濱海電廠水系統(tǒng)不銹鋼管道的腐蝕控制分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)某濱海電廠海水及海水反滲透產(chǎn)水不銹鋼管道的腐蝕現(xiàn)象，采用失重法、掃描電鏡、X射線衍射及電化學(xué)測(cè)試，對(duì)比研究了不銹鋼管在其中的腐蝕差異。結(jié)果表明:在海水中銹層抑制氧的傳遞，對(duì)碳鋼起保護(hù)作用;在反滲透產(chǎn)水中銹層起大陰極作用，加速基體腐蝕。實(shí)際工程中，海水反滲透產(chǎn)水比海水對(duì)不銹鋼管道更具侵蝕性。重新礦化反滲透產(chǎn)水是降低其腐蝕性的有效方法;另外，可考慮采用更耐蝕的不銹鋼、碳鋼襯塑管等作為管材。

 隨著淡水資源的日益短缺，我國(guó)多數(shù)濱海電廠設(shè)計(jì)從海水中獲取工業(yè)生產(chǎn)用水，即采用海水作為循環(huán)冷卻水，以海水反滲透產(chǎn)水作為全廠所需淡水(工業(yè)用水)。浙江省某電廠的海水不銹鋼管道采用直徑2300mm×19mm的大口徑不銹鋼鋼管道，采用涂層防腐蝕;海水反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)采用直徑小于200mm的不銹鋼管。近4年的運(yùn)行情況顯示，輸送反滲透產(chǎn)水的工業(yè)水管腐蝕情況較海水管道嚴(yán)重得多。由圖可見(jiàn)，海水管道內(nèi)壁附有較致密銹層，管材腐蝕情況相對(duì)較輕;而工業(yè)水管內(nèi)壁形成有較厚且疏松銹層，管厚減薄現(xiàn)象嚴(yán)重。

 目前，有關(guān)火電廠輸水管道在海水及反滲透產(chǎn)水中腐蝕差異鮮見(jiàn)報(bào)道。工程實(shí)踐中，海水中管道的防腐蝕受到重視，而處于反滲透水中的管道幾乎都未采取防護(hù)措施。本工作采用失重法、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XＲD)及電化學(xué)方法，對(duì)比研究了碳鋼在海水和反滲透產(chǎn)水中的腐蝕差異。以期更好地分析工業(yè)水管在服役環(huán)境中的腐蝕原因，并探索濱海電廠水系統(tǒng)碳鋼管道的有效防腐蝕方法。

一、試驗(yàn)

 1. 試樣及試劑

 試樣選用電廠管道主要用材料為不銹鋼管，尺寸為40mm×13 mm×2mm，試樣表面用金相砂紙(0～6號(hào))逐級(jí)打磨后待用。其中，電化學(xué)用試樣除1cm²工作面外，其余部分采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝。試驗(yàn)溶液為取自該電廠的海水、反滲透產(chǎn)水水樣。

 2. 試驗(yàn)方法

  a. 失重試驗(yàn)

  將試樣至于海水和海水反滲透產(chǎn)水中進(jìn)行動(dòng)態(tài)掛片，每組試驗(yàn)包含三個(gè)平行樣。

  b. 銹層表征

  將試樣置于海水和海水反滲透產(chǎn)水中360小時(shí)后，采用荷蘭FEI公司QUANTA200型掃描電鏡(SEM)和日本島津公司XＲD-6000型X射線衍射(XＲD)儀表征試樣表面銹層的成分及截面形貌。

  c. 電化學(xué)試驗(yàn)

  電化學(xué)阻抗測(cè)試采用三電極體系，工作電極為試樣，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極。試驗(yàn)前先將碳鋼電極浸入海水或反滲透產(chǎn)水中2小時(shí)(或360小時(shí))形成明顯銹層，之后進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)量，測(cè)量頻率范圍為0.01Hz～100 kHz，測(cè)量結(jié)果用等效電路解析。

二、結(jié)果與討論

 1. 腐蝕速率

  由圖可見(jiàn): 不銹鋼管在海水和反滲透產(chǎn)水中的腐蝕過(guò)程截然不同。在海水中，碳鋼腐蝕速率在浸泡初期迅速下降，之后逐漸穩(wěn)定在約0.6mm/a;而在反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼管腐蝕速率在浸泡初期迅速上升，最終穩(wěn)定在約1.4mm/a。這表明:海水反滲透產(chǎn)水對(duì)碳鋼的侵蝕破壞性比海水更強(qiáng);若無(wú)合適的防腐蝕手段，碳鋼管在反滲透產(chǎn)水中不耐蝕。這一結(jié)果與電廠管道的腐蝕現(xiàn)象一致。

 開(kāi)始浸泡時(shí)，不銹鋼管在海水中的腐蝕速率(約2.4mm/年)遠(yuǎn)大于在反滲透產(chǎn)水中的(約0.5mm/年)。這是因?yàn)榇藭r(shí)溶解氧供應(yīng)充足，碳鋼腐蝕速率由具有腐蝕加速作用的氯離子量控制。之后，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，碳鋼在這兩種溶液中的腐蝕速率變化趨勢(shì)截然不同。許多研究表明，金屬的腐蝕過(guò)程將受到表面銹層干擾，因而可以推測(cè)，碳鋼在這兩種溶液中形成的銹層存在著顯著差異，導(dǎo)致對(duì)金屬腐蝕產(chǎn)生不同影響(抑制或促進(jìn)作用)。

 2. 銹樣形貌

 由圖可見(jiàn): 海水中，不銹鋼管銹層以較厚的黃色外銹層為主，清除外銹層后可見(jiàn)較薄的黑色內(nèi)銹層，銹層不易清除，與金屬基體之間附著力較強(qiáng)，較致密。而反滲透產(chǎn)水中，碳鋼銹層的黃色外銹層很薄，黑色內(nèi)銹層為銹層主體，銹層與碳鋼基體之間附著力較差，用水很容易沖洗干凈，形貌較蓬松、不致密。不銹鋼管在海水及反滲透產(chǎn)水中浸泡360小時(shí)形成的銹層的XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖所示。

 由圖可見(jiàn):  不銹鋼管在海水和反滲透產(chǎn)水中形成的銹層在組分比例上有顯著不同，這與形貌分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在海水中，碳鋼銹層主要由黃色的γ-FeOOH構(gòu)成，另外還含有少量四氧化三鐵及α-FeOOH;在反滲透產(chǎn)水中，碳鋼銹層主要由黑色的四氧化三鐵構(gòu)成，黃色的γ-FeOOH及α-FeOOH含量很少。

 3. 電化學(xué)試驗(yàn)

 分別對(duì)在海水及反滲透產(chǎn)水中浸泡2小時(shí)、360小時(shí)的不銹鋼管電極進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖。

 由圖可見(jiàn): 試樣在海水及反滲透產(chǎn)水中掛片2小時(shí)后，其表面還未有銹層，此時(shí)阻抗譜均僅包含一個(gè)單容抗弧其等效電路見(jiàn)圖，在海水及反滲透產(chǎn)水中掛片360小時(shí)后，碳鋼電極表面均已形成明顯銹層，此時(shí)阻抗譜由兩個(gè)半圓組成，即譜圖中出現(xiàn)了代表銹層電阻的容抗弧，其等效電路見(jiàn)圖。在反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼管的譜圖由一個(gè)容抗弧和一條代表阻抗的直線組成，未出現(xiàn)銹層電阻，其等效電阻見(jiàn)圖。

 由表可見(jiàn): 不銹鋼管在海水中形成的銹層對(duì)其腐蝕有一定的阻礙作用，阻抗譜中出現(xiàn)有銹層阻抗，這是因?yàn)橹旅茕P層能夠阻礙溶氧的遷移過(guò)程。反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼阻抗譜中出現(xiàn)了阻抗，表明此時(shí)不銹鋼管腐蝕由氧擴(kuò)散控制。然而，碳鋼在反滲透產(chǎn)水中形成的疏松銹層對(duì)其腐蝕過(guò)程無(wú)阻礙能力，一方面并未出現(xiàn)銹層電阻，另一方面?zhèn)鬟f電阻值在銹層生成后顯著降低，說(shuō)明銹層反而對(duì)基體腐蝕有強(qiáng)加速作用。這是因?yàn)檠杆傩纬傻氖杷伤难趸F層具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，能夠起大陰極作用而促進(jìn)氧還原。

 4. 討論

 由上可見(jiàn): 海水反滲透產(chǎn)水對(duì)碳鋼的腐蝕性比海水更強(qiáng)。這是因?yàn)樘间撛趦煞N溶液中生成的銹層對(duì)腐蝕過(guò)程具有不同作用(加速或抑制作用)。

三、防腐蝕措施

 由腐蝕機(jī)理討論可知，碳鋼在海水中腐蝕主要會(huì)受到高濃度氯離子等侵蝕性離子加速，因而其腐蝕防護(hù)要以抑制氯離子侵蝕為主。工程上常對(duì)碳鋼海水管道的內(nèi)壁進(jìn)行涂層防護(hù)，以隔絕高濃度氯離子的侵蝕;此外，為了進(jìn)一步降低氯離子對(duì)涂層針孔缺陷處管道的腐蝕，在該電廠的海水管道上加裝了一套外加電流陰極保護(hù)裝置。

 由于電廠工業(yè)水管管徑較小(通常小于200 mm)且管線十分復(fù)雜，進(jìn)行涂層防腐蝕難度很大;反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率不高，布置外加陰極保護(hù)也無(wú)實(shí)際可行性。投加緩蝕劑的方法也會(huì)因銹層干擾而達(dá)不到理想效果。雖然海水反滲透產(chǎn)水的侵蝕性比海水要弱得多，但碳鋼在反滲透產(chǎn)水中的腐蝕是一種受銹層加速的腐蝕，因此反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)的防腐蝕工作應(yīng)從抑制具有腐蝕加速能力銹層的產(chǎn)生入手。由反應(yīng)可知，通過(guò)增加反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度(緩沖性能)，提高其pH，能夠改變銹層特性，從根本上降低管道腐蝕。對(duì)反滲透產(chǎn)水的重新礦化可以通過(guò)讓其緩慢流過(guò)填充白云石、石灰石粉等礦化物的過(guò)濾床來(lái)實(shí)現(xiàn)。本工作通過(guò)試驗(yàn)室添加NaHCO3、CaCl2藥劑來(lái)調(diào)節(jié)反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度，之后進(jìn)行碳鋼168小時(shí)掛片，結(jié)果見(jiàn)表。

 由表可見(jiàn):提高反滲透產(chǎn)水緩沖性能可以有效降低其腐蝕性，減緩其對(duì)碳鋼管材的腐蝕;特別是當(dāng)堿度大于1 mmol/L、Ca 2+濃度大于0.5 mmol/L后，緩蝕作用顯著。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)控制反滲透產(chǎn)水流經(jīng)礦化床的流速，并同時(shí)加入二氧化碳、硫酸等助溶劑的方法，使反滲透產(chǎn)水達(dá)到預(yù)設(shè)的礦化要求。

 另外，對(duì)反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)采用更耐蝕的材料也是一種解決辦法。本工作對(duì)304不銹鋼管進(jìn)行了168小時(shí)的動(dòng)態(tài)掛片，結(jié)果見(jiàn)圖。

 由圖可見(jiàn): 掛片后，304不銹鋼管表面未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明其能夠有效耐受反滲透產(chǎn)水的侵蝕。因而，對(duì)于某些用水量特別大的電廠，若對(duì)反滲透產(chǎn)水進(jìn)行礦化存在投資及設(shè)備安裝上的困難時(shí)，可以考慮對(duì)工業(yè)水管采用更耐蝕的不銹鋼或碳鋼襯塑管材。

五、結(jié)論

 不銹鋼管在海水中及反滲透產(chǎn)水中銹層特性差異是導(dǎo)致濱海電廠工業(yè)水管比海水管道腐蝕更嚴(yán)重的主要原因。對(duì)于海水管道，通過(guò)成熟的涂層及電化學(xué)保護(hù)手段，可有效防腐蝕;重新礦化反滲透產(chǎn)水是降低其腐蝕性的有效方法;此外，在工業(yè)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，宜采用更耐蝕的不銹鋼管代替碳鋼作為管材。