統(tǒng)的發(fā)電機(jī),溫度升高,氧化作用加快,導(dǎo)致腐蝕加快;對(duì)于敞開系統(tǒng)的發(fā)電機(jī),一方面溫度升高使腐蝕加快,另一方面溫度升高會(huì)使水中氣體溶解度降低,減緩腐蝕;在敞開系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)中,溫度由30升到60時(shí),腐蝕逐漸加大;溫度繼續(xù)上升

7、,腐蝕逐漸減小,形成一種所謂的“中間大,兩頭小”狀態(tài)。2.5 流速冷卻水的流動(dòng)產(chǎn)生兩方面的影響:2.5.1 水的流速越高,機(jī)械磨損越大;另外,水的流速超過(guò)一定值時(shí),還會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。2.5.2 水的流動(dòng)會(huì)加速水中腐蝕性物質(zhì)向金屬表面遷移,并破壞鈍化膜。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,銅的腐蝕速度會(huì)隨流速的增大而增大。3 調(diào)查情況為了弄清不同處理方式對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒腐蝕的影響,2008 年2 月3 月對(duì)華能系統(tǒng)29 家電廠的發(fā)電機(jī)冷卻水的處理方式進(jìn)行了調(diào)查,調(diào)研結(jié)果如表1 所示。 從調(diào)查情況看,對(duì)于發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水防腐的處理方法,多種多樣,現(xiàn)就其各自的優(yōu)劣分析如下。3.1 中性水工況除氧防腐技術(shù)在水箱內(nèi)充入一定

8、壓力的惰性氣體氮?dú)?使氧和二氧化碳不能進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi),對(duì)防止氧腐蝕和二氧化碳酸性腐蝕起到一定作用,它的條件是系統(tǒng)必須嚴(yán)密,使用脫氧脫碳水,并引入離子交換系統(tǒng),實(shí)際運(yùn)行狀況,水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良,其含銅量小于5g/L,電導(dǎo)率小于0.15S/cm。3.2 堿性水工況防腐技術(shù)3.2.1 Na+H 型雙混床旁路處理使用Na 型混床(R-Na/R-OH 和H 型混床(R-H/R-OH 雙混床并聯(lián)運(yùn)行的堿性運(yùn)行方式,對(duì)部分內(nèi)冷卻水進(jìn)行處理。當(dāng)內(nèi)冷卻水pH 值偏低時(shí),通過(guò)加大鈉型混床的流量來(lái)提高pH 值;當(dāng)內(nèi)冷卻水電導(dǎo)率偏高時(shí),可通過(guò)加大氫型混床水流量來(lái)降低電導(dǎo)率。這種運(yùn)行方式雖然具有調(diào)節(jié)靈活、無(wú)需加藥、安全性好等優(yōu)點(diǎn)

9、,但也存在操作繁瑣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地較多等缺點(diǎn),水質(zhì)穩(wěn)定性受兩混床流量的制約。3.2.2 Na+H 型單混床旁路處理根據(jù)Na+H 型雙混床處理的原理,將Na 型、H 型陽(yáng)樹脂和強(qiáng)堿OH 型陰樹脂裝入同一離子交換器中,其樹脂裝載方式見圖4。只通過(guò)離子交換的方式就能使內(nèi)冷卻水中含有微量的氫氧化鈉,達(dá)到pH、電導(dǎo)率和含銅量同時(shí)合格的要求,采用這種處理方法,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,占地面積小,水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良,混床的運(yùn)行周期也相對(duì)較長(zhǎng)。某廠采用此技術(shù)處理發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水后,防腐效果好,水質(zhì)穩(wěn)定,運(yùn)行中不需任何調(diào)整操作,發(fā)電機(jī)進(jìn)口pH 值7.88.1、電導(dǎo)率(25<0.3S/cm、銅<10g/L,華能岳陽(yáng)電廠的實(shí)踐

10、經(jīng)驗(yàn),在H-OH 混床(樹脂裝載量44升運(yùn)行方式下的運(yùn)行周期只有2030 天,而改為Na+H 型運(yùn)行后,同樣的樹脂裝載量下,運(yùn)行周期提高到了七個(gè)月以上。3.2.3 H-OH 混床旁路處理+ 堿處理法使用H-OH 型旁路小混床對(duì)部分內(nèi)冷卻水進(jìn)行處理,以降低電導(dǎo)率和含銅量,通過(guò)加堿來(lái)提高pH值,此方法操作煩瑣,系統(tǒng)復(fù)雜,加堿量控制的運(yùn)行水平直接影響水質(zhì)。3.3 H-OH 混床旁路處理法使用H-OH 型旁路小混床對(duì)部分內(nèi)冷卻水進(jìn)行處理,以降低電導(dǎo)率和含銅量。采用此方法處理時(shí),一般內(nèi)冷卻水的pH 值低于7.0,當(dāng)水箱密封不嚴(yán),水中溶有二氧化碳和氧氣時(shí),銅線棒的腐蝕較嚴(yán)重,同時(shí)混床運(yùn)行的周期短,需經(jīng)常更

11、換離子交換樹脂。某廠發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)正常流量44m3/h,定冷水凈化裝置設(shè)計(jì)流量1.08m3/h,除鹽裝置樹脂量為:22 升H 型陽(yáng)樹脂和22 升OH 型陰樹脂,其運(yùn)行周期一般為2030 天,pH 值大多為5.36.3,電導(dǎo)率大多為2.44.8S/cm,銅含量平均為300500g/L,有時(shí)高達(dá)1000g/L。3.4 連續(xù)補(bǔ)水、連續(xù)排放方式采用內(nèi)冷水系統(tǒng)連續(xù)排放、連續(xù)補(bǔ)充(含氨凝結(jié)水的方式。排放水量依據(jù)電導(dǎo)率和含銅量來(lái)確定,方法是從內(nèi)冷水水箱上部溢流,從而達(dá)到降低水中含銅量的目的,這種方法是當(dāng)內(nèi)冷卻水水質(zhì)接近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),用除鹽水或凝結(jié)水或凝結(jié)水精處理出水對(duì)內(nèi)冷卻水進(jìn)行部分或全部換水,操作簡(jiǎn)單,

12、但實(shí)際上沒有起到防腐作用,并且用水量大,不好控制各種指標(biāo);因需頻繁換水運(yùn)行,不僅工作量較大,若操作不當(dāng)還可能影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行,并且浪費(fèi)了大量的除鹽水或凝結(jié)水,再加上除鹽水中含有大量的溶解氧和二氧化碳,凝結(jié)水中氨含量相對(duì)較高,易使銅線棒發(fā)生腐蝕。3.5 添加緩蝕劑某電廠采用了加MBT(2-硫基苯駢噻唑的防腐處理方法。具體做法是:將MBT 溶于NaOH 溶液內(nèi)制成母液,加入到內(nèi)冷水箱,維持合適的MBT 質(zhì)量濃度、電導(dǎo)率、pH 值,很明顯,這樣會(huì)出現(xiàn)以下問題:因?yàn)镸BT 不溶于水,要靠加NaOH 來(lái)溶解,必然會(huì)提高冷卻水的電導(dǎo)率,內(nèi)冷卻水的pH 值和電導(dǎo)率難以同時(shí)合格、水質(zhì)不穩(wěn)定;其次,緩蝕劑和銅離子易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),在線棒內(nèi)產(chǎn)生沉積,影響發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)某電廠曾發(fā)生定子線棒燒毀事故后,用X 衍射儀對(duì)損壞線棒進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)垢中存在添加的緩蝕劑與銅離子絡(luò)合產(chǎn)生的沉積物。4 結(jié)論和建議4.1 結(jié)論綜上所述,導(dǎo)致銅線棒腐蝕的根本原因是內(nèi)冷水中存在溶解氧和溶解二氧化碳,最有效的防范措施是中性水工況除氧防腐技術(shù)和堿性水工況防腐技術(shù),而堿性水工況防腐技術(shù),又以Na+H 型單混床旁路處理更為理想。4.2 建議4.2.1 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)內(nèi)冷卻水的電導(dǎo)率和pH 值,定期測(cè)量含銅量。4.2.2