核電廠空氣壓縮機冷卻器結垢原因分析及處理

邊春華，劉 忠，苗學良，張 維

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215004）

核電廠空氣壓縮機冷卻器結垢原因分析及處理

邊春華1，劉 忠2，苗學良1，張 維1

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215004）

國內某核電廠外圍壓空機在運行數年以后，頻繁出現跳機現象；將壓空機解體發現，傳熱管表面附著大量黃色物質。針對壓空機傳熱管表面的黃色物質，采用宏觀、X射線、水質成分等方法進行了分析。結果表明，傳熱管表面結垢為水垢，回路中的高頻電子除垢儀的除垢作用有限，需要添加阻垢劑對水質處理才能解決傳熱管結垢問題。

壓空機；傳熱管；水垢；高頻電子除垢儀；阻垢劑

核電廠壓縮空氣生產系統的主要功能是生產動力設施所需要的壓縮空氣。壓縮空氣生產系統有3臺空氣壓縮機組成，空氣壓縮機（簡稱壓空機）在生產壓縮空氣時會產生大量熱量，為了及時排除產生的熱量，設計安裝了冷卻回路。冷卻回路采用生活飲用水為冷卻介質，冷卻方式為冷卻塔冷卻，屬于敞開式循環回路。

巡檢人員發現外圍壓空冷卻塔沒有噴淋水，同時，壓空機經常頻繁跳機。維修人員解體空壓機冷卻器檢查發現傳熱管表面大量結垢，傳熱管表面結垢會導致管道堵塞，影響管路冷卻水流量，同時結垢的存在導致傳熱管傳熱效率降低，影響設備性能。

本文以空壓機冷卻回路為研究對象，回路主要由冷卻塔、Y形過濾器、冷卻水泵、高頻電子除垢儀、冷卻器等設備構成，冷卻水采用生活飲用水。對結垢物質進行宏觀分析，初步判斷結垢原因。對水垢成分進行X射線定性和定量分析，分析結垢物質的組成成分和含量，并判斷其可能的來源。對水質分析，分析其中離子和雜質含量，結合結垢成分判斷結垢成因。

1 實驗方法與結果

1.1 宏觀分析

傳熱管表面均勻附著一層黃褐色結垢，質地較硬，結垢厚度大約在1.9 mm左右，從形貌上來看，是典型的換熱設備結垢（見圖1）。將結垢刮掉以后，傳熱管表面光亮，無明顯腐蝕現象。

圖1 傳熱管表面結垢形貌Fig.1 Appearance of scale on heat transfer tube

1.2 結垢物質成分分析

從管道表面刮取水垢，進行X射線分析，堵塞物質以Mg0.03Ca0.97CO3為主，含量占（93.9±0.5）%，其次是Fe3O4，含量為4.9%，還含有FeO(OH)、SiO2、Ni、Zn等，總計約1.1%左右。

1.3 水質成分分析

壓縮空氣生產系統冷卻器冷卻水源為生活飲用水，冷卻方式為冷卻塔開式循環，在冷卻器前安置高頻電子除垢儀，為了分析電子除垢儀的作用，分別從高頻電子除垢儀前排污閥和冷卻器出口管道排污閥取水進行水質分析，并和生活飲用水進行對比。從對比結果可以看出，與生活飲用水質相比，壓縮空氣生產系統冷卻水pH有所增大，電導率有所增大，其他離子濃度變化不大。

冷卻器出口管道排污閥與高頻電子除垢儀前排污閥水質相比pH變化不大，HCO3-濃度減小，Ca2+、 Mg2+濃度相對減小。

2 分析與討論

2.1 水質結垢傾向分析

判斷水質是否有結垢傾向，一般采用Ling Lier飽和指數（L.S.I指數）判斷法（L.S.I＞0為結垢型水質，L.S.I≤0為穩定型水質）[1]：

L.S.I = pH - pHs

pHs=（9.7+A+B）-（C+D）

式中：pH——循環水實際pH值；

pHs——飽和pH值；

A——補水溶解性固體總量系數；

B——循環水溫度系數；

C——補水硬度系數;

D——補水堿度系數。

實際補水為生活飲用水，其溶解性固體總量為325；循環水為開式循環，其溫度取常溫25 ℃；補水硬度為166；補水堿度為108。

查相關數據可知：

pHs=（9.7+0.15+1.98）-（2.24+2.04）

=7.55

L.S.I=7.92-7.55=0.37＞0

由此可以判斷此循環水水質為結垢型水質，具有結垢傾向。

當夏季溫度較高時，循環水溫度可能達到40 ℃，此時：

pHs=（9.7+0.15+1.71）-（2.24+2.04）

=7.28

L.S.I=7.92-7.28=0.64＞0.37＞0

由此說明，夏季溫度較高時，循環水仍舊為結垢型水質，而且其結垢傾向增強，更易于產生水垢。

2.2 結垢成因分析

從X射線衍射分析結果看，水垢中含量最多的物質是CaCO3和MgCO3，之所以含有大量的CaCO3、MgCO3，主要的原因有兩方面：

1）循環水硬度很大（總硬度為172，屬于硬水），同時循環水總堿度很高，含有較多的HCO3

-，當遇到冷卻器加熱時，會發生反應：

2）循環水的pH大于7.9，呈弱堿性，在堿性水中會發生如下反應：

一般來說，CaCO3溶解度極低，而且隨溫度升高而降低，CaCO3會以固體形式在傳熱管表面析出。水垢的導熱系數僅為碳鋼的1%左右，水垢必然造成換熱器的傳熱效率下降。水垢附著的危害很大，不僅降低換熱器的傳熱效率，影響運行；嚴重時堵塞管道，影響安全生產。

水垢中含有一定量的Fe3O4和FeO(OH)，這主要因為循環冷卻系統為開式循環，水中溶解一定量的氧，氧與管道作用生成Fe3O4和FeO(OH)。同時開式循環可能會從大氣和雨水中帶入少量雜質，例如SiO2。

與生活飲用水水質相比，壓縮空氣生產系統冷卻水水質相差不大，但pH有所增大，這是因為循環水在受到傳熱管的加熱以后釋放出部分CO2，導致pH增大；而因為水分的蒸發，使得離子濃度增大，導致電導率增大。

從以上的分析結果來看，生活飲用水和循環水的水質差別不大，濃縮倍數很小，這說明整個循環系統的排污情況良好；而位于冷卻器出口管道排污閥與高頻電子除垢儀前排污閥之間的高頻電子除垢儀沒有起到很好的除垢作用。

2.3 高頻電子除垢儀分析

根據國家行業標準——射頻物理場水處理設備技術條件（HG/T 3729—2004），開式循環冷卻水應符合如下水質要求：

● 總硬度小于等于700 mg/L；

● 水壓小于1.6 MPa；

● 總堿度小于等于500 mg/L；

● 電導率小于3 000 μS/cm；

● pH大于等于6.5；

● 全鐵小于等于0.5 mg/L；

● 濃縮倍數小于2.5（根據補水水質、環境確定）。

根據水質檢測結果來看，實際濃縮倍數為：568/516電導率=1.1。

實際水質滿足如上要求，而高頻電子除垢儀電源指示燈和工作指示燈均正常，說明高頻電子除垢儀本身的除垢能力不達標。

從高頻電子除垢儀除垢原理來看，電子除垢儀的除垢率一般很難達到100%[3]，也就是說電子除垢儀只能減緩結垢率，并不能完全消除結垢，運行足夠長的時間以后，總會出現結垢現象。

3 結論與建議

3.1 結論

1）傳熱管表面結垢物質為水垢，主要成分為CaCO3，同時含有少量MgCO3、Fe3O4、SiO2等雜質。

2）循環水水質情況良好，與補水生活用水水質差別不大，濃縮倍數很低，排污正常，滿足高頻電子除垢儀運行要求。

3）單純依靠高頻電子除垢儀無法徹底解決換熱管結垢問題，需要其他除垢、防垢措施輔助進行。

3.2 建議

建議采用添加阻垢劑或者軟化水設備進行水質處理。常用的阻垢劑可以分為縮聚磷酸鹽、磷酸鹽、氨基多羧酸鹽、表面活性劑四大類[4]。

1）縮聚磷酸鹽——常用的縮聚磷酸鹽有長鏈狀陰離子的三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉。六偏磷酸鈉沒有固定熔點，在水中的溶解度很大，但不恒定。溶于水時，生成水解產物多磷酸根陰離子聚結體。微量的縮聚磷酸鹽加入水中，破壞了碳酸鈣等晶體的正常生長過程，從而阻止了碳酸鈣水垢的形成。縮聚磷酸鹽除用做防止水垢外，也可做緩蝕劑用。

2）有機磷類阻垢劑——有機磷阻垢劑與無機聚磷酸鹽相比具有良好的化學穩定性，不易被酸堿破壞，也不易水解和降解，能耐較高水溫和抗氧化性。并且在使用中不會因水解生成正磷酸而導致藻類過度繁殖。同時，它有臨界值效應，只需用幾毫克/升的有機磷酸就可以阻止幾百毫克/升的碳酸鈣沉淀，而且其租垢性能比縮聚磷酸鹽好。

3）聚羧酸阻垢劑——聚羧酸作為阻垢劑和分散劑，使用最多的是丙烯酸的均聚物和共聚物，以及以馬來酸為主的均聚物和共聚物。此類化合物對碳酸鈣等水垢具有良好的租垢作用，同時也有臨界值效應，因此用量也很少。聚羧酸類聚合物最主要的缺點是易與水中的鈣離子發生架橋反應，生成聚合物一類的膠凝體，這不僅降低了阻垢劑的活性組分，嚴重時還會使水變渾濁。

4）兩性表面活性劑——表面活性劑的防垢作用源于它們的吸附作用。一方面，由于表面活性劑的吸附，使垢表面的正常聚結狀態受到干擾，抑制或部分抑制了垢晶體的繼續長大，使垢離子處于飽和狀態或形成松散的垢被水沖走；另一方面，由于表面活性劑在垢表面吸附，形成擴散雙電層，使垢表面帶電，抑制了垢晶體間聚結，導致垢晶體以分散狀態存在于溶液中。

核電廠壓縮空氣生產系統的循環水具有如下性質：

● 濃縮倍數很低，只有1.1倍；

● 水質呈弱堿性，pH=7.9左右；

● 循環水總硬度170左右，為硬水；

● 補水為生活飲用水；

● 循環回路中安裝有高頻電子除垢儀，無其他租垢、緩蝕、除菌措施；

● 循環水中全鐵濃度很低；

● 回路為開式循環。

縮聚磷酸鹽易水解產生多磷酸根陰離子聚結體，可能會導致藻類繁殖；聚羧酸阻垢劑會生產膠體，降低阻垢劑活性；表面活性劑和聚合物在實際應用中相對較少；結合以上指標，核電廠壓縮空氣生產系統水質處理易采用有機磷類阻垢劑。

有機磷類阻垢劑分為兩類，分別是有機多元磷酸和磷酸酯類。

磷酸酯類是由醇和磷酸或者五氧化二磷反應制得。采用不同配比可以制得磷酸一酯、磷酸二酯等。一般來說，有機磷酸酯類抑制硫酸鈣效果較差。雖比聚磷酸鹽難水解，但是比有機磷酸更容易水解成正磷酸。

有機磷酸的種類很多，按分子中含磷酸基團的數目可以分為二磷酸、三磷酸、四磷酸等；按分子結構的類型可以分為亞甲基磷酸型、同碳二磷酸型、羧酸磷酸型等。舉例說明：亞甲基磷酸系阻垢劑是應用較為普遍的一類水質穩定劑，不僅具有高效阻垢性，還具有優良的緩蝕性能，已經成功用于高硬度、高pH值冷卻水系統的腐蝕與結垢控制。ATMP是有機磷酸中最常用的藥劑之一，并且對碳酸鈣的阻垢效果非常好。EDTMP在水中能與Ca2+、Al3+、Fe3+等形成穩定的絡合物，可以分散在水中使鈣垢變軟。

[1] 張少峰，劉燕. 換熱設備防除垢技術[M]. 北京：化學工業出版社，2003.（ZHANG Shao-feng, LIU Yan. Scaling prevention and elimination techniques for heat exchange equipment [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003.）

[2] Somerscaies E.F.D.，Kundsen J.G. Fouling of Heat Transfer Equipment[M]. Hemisphele Pub. Co.，1981.

[3] HG/T 3729—2004 射頻物理場水處理設備技術條件[S].（HG/T 3729-2004 Technical conditions for the RF physical field water treatment equipment [S].）

[4] 嚴蓮荷. 水處理藥劑及配方手冊[M]. 北京：中國石化出版社，2003.（YAN Lian-he. Water treatment agent and ingredient manual [M]. Beijing: China Petrochemistry Press, 2003.）

[5] 王同善. 應急柴油機充氣冷卻水系統典型故障的處理[J]. 中國核電，2011，3: 268-272.（WANG Tong-shan. Treatment of typical faults in the aeration cooling water system of the emergency diesel generator [J]. China Nuclear Power, 2011.03:268-272.）

Failure Analysis and Treatment Countermeasures for Scaling of Heat Transfer Tube of Air Compressor in Nuclear Power Plant

BIAN Chun-hua1，LIU Zhong2，MIAO Xue-liang1，ZHANG Wei1
(1.China Nuclear Power Operation and Management Corporation，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou of Jiangsu Prov. 215004，China)

After several years of operation, air compressor suffered from failure frequently in a domestic nuclear power plant.The air compressor were taken apart and it was found that a lot of yellow substance adhered to the heat transfer tube. In this article，appearance and X-ray diffraction of substance on heat transfer tube, the quality of circuiting water are analyzed. The results show that the substance on heat transfer tube is scale and the descaling function of high frequency electronic descaling instrument in the loop is limited. The best way to solve this problem is to put scale inhibitor in the loop.

air compressor；heat transfer tube；scale；high frequency electronic descaling instrument；scale inhibitor

TM623Article character：A

1674-1617(2014)04-0322-04

TM623

：A

1674-1617(2014)04-0322-04

2014-04-24

邊春華（1982—），男，浙江海鹽人，工程師，碩士，從事核電廠腐蝕與防護工作。