海水抽水蓄能電站水泵水輪機金屬材料腐蝕問題現狀研究

肖 微，柴建峰

（國網新源控股有限公司技術中心 ，北京市 100161）

海水抽水蓄能電站水泵水輪機金屬材料腐蝕問題現狀研究

肖 微，柴建峰

（國網新源控股有限公司技術中心 ，北京市 100161）

我國研究開發海水抽水蓄能發電技術，既有資源利用可行性，又有電力需求的必要性。與常規的淡水抽水蓄能電站相比，具有多方面的優勢，但同時也存在必須要解決的問題。海水對金屬材料的腐蝕問題是關鍵問題之一。本文就我國海洋環境影響金屬材料腐蝕的因素和幾種主要金屬材料的海水腐蝕機理進行了分析，如何研究出適合我國海洋環境的金屬材料和防蝕措施，將是迫切需要開展的課題。

海水抽水蓄能電站； 水泵水輪機； 金屬材料腐蝕

1 概述

我國具有廣闊的海岸線，且沿海地區又是經濟發達地區，電力峰谷差更為嚴重，研究開發海水抽水蓄能發電技術，不僅會緩減當地的電力供求矛盾，而且還會對整個電網經濟安全運行產生積極作用，因此在我國研究開發海水抽水蓄能電站既有資源利用可行性，又有電力需求必要性。

海水抽水蓄能電站與常規的淡水抽水蓄能電站相比，具有選址方便、利用大海作為下水庫降低造價、不受水量（海水）限制只要增大上水庫就可增加電站容量、水位變化小對水泵水輪機設計非常有利等優勢。但同時也面臨著金屬材料腐蝕、水泵水輪機機組穩定性、防止海水浸透和飛濺、防止海洋生物附著和進/出水口設計等問題。本文就海水抽水蓄能電站中水泵水輪機金屬材料腐蝕問題進行分析和探討[1－3]。

2 水泵水輪機材料腐蝕問題

海水是最豐富的天然電解質，直接與海水接觸的各種金屬結構物都不可避免地會受到海水的腐蝕。海水腐蝕不僅會使金屬結構物發生早期破壞，嚴重者還會造成重大事故[4]。

同樣，海水抽水蓄能電站在水泵水輪機產生的高壓/高速水流情況下，與海水接觸的所有金屬材料也存在腐蝕問題。因此，只有正確認識我國海洋環境對金屬材料的腐蝕現狀和在該海洋環境下各種金屬材料的腐蝕機理，才能根據水泵水輪機的特性研究出能夠防止海水腐蝕和電氣腐蝕的金屬材料和有效的防蝕措施。

2.1 我國海洋環境對金屬材料的腐蝕現狀

由于地理條件的因素，不同海域的腐蝕性能也是不同的。我國海洋環境中含有大量的鹽類、溶解的氣體、海洋生物等。此外，還有波浪、潮汐、日照等其他外界的作用。這些因素以不同的形式影響著金屬在海水中的腐蝕行為[4]。

2.1.1 海水中鹽類及濃度的影響

海水由96%～97%的水和3%～4%的溶解在水中的各種鹽類組成。海水中的鹽類以氯化物含量最多。由氯化物中解離出來的氯離子不僅能阻止或破壞金屬表面鈍化狀態，加快金屬的腐蝕速度，而且還易引起金屬發生嚴重的局部腐蝕。由于鹽的濃度決定著海水的電導率，而電導率又決定著金屬的腐蝕速度。

2.1.2 溶解氧的影響

海水為中性鹽溶液，大多數金屬在海水中的腐蝕都屬于氧去極化的電化學腐蝕，其腐蝕速度主要受氧擴散到金屬表面的速度所控制。對非鈍態性金屬而言，氧量的增加將加快它們的腐蝕速度；對鈍性金屬而言，氧量的增加將促使鈍化膜的形成，從而降低它們的腐蝕速度。

2.1.3 海水溫度的影響

海水溫度隨緯度、季節、海水深度不同而變化。一般海水溫度每上升10℃，金屬腐蝕速度將增加1倍。但同時氧量也將降低20%，不過氧量降低對金屬腐蝕的影響小于溫度升高對金屬腐蝕的影響。另外，不同深度海水的溫差還可形成溫差腐蝕電池。

2.1.4 海水流速的影響

海水的運動可以加快溶解氧擴散到金屬表面的速度。因此，海水流速的增加，可加快非鈍性金屬的腐蝕速度，減慢鈍性金屬的腐蝕速度。但當海水流速進一步增加時，將會出現“空泡”現象，不僅剝落金屬表面的保護膜，而且還可引起金屬材料“空泡腐蝕”。例如，海輪螺旋槳在轉速較高時發生的空泡腐蝕。如果高流速海水中夾帶泥沙，還易引起金屬材料的“磨損腐蝕”。

2.1.5 海浪、潮汛的影響

海水的波浪、潮汛運動使金屬表面處于干濕交替狀態，從而造成某些部位金屬的嚴重腐蝕。當金屬受到波浪的沖擊和浪花飛濺的影響，金屬表面經常處于潤濕狀態，水膜很薄，氧含量很高，而且氧極易透過水膜擴散到金屬表面。此外，波浪的沖擊作用不斷破壞金屬表面的保護層和腐蝕產物層。因此，金屬腐蝕速度最大，比全浸在海水中的腐蝕速度大3～10倍。

當金屬在高潮時浸在海水中，低潮時則暴露在大氣中，屬于間歇式沉浸。金屬表面由于氧量供應充分，因此可相對的成為全浸在海水中的金屬陰極。另外，也由于海水中的鈣、鎂鹽類也易在此區域析出形成覆蓋層，因此金屬腐蝕速度不太大。

2.1.6 海生物的影響

海洋生物如藤壺、牡蠣、海藻等附在金屬表面，在附著處產生縫隙，由于縫隙處氧不易達到，結果與其他氧易到達的區域形成氧濃差電池，縫隙處的金屬表面將作為陽極而被腐蝕。此外，當一些海生物從金屬表面脫落時，往往將漆膜帶下來，使裸露的金屬表面與未裸露的金屬表面形成腐蝕電池，使得裸露的金屬表面成為陽極而被腐蝕。微生物的生理作用產生的氨、氧、二氧化碳、硫化氫等腐蝕性物質，也能加快金屬的腐蝕速度。

海生物的附著與海水流速、金屬種類、鹽濃度有關。海水流速越大，沖刷作用越強，海生物越不易附著。對銅及銅合金不易附著，對鋼、鈦等金屬容易附著。此外，鹽濃度降低時，海生物的附著量也明顯減少。

2.1.7 海洋污染的影響

隨著工業的發展，海水也受到了石油、工業廢水及其他三廢的污染。由于污染的影響，海水的pH值由原來的7.5～8.5下降到7.5以下，而且有機物的污染產生了大量的硫化氫。除此之外，還有局部海區的工業熱廢水的熱污染。上述污染都在不同程度上加快著金屬的腐蝕過程。

2.2 金屬材料的海水腐蝕研究現狀

基于我國海洋環境對金屬材料腐蝕因素分析的基礎上，以下重點就幾種常用的金屬材料的海水腐蝕機理進行分析[5，9]。

2.2.1 不銹鋼的海水腐蝕性能

由于海水中含有大量活性極強的氯離子，因此不銹鋼在海水中的鈍態是不穩定的。不銹鋼的鈍化膜易被氯離子破壞而發生局部腐蝕。在海水流速較低的情況下，氧的供應不充足，不銹鋼的鈍性處于不穩定狀態。在氯離子作用下，不銹鋼的局部腐蝕特別是點腐蝕的速度將加快。加之有海洋生物附著，形成的氧濃差電池，將加速不銹鋼的點腐蝕速度。在海水流速較高時，由于氧的供應較為充足，海洋生物受沖刷作用也不易附著，此時不銹鋼的鈍態比海水流速低時較為穩定，點腐蝕的速度反而要小得多。

不銹鋼在海水中的局部腐蝕主要取決于鋼的化學成分和熱處理狀態。不銹鋼是易鈍金屬，其腐蝕規律與碳鋼和低合金鋼不同，海水中大量的Cr-對依靠鈍化防腐蝕的合金破壞極大。當海生物殼體（杜蠣等）牢固地附著在不銹鋼表面，周圍無空隙，不會引起腐蝕，有些生物附著不嚴密形成一定空隙，按閉塞電池原理加速局部腐蝕。不銹鋼在海水中的耐蝕性通常高Cr鋼優于低Cr鋼，Ni-Cr鋼優于Cr鋼，隨Ni、Cr含量的提高耐蝕性增加，降低含C量可提高不銹鋼耐蝕性，不銹鋼中加入Mo能提高鈍化膜對CI-的抵抗力[6，7]。

2.2.2 碳鋼和低合金鋼的海水腐蝕

碳鋼和低合金鋼的海水腐蝕速度主要受氧的擴散速度控制。由于微陰極面積的增加對氧的擴散并無多大影響，所以低合金鋼中的含碳量和合金元素的含量對腐蝕速度影響不大。但海水流速的增加則可加快碳鋼和低合金鋼的腐蝕速度。這是因為海水流速的加快使得到達陰極的氧量增加的原因。當碳鋼及低合金鋼表面的氧化皮未除掉時，由于較脆，易產生裂紋而露出基體金屬，因此處在海水中時，裂紋中的基體金屬就將比其面積大得多的氧化皮構成腐蝕電池，兩者的電位差有時可達0.26V。裂紋中的基體金屬將作為陽極而被腐蝕。由于陽極面積很小，腐蝕電流很大，使得腐蝕在小面積上向深處發展。其腐蝕速度比碳鋼在平靜海水中的腐蝕速度（0.08～0.12mm/年）要大得多，一般可達1.5～2mm/年。金屬結構物上的焊縫與鄰近的鋼板有電位差，其值可達20～40mV。焊縫將作為陽極而被腐蝕。由于焊縫面積比鄰近鋼板的面積小得多，所以受到強烈的腐蝕，有時焊縫處的最大腐蝕速度可達0.77～1.3mm/年。總之碳鋼和低合金鋼的局部腐蝕速度很大[8]。

2.2.3 鑄鐵的海水腐蝕性能

具有不同石墨形態的鑄鐵在靜海全浸條件下，平均腐蝕速度隨時間增加而減少，與碳鋼、低合金鋼腐蝕規律相同。由于鑄鐵中石墨的存在，其海水腐蝕有其自身特點，石墨形態及數量對鑄鐵均勻腐蝕影響不大。

片狀石墨鑄鐵與球鐵的結晶有本質區別，孤立分布的石墨球鐵能在最大程度上保持基體的連續性，連續分布的片狀石墨則將基體分割成無數個不連續的“小格子”。其點蝕與碳鋼、低合金鋼不同處在于，片狀石墨在基體腐蝕過程中組成無數個絲束陰極，形成雜散電流，使局部腐蝕電流密度有不同程度的減弱，減緩腐蝕速率，相互獨立的“微區小格子”金屬基體在溶解過程中，隨著孔蝕的繼續將“微區小格子”的金屬消耗完，使陽極反應物得不到及時補充。片狀石墨在基體組織中構成像涂層中的互相平行交叉的鱗片狀顏料一樣，起到“迷宮效應”，一方面延長各種活性粒子的穿過路徑，降低透過率，另一方面相互平行或近似平行的石墨片產生電容效應，電容阻止直流可過交流的特性使腐蝕電流不易構成回路而極易雜散，產生陽極極化，減緩點蝕。相反，孤立分布的球狀石墨保證基體的連續性，且石墨球不易分散局部腐蝕電流，只要點蝕條件滿足，孔蝕將不斷繼續，直到蝕口被沉積物堵塞，孔內反應產物轉移困難，孔蝕生長速度才將減緩。石墨形態顯著影響鑄鐵的局部腐蝕，片狀石墨鑄鐵的點蝕深度0.20～0.70mm，球鐵的點蝕深度最大l.47mm。

就海水對金屬材料腐蝕方面，目前國內通過長時間的海水腐蝕試驗，積累了大量不同海域、不同腐蝕區帶的腐蝕數據，并在理論上有所突破和創新。

在清楚認識各金屬材料的海水腐蝕機理的基礎上，如何正確應用或在現有材料的基礎上研究出新材料應用到海水抽水蓄能電站水泵水輪水輪的設備上，這將是需要進一步深入研究的新課題。

2.3 工程案例介紹

世界上首座海水抽水蓄能電站是日本1999年建成并運行的日本沖繩山原抽水蓄能電站。該電站是一個試驗性項目，其中主要研究項目之一就是在高壓/高速水流作用下海水對金屬材料的腐蝕作用。

沖繩山原抽水蓄能電站基于對海水腐蝕的機理和防護技術的研究，以海水為工作介質的水泵水輪機，其使用材料是在同時考慮了耐蝕性與經濟性的基礎上選定的[1]。在流速較低的部位，采用普通鋼再施以防海水用的加強涂層（含有玻璃纖維顆粒的超厚涂層）；在流速高的部位，采用不銹鋼。為了防止因涂層損傷引起的點蝕及間隙腐蝕，還設置了電氣防蝕裝置。

2.3.1 轉輪、主軸及活動導葉

轉輪與活動導葉采用了以低碳奧氏體系不銹鋼（JIS-SCS16A）為基體并添加氮元素提高其耐蝕性的材料。主軸材料采用奧氏體系添加氮元素的鍛鋼（JISSUS316N）。在主軸上設置了為電氣防蝕裝置供電用的滑環。主軸與轉輪的連接采用與普通機組相同的螺栓連接，全部用橡膠密封進行封水，以防止海水浸入螺栓把合部位。

因活動導葉軸承周圍存在狹小間隙，容易被腐蝕，所以在軸部位采用雙重密封，并防止海水對軸承的侵蝕。為了易于進行檢修保養，采用了無需拆卸頂蓋與底環就可以更換密封的結構。

2.3.2 蝸殼、座環、頂蓋及底環

蝸殼和座環的材料全部采用熱軋鋼板（焊接結構用軋制鋼材JIS-SM400A），并采用焊接結構。過流面施以含有玻璃纖維顆粒的超厚涂層。頂蓋和底環的材料，在過流面部分采用低含碳量奧氏體系不銹鋼（JISSUS316L），過流面以外部分考慮到經濟性采用熱軋鋼板（JIS-SM400A），從整體上來講，是采用把不銹鋼與熱軋鋼板兩者搭配起來的焊接結構方式。

2.3.3 主軸封水裝置

水泵水輪機主軸的防止漏水用旋轉密封裝置采用了防腐耐磨的陶瓷密封材料，密封箱部件材料為低碳奧氏體系不銹鋼（JIS-SUS316L）。封水裝置與主軸之間存在狹小間隙，由于擔心產生腐蝕，在該部位采用了犧牲陽極方式的防蝕裝置。

2.3.4 電氣防蝕

防蝕電極——在頂蓋、底環、蝸殼、尾水管等結構（固定）部件上采用了防止電氣腐蝕用電極，同時在旋轉部件（如轉輪）上和主軸上裝設電刷并通過固定部分接地，以便防止電氣腐蝕。

對水泵水輪機各部位的材料及防蝕涂層，雖然采用了上述防蝕措施，但是為了防止涂層損傷引起點蝕及間隙腐蝕，又設置了電氣防蝕裝置。由于介質流速越快則腐蝕越易發生，故采用了防蝕電流可調的外加電源方式作為主要的電氣防蝕措施。

2.3.5 無油軸承

導葉軸承采用無油式固體潤滑軸承，而且采用了一種海水不易進入、從外部又便于清洗的滑動部分結構，可以防止電氣腐蝕和間隙腐蝕。

2.3.6 兩套部件

熱交換器采用海水冷卻，為了防止海洋生物附著，備有兩套部件，定期更換清洗。

2.3.7 彈性涂料

蝸殼、尾水管等碳素鋼板部件的通流表面采用玻璃纖維彈性涂料，以便防蝕。

2.3.8 合成樹脂

水管內測采用聚乙烯、乙烯樹脂等合成材料制作里襯，以便防蝕。

2.3.9 橡膠里襯

進水閥門里側采用橡膠里襯。

通過該工程案例可以看出，日本針對海水抽水蓄能電站中水泵水輪機的材料腐蝕問題已具有一定的研究成果，但核心技術和成果并未公開，很難獲得。加之由于地理條件的因素，不同海域的腐蝕性能也是不同的。因此，針對我國海洋環境進行海水腐蝕的機理和防護技術的研究將是下一步必須深入研究的課題。

3 結束語

金屬材料腐蝕問題是海水抽水蓄能電站建設的關鍵問題之一，如何經濟有效地解決該問題是建設海水抽水蓄能電站的必經面對的關鍵技術之一。

本文就我國海洋環境對金屬材料的腐蝕機理和幾種主要金屬材料的海水腐蝕機理進行了介紹和分析。世界首座海水抽水蓄能電站——日本沖繩山原抽水蓄能電站在該方面進行了研究并進行了實際運用，可為我國下一步的研究提供重大的參考。如何在山原抽水蓄能電站的基礎上研究出適合我國海洋環境的金屬材料和防蝕措施，將是迫切需要開展的課題。

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2017-08-20

2017-09-20肖 微（1980—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：流體機械工程。E-mail：xiaoweiyh@126．com

柴建峰（1977—），男，博士，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），主要研究方向：水文地質與工程地質。E-mail：623509677@qq．com

Corrosion of Metallic Materials of Pump-turbine for Seat Water Pumped Storage Station

XIAO Wei，CHAI Jianfeng
（Technology Center，State Grid Xinyuan Companyltd ， Beijing 100161，China）

The research and development the water pumped storage technology in our country is both the feasibility of resource and the necessity of electricity demand.Compared with conventional water pumped storage power station，it has many advantages，but also have to solve the problems.Seawater corrosion problem is one of the key issues of metal materials.In this paper the marine environmental impact factors and several main metal materials corrosion of seawater mechanism are studied.How to develop metal materials suitable to China’s marine environment and corrosion protection measures will be urgent need to carry out the subject.

seat water pumped storage station； pump-turbine；metal materials corrosion

TV213

A學科代碼：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．007