電感及pH腐蝕測量系統對電廠循環水處理的作用

楊富淋,張秀麗,張宏杰,康存軍

(1. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,沈陽 110015； 2. 華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045；3. 天津大唐國際盤山發電有限責任公司,薊縣 301907)

電感及pH腐蝕測量系統對電廠循環水處理的作用

楊富淋1,張秀麗2,張宏杰3,康存軍3

(1. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,沈陽 110015； 2. 華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045；3. 天津大唐國際盤山發電有限責任公司,薊縣 301907)

從電廠循環水系統腐蝕特點與機理的方面討論了循環水系統的防腐蝕工作重點，有針對性地采用電感及pH腐蝕測量系統來指導循環水處理與設備防腐蝕。通過在天津大唐盤山發電有限責任公司(以下稱大唐盤電)3號凝汽器上的應用，驗證了其有效性。

循環水系統;腐蝕監測;電感;pH;單向隔離

熱電廠一般采用敞開式循環冷卻水技術來處理水的循環使用與冷卻，這種處理技術會使系統內環境變得極具腐蝕性，從而導致系統內設備發生腐蝕，威脅電廠長周期的生產安全。因此,必須選擇一種經濟實用的循環水處理與腐蝕控制方案，以解決由循環水系統腐蝕造成的影響。找出導致循環水水質發生變化的原因、并對會造成設備發生腐蝕的因素進行監測；對易產生腐蝕的重點設備進行實時動態監測，以掌握腐蝕發生的過程，通過腐蝕數據的變化來反饋水質的變化，改善循環水水質，根本解決水質處理問題。

以往電廠對于循環水的監測方法僅為水質化驗分析，主動實施的監測手段較少。現階段電廠循環水系統已應用的腐蝕監測方法是對循環水系統中的凝汽器進行監測，因凝汽器中銅管的腐蝕和結垢是使發電機組損壞和傳熱效率降低的主要因素，同時凝汽器也是受循環水腐蝕的關鍵設備，所以對其進行監測很有意義。已應用的電化學腐蝕在線監測方法是通過對監測探針的電極進行線性極化，測得腐蝕電流后得出相應的腐蝕速率，其誤差較大，與實際腐蝕速率最大相差200倍，且瞬時測量對測量電極損傷較大，消耗快，維護成本增加。因此，本工作建立一套電感式測量系統來解決上述電化學測量的弊端，并與pH在線測量一同使用，可以更準確地監測循環水的腐蝕狀態。本工作主要闡述循環水系統腐蝕監測對調節循環水水質的作用，并通過天津大唐盤電3號凝汽器電感式腐蝕測量系統的實際運行結果來證明其應用效果。

1 電廠循環水系統的腐蝕

1.1 敞開式循環水腐蝕問題

電廠一般選用敞開式循環水系統，此系統的特點是水溫升高、流速變化、蒸發、無機離子和有機物質濃縮、雜物進入等因素會使系統產生嚴重的沉積物附著和菌藻微生物滋生，由此形成設備腐蝕加重、粘泥污垢堵塞管道等問題。一般循環水系統中附著水垢的主要成分是重酸鹽，它會隨著水的蒸發濃縮而增加，當其濃度達到過飽和，或經過傳熱管束表面水溫升高時，會發生反應，生成CaCO3[1]。CaCO3沉積在換熱管束表面，形成致密的碳酸鈣水垢，影響傳熱效率，嚴重時會堵塞管道。此外，設備腐蝕穿孔的現象也時有發生，主要是金屬與水中溶解氧引起的電化學腐蝕、Cl-和SO42-含量增高時，加速碳鋼腐蝕以及微生物引起的腐蝕[1]。

對于處于冷卻水環境中的同種材料，由于碳鋼表面的不均一和冷卻水的導電性，在碳鋼表面會形成許多腐蝕微電池，微電池的陽極區和陰極區分別會發生氧化反應和還原反應，這些反應會促使微電池中陽極區的碳鋼不斷溶解而被腐蝕[2]。

在水溫不高時，銅合金會在溶氧水中產生淡紅色氧化亞銅，進而生產黑色的氧化銅,見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

因Cl-半徑小，穿透性強，易穿過金屬保護膜層，置換氧原子形成氯化物，所以Cl-會加速陽極過程，是引起點蝕的因素之一[1]。

微生物引起的換熱管束等設備的局部腐蝕也較為常見，主要是由于微生物排出的黏液和無機垢、泥沙、雜物等形成的沉積物附著在金屬表面，形成了氧濃差電池，促使金屬腐蝕。此外還有一些硫酸鹽還原菌(SRB)在25～30 ℃時，水解產生H2S,引起金屬特別是碳鋼的腐蝕。此外，SRB還會腐蝕銅或銅合金，主要包括白銅、黃銅等對微生物腐蝕很敏感的合金，產生點蝕[1]。

上述這些因素會對銅合金、碳鋼換熱設備造成腐蝕穿孔，形成滲漏，換熱傳熱面減少，降低了冷卻作用，因此設備腐蝕與水垢都將危害電廠的安全生產。

1.2 循環水系統的腐蝕控制方法

在碳鋼溶解氧腐蝕中,只要任一控制陽、陰極極化過程，便可以控制腐蝕速率，在Cl-和SO42-含量升高時以及微生物腐蝕加重情況下，減緩這些因素便可降低腐蝕速率。現階段控制循環水系統防腐蝕，主要是添加緩蝕劑、殺菌劑、阻垢劑等藥劑，提高冷卻水pH，選用耐蝕材料和涂敷防腐蝕涂層。其中選擇耐蝕材料與涂敷防腐蝕層是在設備建設或檢修期實施的被動防護辦法，而合理選用緩蝕劑、實時調節水的pH才是較為主動的防護方法，且這些方法可以隨生產工藝進行調節，因而是各電廠通用的防腐蝕手段。

對循環水系統的腐蝕監測特別是在凝汽器的進水室、凝汽器管入口等部位進行電感測量法監測，可以通過電感探針得到腐蝕損耗量的變化，結合循環水pH監測可以調控緩蝕劑等藥劑的注入量，對循環水系統起到腐蝕控制作用。

2 凝汽器的腐蝕監測

冷卻水凝汽器是循環水系統中的重要部件，也是重要的換熱設備。其常見腐蝕主要是銅管的點蝕、開裂，沖刷腐蝕，碳鋼的沖刷腐蝕、微生物腐蝕、垢下腐蝕、沖刷腐蝕等。大唐盤電3號凝汽器的70-1B材料在外觀檢查時發現，黃銅管內有一層稀松的連續的紫銅，斷層可見紫銅與黃銅的分層，見圖1，內表面有白色的腐蝕產物紫銅栓，其脫落后就形成小孔。這種現象是典型脫合金腐蝕，在銅合金中鎳的電極電勢比銅小，鎳更活潑，因此鎳發生了溶解,同時因為Cl-的存在加速破壞了銅合金的保護膜，也促使了點蝕的發生。經過能譜分析,銅合金腐蝕斷層處Cl-質量分數為6.63%。

圖1 70-1B腐蝕形貌Fig. 1 70-1B corrosion morphology

在銅管的外表面則形成了許多小坑，主要原因是水質變化，水中的氯化物、硬度、沉積物增多，使銅管外表面的碳膜受到破壞而發生的點蝕現象。

由于冷卻水夾雜氣體、污物和泥沙等異物，在流經凝汽器入口水室內部以及管束入口段時會產生湍流，使凝汽器水室內壁與凝汽器管表面受到沖擊破壞了金屬保護膜形成磨蝕，形成了沖刷腐蝕,見圖2。

圖2 3號凝汽器電化學探針被沖刷后形貌Fig. 2 Morphology of electrochemical probe of 3#condenser after being washed

基于這些腐蝕特點，除了加強設備材料的耐蝕性外，還應在循環水中加入成模型緩蝕劑使其在金屬表面形成有效的保護膜，同時應加入除菌劑(防微生物滋長)與阻垢劑(防垢)[3-5]。在關鍵部位添加電感腐蝕監測探針，便可以通過累積的腐蝕損耗量得出某一階段的腐蝕速率，通過腐蝕速率可以判斷“藥劑”的適應情況，并指導調整其加入量。此外，在循環水進水環節一般會注入氨，其在空抽區會大量聚集、濃縮，若有溶解氧存在,便會在空抽區銅管汽測發生氨腐蝕，因此除了采用耐氨腐蝕白銅管外，還應在日常生產中控制氨的濃度，嚴格控制水的pH，在抽空區循環水水側加入pH實時監測，防止氨濃度過高。

在循環水運行時pH通常應控制在7.0～9.2[1]，pH過低將增加循環水的腐蝕性，設備腐蝕速率加快;pH過高則會增加循環水的結垢傾向，管束易結垢。因此有必要對水質的pH進行實時監測。

3 凝汽器上電感腐蝕測量及pH監測系統的應用

大唐盤電3號機凝汽器循環冷卻水系統，共安裝了3個電感探針和1個pH探針，見圖3。電感探針和pH探針安裝在3號凝汽器循環水進水室側，實時監測循環水對不同材料管束的腐蝕速率與水質的pH變化。在線式電感腐蝕測量及pH監測系統采用485通訊傳輸模式，每個監測部位均配有監測數據采集器，當計算機程序發出測量指令，監測數據采集器便測量探針的腐蝕電位、pH電位等參數，接著由采集端計算機(生產區)程序發出指令傳回數據，并傳輸到總服務器(辦公區)，通過B/S網頁訪問可以瀏覽、分析。因盤山電廠網絡信息安全要求，為防止網絡攻擊或竊取數據，不允許對生產網內的服務器進行訪問，生產網內數據只能向外進行單向通信，因此在生產網與辦公網服務器間安裝一臺正向型單向網絡隔離器，此單向網絡隔離器采用集成電路實現物理鏈路層的單向連接，使得在只有單組雙絞線連接下網卡能夠正常初始化并工作，以支持UDP協議的單向傳輸,見圖4。

將系統的測量間隔時間設定為60 min，表1中列出了3號凝汽器進水側水室內在線式電感探針的測量數據。由表1可見,電感探針在此循環冷卻水中的腐蝕損耗值和平均腐蝕速率穩定，腐蝕增加趨勢明顯，三種材料電感探針的腐蝕率由低到高分別是B30、70-1B、20號碳鋼，這個結果與CMB-1510B電化學系統測量儀測得設備的瞬時腐蝕速率結果相近，見表2。

圖3 系統使用界面Fig. 3 System interface

圖4 腐蝕監測數據局域網絡(LAN)通信示意圖Fig. 4 LAN communication diagram of corrosion monitoring system

表1 3號凝汽器進水側水室在線式監測數據

由表2可見,冷凝器的瞬時腐蝕速率均高于敞開式循環冷卻水系統中換熱設備碳鋼管壁腐蝕速率小于0.125 mm/a,銅、銅合金和不銹鋼換熱器管壁的腐蝕速率小于0.005 mm/a的控制標準[6]。這是因為此階段，裝置處在開工初期，介質流量變化較大，腐蝕損耗較多，且新探針正處在金屬腐蝕初期，會產生探頭加速腐蝕階段，在金屬表面產生鈍化膜后，腐蝕速率會相對平穩。

表2 CMB-1510B腐蝕測量儀測得3號凝汽器的腐蝕速率

在2月1日～3月14日期間，循環水實時監測的pH為7.7～8.1。通過監測pH變化，了解循環水回水在此期間pH的變化為0～0.5，呈弱堿性,見圖5。

由圖5可見，循環水偏堿性趨勢加重，這符合電廠循環水的pH參考值(7.0～9.2)，水質pH控制較好。因水質中碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽會水解成CaCO3、MgCO3等垢，垢類物質析出會使水中氯離子和含氧酸根離子含量升高的增大，將導致水中的金屬局部腐蝕加速[4]。因此，在此環境中腐蝕探針的腐蝕損耗可以表征加速腐蝕趨勢，而pH實時監測會表現出微小波動，并使pH逐漸降低。依此判斷，3號凝汽器的水質中尚無水垢類物質產生趨勢。

圖5 3號凝汽器循環水實時pH監測數據Fig. 5 Online pH monitoring data of 3# condenser circulating water

循環水中經常投加聚磷酸鹽作為緩蝕劑或阻垢劑，而聚磷酸鹽會水解成磷酸鹽，若水實際pH大于磷酸三鈣飽和pH，很可能會有磷酸三鈣沉淀(磷酸水垢)，反之則無[1]。采用pH監測與電感探針監測腐蝕速率變化曲線相結合實時分析的辦法來判斷水垢生成的可能性，是一種簡捷、實用的方法。

4 結論

電廠循環冷卻水處理一直是生產單位較為重視的工作，循環水系統能否長、穩、安運行，直接影響了電廠的安全生產，因此循環水系統的腐蝕與防護工作顯得尤為重要。針對循環水系統的腐蝕特點研制的電感腐蝕測量及pH監測系統，能從本質上解決腐蝕問題，電感測量探針能夠監測凝汽器的進、回水室、凝汽器管入口等部位的均勻腐蝕、沖刷腐蝕、微生物腐蝕，而循環水pH監測可以起到指導緩蝕劑、阻垢劑等“藥劑”的調節作用，從而對設備中的氨腐蝕、微生物腐蝕起到較好的防護作用。同時使用電感測量與pH監測可以幫助管理人員得到循環水系統均勻腐蝕速率信息,同時可以預測水垢生成的可能性，從而能夠減緩凝汽器管的腐蝕，增加其使用壽命，降低維護成本。因此在電廠循環水處理工作中使用電感及pH腐蝕測量系統，幫助相關人員開展防腐蝕管理工作是很有必要的。

[1] 周本省. 工業水處理技術[M]. 北京：化學工業出版社,1996：169.

[2] 楊富淋. 腐蝕在線監測技術在電廠循環冷卻水系統中的應用[J]. 華北電力技術,2012(4):14-17.

[3] 房金祥. 酸洗/緩蝕阻垢/殺菌/旁慮法提高熱電廠循環水濃縮倍率[J]. 腐蝕與防護，2006,27(9)：472-477.

[4] 葛紅花，陳霞，張慧鑫，等. 不同水質穩定劑對凝汽器不銹鋼管的緩蝕性能[J]. 中國電力，2007,35(4)：17-19.

[5] 許立國. 某火電廠凝汽器銅管初期腐蝕的原因[J]. 腐蝕與防護，2010,31(1)：92-94.

[6] GB50050-1995 工業循環冷卻水處理設計規范[S].

Effect of Inductance and pH Corrosion Measuring System on Circulating Water Treatment in Power Plant

YANG Fulin1, ZHANG Xiuli2, ZHANG Hongjie3, KANG Cunjun3

(1. Shenyang Zkwell Corrosion Control Technology Co., Ltd., Shenyang 110015, China; 2. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100045, China; 3. Tianjin Datang International Panshan Power Generation Co., Ltd., Tianjin 301907, China)

The key point of anticorrosion work for circulating water system was discussed in the aspects of corrosion characteristics and mechanism for circulating water in power plants. Inductance and pH corrosion measurement system was used to guide the circulating water treatment and equipment anticorrosion. Through the application to the 3#condenser of Tianjin Datang Panshan Power Limited Liability Company (hereinafter referred to as the Datang Panshan Power), the effect of the system was proved.

circulating water system; corrosion monitoring; inductance; pH; one-way isolation

10.11973/fsyfh-201705018

2015-08-06

楊富淋,工程師,本科,從事腐蝕監檢測工作,15011295103,forlin-young@163.com

TG174

B

1005-748X(2017)05-0398-05