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凝汽器冷凝管的腐蝕與防護(hù)

2021-05-19 14:37:53 作者：熱電圈來源：熱電圈分享至：

本文分析了造成凝汽器黃銅管腐蝕的多種原因，提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。研究了用白銅、鈦、不銹鋼代替黃銅的可行性，通過比較發(fā)現(xiàn)不銹鋼將是凝汽器管材的應(yīng)用趨勢(shì)。

凝汽器是熱力發(fā)電機(jī)組中重要的輔助設(shè)備。目前在火力發(fā)電廠中，凝汽器常用的管材主要有銅合金管（包括黃銅合金管、白銅合金管）、鈦管、不銹鋼管三大類。凝汽器的腐蝕問題一直是電廠鍋爐事故中的重要問題。

一、凝汽器的腐蝕類型及腐蝕原因

目前凝汽器的主要管材為銅合金，并且腐蝕受多種因素影響，腐蝕類型也各種各樣，主要有以下幾種。

1.選擇性腐蝕。主要是銅基中鋅的選擇性腐蝕。因?yàn)槟鞯你~管多是由銅鋅合金組成，因鋅的電位較銅低，所以鋅易成為腐蝕電池的陽極而使鋅選擇性地溶解下來，使銅管發(fā)生腐蝕。理論及實(shí)踐證明，銅管的腐蝕過程與銅管表面保護(hù)膜的性能關(guān)系很大，如果黃銅管投運(yùn)前后的維護(hù)工作不好，沒有形成初期致密保護(hù)膜則較易發(fā)生脫鋅腐蝕。若鍍膜裝置沒有同期安裝完善，凝汽器銅管沒有進(jìn)行FeSO4的初期鍍膜和日常補(bǔ)膜，也是導(dǎo)致局部脫鋅腐蝕的重要原因。

2.銅管的點(diǎn)蝕。這種腐蝕易發(fā)生在銅管表面保護(hù)膜的破裂處。由于冷卻水中含C1-與銅氧化產(chǎn)生的Cu+生成不穩(wěn)定的Cucl，可水解成穩(wěn)定的Cu2O，并使溶液局部酸化熱力設(shè)備腐蝕。另外如果水質(zhì)不穩(wěn)定，又沒有進(jìn)行綜合處理，必然引起凝汽器銅管結(jié)垢，若不按期清洗，表面沉積物不均勻促進(jìn)了腐蝕，而腐蝕又進(jìn)一步導(dǎo)致沉積物增加，最終導(dǎo)致點(diǎn)狀腐蝕穿孔。

3.銅管的沖刷腐蝕。這種腐蝕形式既可發(fā)生在水側(cè)，也可發(fā)生在汽側(cè)，但以前者為主。循環(huán)冷卻水中的懸浮物、泥砂等固體顆粒狀硬物對(duì)凝汽器入口端銅管沖擊、摩擦，長時(shí)間運(yùn)行后，入口端銅管前段管內(nèi)壁粗糙，雖無明顯腐蝕坑，但表面粗糙，黃銅基體裸露，銅管減薄。沖刷腐蝕的陽極過程是銅的溶解，陰極過程是O2的還原。腐蝕坑內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物，表面呈銅合金的本色。流速過高，會(huì)妨礙形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，也是產(chǎn)生沖刷腐蝕的原因，一般流速不大于2m/s。

4.NH3蝕。給水中過量的NH3隨蒸汽進(jìn)入凝汽器，并在凝汽器內(nèi)局部富集，若同時(shí)有O2存在，便會(huì)在這一區(qū)域的銅管汽側(cè)產(chǎn)生NH3蝕，其特點(diǎn)是管壁均勻減薄，當(dāng)水中氨含量達(dá)300mg/L時(shí)易發(fā)生NH3蝕。隔板孔處凝結(jié)水過冷，溶解的氨濃度提高也會(huì)引起銅管在該處產(chǎn)生環(huán)帶狀氨蝕。

5.電偶腐蝕。當(dāng)兩種不同的金屬材料在腐蝕介質(zhì)中直接接觸時(shí)，有可能發(fā)生電偶腐蝕。在凝汽器中，凝汽器管材料與管板材料不同，用淡水作冷卻水的凝汽器，管材通常用黃銅或白銅。由于管材與管板材料在冷卻水中的電位不同，二者之間就存在發(fā)生電偶腐蝕的可能。凝汽器銅管的電位比管板的電位高，故管板的腐蝕會(huì)加速。若用淡水作冷卻水，凝汽器用黃銅管與碳鋼管板配合時(shí)，碳鋼管板腐蝕加劇，但由于碳鋼管板厚度較大，一般為25~40mm，故在清潔淡水中，電偶腐蝕對(duì)使用安全性影響不大，但在含鹽濃度較高的環(huán)境水中電偶腐蝕較易發(fā)生。

6.應(yīng)力腐蝕破裂。當(dāng)凝汽器銅管安裝固定不當(dāng)時(shí)，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和交變應(yīng)力使銅管表面的保護(hù)膜破壞而發(fā)生腐蝕，最終產(chǎn)生橫向裂紋使銅管破裂。這主要是在交變應(yīng)力作用下銅管內(nèi)部的晶粒發(fā)生相對(duì)位移，在腐蝕介質(zhì)下產(chǎn)生陽極溶解而形成的，大多在銅管中部發(fā)生。

7.腐蝕疲勞。凝汽器銅管在運(yùn)行中頻繁啟停、機(jī)組負(fù)荷變化幅度較大時(shí)，受汽輪機(jī)高速排汽的沖擊，管束發(fā)生振動(dòng)，銅管受交變應(yīng)力的作用，易使銅管表面膜破裂，產(chǎn)生局部腐蝕，形成點(diǎn)蝕坑，使材料疲勞極限降低，且由于應(yīng)力集中在蝕點(diǎn)處，點(diǎn)蝕坑底部易產(chǎn)生裂紋，在水中NH3、O2、CO2等的侵蝕下逐漸擴(kuò)展破裂。這種腐蝕疲勞破裂易發(fā)生在銅管的兩支撐隔板所跨的中段，因銅管中段振動(dòng)最劇烈。

8.微生物腐蝕。微生物會(huì)改變凝汽器管壁局部區(qū)域的介質(zhì)環(huán)境，從而造成局部腐蝕。由于微生物的生物活動(dòng)，會(huì)促進(jìn)金屬在冷卻水中的電化學(xué)腐蝕過程。微生物腐蝕一般發(fā)生在凝汽器進(jìn)水側(cè)的碳鋼管板上，冷卻水中常含有一種靠Fe2+和O2生存繁殖的細(xì)菌，稱為鐵細(xì)菌。它靠Fe2+→Fe3+釋放的能量維持生命活動(dòng)，生成的Fe3+在細(xì)菌表面生成Fe（OH）3↓形成棕色黏泥。在黏泥底部形成缺氧條件，為厭氧的硫酸鹽還原菌提供了合適的生存環(huán)境。鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌的聯(lián)合作用又促進(jìn)了金屬腐蝕。

9.沉積物下腐蝕。由于操作溫度偏高、緩蝕阻垢劑與水質(zhì)和操作溫度不匹配、加藥量不足或濃度波動(dòng)過大而結(jié)垢。這些污垢會(huì)造成凝汽器管壁局部區(qū)域的介質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，垢層形成后，Cl-易穿透垢層，造成基體金屬的腐蝕，腐蝕生成的金屬離子水解造成介質(zhì)H+濃度升高，藻類和微生物的活動(dòng)亦造成介質(zhì)的酸度升高。由于垢層阻礙了管內(nèi)壁金屬表面介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)的相互擴(kuò)散，使垢層下的介質(zhì)pH值下降，破壞了金屬表面的鈍化膜，使金屬基體進(jìn)一步發(fā)生腐蝕。

10.凝汽器銅管管壁溫度的影響。溫度對(duì)黃銅腐蝕的發(fā)展有很大影響，銅管壁溫越高，腐蝕越快。

二、凝汽器銅管的防護(hù)

針對(duì)以上凝汽器銅管腐蝕的原因，為延長凝汽器銅管的使用壽命，可采取以下措施：

1.凝汽器換熱管應(yīng)合理選材。針對(duì)不同的冷卻水成分應(yīng)選擇不同的材料：為防止脫鋅腐蝕，應(yīng)在黃銅合金中添加0.02%~0.03％的砷；采用含硼管材，利用硼在管材表面的富集，填補(bǔ)脫鋅后的空穴，堵塞鋅原子透過膜的通道，使銅管加硼后表面具有較大的阻力，可以抑制脫鋅腐蝕；向銅管中添加1%~2％的錫，或是添加2％的鋁可提高其耐蝕性，抑制脫鋅傾向；也叮添加鎳元素制成白銅，白銅化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于黃銅，并無選擇性腐蝕傾向，在相同的操作工況下，受腐蝕程度顯著低于黃銅所以，建議在較苛刻和水質(zhì)不穩(wěn)定的使用環(huán)境下，盡可能使用白銅。

2.凝汽器銅管發(fā)生垢下腐蝕是火力發(fā)電廠常見的腐蝕形式，控制循環(huán)水質(zhì)是防止結(jié)垢的主要方法。針對(duì)冷卻水混濁、含有泥沙和懸浮物的情況，要加裝合適的過濾網(wǎng)，定期清理，防止泥砂和石子等雜物進(jìn)入凝汽器，防止管路堵塞和沉積污垢引起的腐蝕，同時(shí)水的pH值要控制在8~9之間為宜。

3.利用機(jī)組維修期間將水塔水排凈，對(duì)水塔的配水溝道和池底進(jìn)行清掃，使循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)無碎石、淤泥等雜物；凝汽器膠球清洗系統(tǒng)每天投入1h，可有效地防止凝汽器銅管內(nèi)壁被淤泥附著；加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，保證循環(huán)水系統(tǒng)濾網(wǎng)完好，防止異物進(jìn)入凝汽器劃傷、堵塞銅管；運(yùn)行中應(yīng)做好防垢工作，保持膠球清洗裝置的止常投用、做好銅管的清洗保潔、消除冷卻水滯流不動(dòng)的死區(qū)、加殺生劑等對(duì)防止沉積物下腐蝕都是有效的方法，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗。

4.銅管投運(yùn)前應(yīng)做好FeSO4鍍膜，使管表面形成致密和牢固的保護(hù)膜，同時(shí)在運(yùn)行中做好補(bǔ)膜工作對(duì)于整個(gè)銅管來說，最經(jīng)濟(jì)、有效的防護(hù)方式是FeSO4鍍膜，它不僅對(duì)管端的沖刷腐蝕有效，而且對(duì)銅管的點(diǎn)蝕也有較好的防護(hù)作用。

5.合理安排循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，盡量使運(yùn)行工況滿足設(shè)計(jì)工況的要求，降低排汽溫度。同時(shí)保持涼水塔完好運(yùn)行，降低循環(huán)冷卻水的溫度，減小腐蝕溫度。

6.保證循環(huán)冷卻水流速的正常，一般黃銅管流速應(yīng)在1~2m/s、當(dāng)流速低于1m/s時(shí)易發(fā)生結(jié)垢，當(dāng)流速大于2m/ s時(shí)易發(fā)生沖刷腐蝕。

7.添加阻垢劑能有效地防止結(jié)垢，并能防止已有晶體繼續(xù)長大。阻垢劑加藥點(diǎn)設(shè)在循環(huán)水泵前的水渠入口處，采用連續(xù)加入方式。阻垢劑投入后，降低了銅管內(nèi)表面的結(jié)垢速度。

8.凝汽器管板的防腐。為了減緩和防止管板腐蝕，目前使用的噴鋅涂膠法，先對(duì)已形成的較深的腐蝕坑進(jìn)行冷焊修補(bǔ)，再對(duì)水室進(jìn)行噴砂除銹及噴鋅處理，最后涂防腐膠。噴鋅處理形成的富鋅層不僅能作為犧牲陽極保護(hù)碳鋼管板，而且增加了膠層與碳鋼的附著力，很大程度上克服了因局部除銹不徹底或清洗不夠造成的附著力差的問題。

9.管板、管口涂膠。由于凝汽器銅管管口存在沖刷腐蝕及脹管工藝不當(dāng)、運(yùn)行中銅管振動(dòng)等情況，所以很容易造成泄漏。對(duì)管口、管板進(jìn)行涂膠處理能有效地解決這一問題。所涂膠層應(yīng)伸入管口150mm左右。

10.為保持機(jī)組運(yùn)行中低壓缸和凝汽器的嚴(yán)密性、防止空氣進(jìn)入、防止氨蝕，可采用自動(dòng)加氨系統(tǒng)來控制加氨量。

11.為防止凝汽器發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，可采用在銅管管束之間鑲嵌竹片或木條。

12.為了避免銅管的應(yīng)力腐蝕，要對(duì)新裝銅管進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理，即在300℃保溫4h。此外，在管端脹接后要用火焰噴射以消除應(yīng)力。

13.采用陰極保護(hù)的方法常常保護(hù)凝汽器兩端的水室、管板和管端。常用的陰極保護(hù)方法有兩種：犧牲陽極法，即在凝汽器水室安裝一塊電位比銅低的金屬如鋅、鋁等使它成為一個(gè)陽極，這樣被腐蝕的是鋅和鋁，而使銅管成為陰極被保護(hù)；外部電源法，在凝汽器水室內(nèi)裝入一個(gè)外加電極，將水室本體作為另一電極，并且外接直流電源，將水室本體接在直流電源的負(fù)極（陰極）上。

三、凝汽器管材的發(fā)展前景

黃銅是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的管材，但其腐蝕問題一直得不到徹底解決，在含鹽量高的液體中腐蝕尤其嚴(yán)重，目前許多國家都在研究代替黃銅的既經(jīng)濟(jì)又耐用的材料，已將白銅、鈦和不銹鋼等管材投入運(yùn)用。

1.白銅管。白銅為銅鎳合金，其化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于黃銅，并且無選擇性腐蝕傾向，其耐腐蝕機(jī)理是容易在空氣或水中形成納米級(jí)的表面膜，這種膜致密、穩(wěn)定、自修復(fù)速度高，從而保證了管材的耐蝕性。所以，在相同的操作工況下，受腐蝕程度顯著輕于黃銅。建議在較苛刻的和水質(zhì)不穩(wěn)定的使用環(huán)境下，盡可能使用白銅。但其價(jià)格高于黃銅，并且由于銅、鎳的氧化還原電位不同，容易產(chǎn)生脫鎳腐蝕，在缺氧的情況下，也易發(fā)生點(diǎn)蝕，限制了白銅的廣泛應(yīng)用。

2.鈦管。鈦?zhàn)鳛槔鋮s管的新型工程材料，對(duì)各種水質(zhì)都具有極強(qiáng)的耐蝕性。鈦冷凝器管道對(duì)一般的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕都顯示出顯著的阻力。因此鈦冷卻管被認(rèn)為是不受腐蝕和侵蝕的作為最耐腐蝕的結(jié)構(gòu)金屬，其密度小、強(qiáng)度高，并且在沸水環(huán)境的研究中，鈦的腐蝕阻力顯著地高于銅鎳合金。在其他材料不能耐受侵蝕的情況下，鈦可以說是最佳選擇但是，鈦也并不是不被腐蝕的，應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)鈦管的失效形式主要是機(jī)械損壞，其次是鈦管與異種金屬管板連接時(shí)易發(fā)生電偶腐蝕，并且仍存在結(jié)垢現(xiàn)象，為此需要采取全鈦連接或陰極保護(hù)以防止電偶腐蝕同時(shí)，由于鈦管價(jià)格昂貴及安裝費(fèi)高，西方國家和我國都只限于濱海電站和核電站中應(yīng)用，連接造成的電偶腐蝕和管內(nèi)結(jié)垢仍有待解決，這些都限制了它的全面推廣。

3.不銹鋼管。由于管材生產(chǎn)工藝和導(dǎo)熱等原因，我國很少考慮不銹鋼管作為凝汽器冷凝管，然而美國和歐洲則大量使用不銹鋼管替代銅管作為冷凝管研究發(fā)現(xiàn)，與銅管相比，不銹鋼管有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）材料性能：

①不銹鋼管的強(qiáng)度和表面硬度都比銅管、鈦管高，許用應(yīng)力是黃銅管的1.6倍，是鈦管的1.5倍，因此不論是汽側(cè)的高速蒸汽及水滴，還是水側(cè)的泥沙污垢及入口端流，都不能對(duì)不銹鋼管形成明顯沖蝕。

②不銹鋼管的彈性模量比銅管、鈦管高，振動(dòng)阻尼數(shù)值也較銅管大，抗拉強(qiáng)度好，線膨脹系數(shù)低于普通銅管，可減少來自內(nèi)部的應(yīng)力。

③不銹鋼管具有較高的抗腐蝕性能，幾乎不發(fā)生銹蝕，耐高速流體和循環(huán)水介質(zhì)含泥沙量大、懸浮物多的沖蝕。不論是不銹鋼還是銅管，在凝汽器的空氣冷卻區(qū)內(nèi)，熱交換管金屬表面經(jīng)常積聚一些不凝氣體，主要是氨氣、二氧化碳等銅管對(duì)氨氣產(chǎn)生的腐蝕極為敏感，造成氨腐蝕不銹鋼管恰有較銅管高的抗氨腐蝕能力。

④增加不銹鋼中Mo含量可有效地提高不銹鋼管在含C1-介質(zhì)中的耐縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕的能力，增加N元素除了可以提高不銹鋼的強(qiáng)度外，還能增加耐點(diǎn)蝕性和相對(duì)穩(wěn)定性。

（2）傳熱效果：

①不銹鋼管高粗糙度的金屬表面不會(huì)形成水膜，有穩(wěn)定的傳熱能力，增強(qiáng)了蒸汽與管外壁的換熱效果。

②雖然不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)較小，但不銹鋼管凝汽器總傳熱效率不一定比銅合金管低，有時(shí)甚至還略好一點(diǎn)。

（3）經(jīng)濟(jì)性。我國于1995年開始生產(chǎn)凝汽器用薄壁不銹鋼焊接管，其價(jià)格比軋制的不銹鋼管便宜，特別是近年來，隨著不銹鋼管產(chǎn)量增大和管道焊接技術(shù)的成熟，且已國產(chǎn)化，不銹鋼管管材的價(jià)格與銅管的差距逐步縮小，目前從投資來說兩者價(jià)格相差甚微。

四、結(jié)論

目前在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)還欠發(fā)達(dá)的情況下，不可能把所有的凝汽器黃銅管都換成白銅管、鈦管或不銹鋼管，因此掌握如何維護(hù)黃銅管凝汽器的正常運(yùn)行、防止腐蝕及腐蝕后應(yīng)如何彌補(bǔ)至關(guān)重要。白銅管和鈦管防腐性能較好，但價(jià)格較高。不銹鋼管具有良好的機(jī)械性能、耐蝕性能和經(jīng)濟(jì)性，在我國凝汽器上的應(yīng)用潛力很大。選擇不銹鋼管作凝汽器換熱管是今后的趨勢(shì)。

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