冷卻水溫度對濱海電廠凝汽器水室陰極保護電位的影響*

張 鵬，蘇林海，王 貴

(廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江 524088)

濱海電廠凝汽器水室和管束處于溫度變化的嚴酷腐蝕環境中，腐蝕泄漏會引起凝結水及整個系統水品質惡化，造成水室壁等金屬表面的腐蝕、結垢等，嚴重時會造成電廠鍋爐腐蝕爆管和汽輪機的效率降低［1-3］。目前常采用涂層加犧牲陽極的陰極保護法和外加電流陰極保護法對凝汽器進行聯合防護，但腐蝕問題仍然嚴重。凝汽器腐蝕的突出原因是陰極保護系統設計的不合理及經驗設計方法本身的缺陷。目前，國內凝汽器陰極保護普遍是采用經驗設計法［4-6］，而通過經驗公式無法獲得陽極最佳安裝位置和所需的電流密度［7］，更加無法考慮溫度的變化對陰極保護電位分布的影響。通常采用經驗設計法陰極保護電位分布是不均勻的，容易導致過保護或欠保護狀況的發生［8-9］，甚至有時根本不能預測保護的效果。

近年來，隨著數值方法和計算機科學技術的飛速發展，數值仿真技術在陰極保護領域得到了廣泛的應用，包括有限差分法、有限元法和邊界元法等［10］，成為電廠凝汽器等復雜結構陰極保護設計最有效的手段之一。與傳統的經驗設計方法相比，數值模擬優化設計在設計階段就可預測陰極保護系統保護效果、輔助陽極位置與數量，使陰極保護電位分布均勻，無過保護和欠保護現象的發生［11］。因此利用數值模擬方法優化溫度變化對電廠凝汽器水室電位分布的影響具有重要意義。

1 數學模型

1.1 控制方程

針對陰極保護系統的特點，作了以下假設:(1)電位場為穩態場;(2)在求解區域內遵循歐姆定律;(3)研究區域內電解質中任一點的靜電荷為零(無源項)。根據假設條件，陰極保護系統達到穩態時陰極電流及其極化行為不隨時間變化，可以用靜態場理論來研究，其電位基本方程為泊松方程［12］:

式中:▽為Laplace 算子;i 為電流密度，A/cm2;σ 為溶液電導率，S/m;l 為電解質;φ 為表面電位，V;Q 為源項。

已知假設研究系統內沒有電流的得失，即Q為零，在穩態的情況下電位分布的控制方程:

當計算范圍內介質均勻，電解質電導率為常數，則方程(2)可以簡化為:

1.2 邊界條件

從數學角度來講，滿足控制方程的解有很多，要得到定解，必須對研究區域進行限制和確定相應的邊界條件。通常陰極保護系統是由陽極、陰極和絕緣面組成的。與之相對應的邊界條件有三類。

(1)邊界電位已知，φ(x，y，z)=φA，這屬于數理方程的第一類邊界條件。

在凝汽器水室內表面，陽極和陰極反應同時存在。陽極的半電池反應:

腐蝕電流密度用Tafel 方程表示:

式(5)中:φs為碳鋼水室表面電位，V為交換電流密度，A/cm2為平衡電位，V;bFe為碳鋼塔菲爾斜率，V/dec。

對于非酸性電解質中，最主要的陰極半電池反應為氧的還原反應:

其Tafel 方程為:

式(7)中:φs為碳鋼水室表面電位，為氧交換電流密度，A/cm2為氧交換平衡電位，V;bO2為氧還原塔菲爾斜率，V/dec。

2 電化學試驗方法與結果

將Q235B 加工成尺寸為10 mm ×10 mm ×5 mm。表面處理根據GB5776-86 標準規定:用水磨砂紙對工作面依次采用240 號、360 號、600 號、800 號和1000 號進行逐級打磨去除表面層氧化膜，經超聲波清洗，丙酮中進行脫脂除油，再用去離子水徹底清洗干凈，用電吹風吹干，并放入干燥器中備用。

采用動電位掃描法對凝汽器水室材料Q235B鋼在天然海水中不同溫度下進行極化曲線測量。Q235B 水室實驗溫度分別為20，30，40 和50 ℃，采用恒溫水浴鍋進行溫度控制。溫度的選擇主要是考慮到國內不同海域溫度的差異和冷卻水進入凝汽器內水溫的變化也會對極化曲線產生影響。實驗測得不同溫度下Q235B 的極化曲線見圖1。

圖1 不同溫度下Q235B 的極化曲線

根據圖1 中所測的Q235B 在不同溫度下的極化曲線，可以得到在不同溫度下Q235B 的電化學腐蝕參數，見表1。

表1 不同溫度下Q235B 電化學參數

從表1 中可知隨著溫度的升高，Q235B 的腐蝕電位呈下降趨勢，腐蝕電流密度逐漸增加，腐蝕速率逐漸增大，Q235B 水室腐蝕越嚴重。

3 應用算例

3.1 物理模型

以某濱海電廠凝汽器為例，設計在海水介質中外加電流陰極保護簡化凝汽器模型，見圖2。即建立一個尺寸為280 mm ×280 mm ×300 mm 的矩形Q235B 水室，為簡化計算，將鈦管束簡化為5 根φ19 mm ×1 mm ×300 mm 的圓形TA2 鈦管，通過管板與水室相連。在水室內安裝1 根金屬氧化物輔助陽極，尺寸為φ7 mm ×80 mm。輔助陽極豎直放置，布置在水室中遠離管板處。

圖2 凝汽器陰極保護簡化物理模型

3.2 數值模擬和實驗驗證

為了解循環冷卻水溫度對凝汽器水室陰極保護電位的影響，利用仿真軟件COMSOL 對不同溫度下Q235B 水室管板陰極保護電位分布進行了數值模擬，結果見圖3。

從圖3 中可知，溫度位于20～50 ℃時，隨著溫度的升高Q235B 水室管板處變化趨勢基本一致。20 ℃時，管板電位為-825.6～-836.9 mV;30 ℃時，管板電位為-816.6～-827.2 mV;40 ℃時，管板電位為-806.6～-817.5 mV;50 ℃時，管板電位為-796.8～-807.6 mV。分析可知，隨著溫度的升高對Q235B 水室陰極保護電位分布總體趨勢影響不大，但外加電流陰極保護的效果不斷降低。

圖3 不同溫度時水室管板電位分布

為了驗證數值仿真軟件計算凝汽器水室陰極保護電位數據的正確性，利用圖2 所示室內陰極保護系統模擬實驗平臺作驗證實驗，用高阻抗萬用表對管板中線進行分段均勻測試，數值模擬結果與實驗測試結果見圖4。

實驗測得管板中線電位比模擬值要偏正些，偏差范圍在3%以內，其結果與實驗結果較吻合，證明所建模型的可靠性和準確性，因而可以用該方法對凝汽器水室電位分布規律進行探討。

圖4 數值模擬結果與實測結果對比

4 結論

(1)隨著溫度的升高，Q235B 的腐蝕電位呈下降趨勢，腐蝕電流密度逐漸增加，腐蝕速率逐漸增大，Q235B 水室腐蝕越嚴重。

(2)通過建立合理的數學模型可以準確地模擬出凝汽器水室陰極保護電位分布，證明所建模型的可靠性和準確性，因而可以用該方法對凝汽器水室電位分布規律進行探討。

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