海水電解制氯電解槽蓋板裂紋原因分析及防范

魏春芝

摘 要：文章針對某電廠電解海水制氯加藥系統，在使用過程中發現電解槽有機玻璃蓋板出現輕微裂紋，嚴重時系統PVC管道裂開現象，造成系統不可用的問題，分析了引起裂紋的原因，從存在弱電解到產生氫氣、氯氣，氫氣、氯氣在一定條件下混合引發自發連鎖反應，形成瞬時高壓力引起設備損壞的過程，并針對此問題提出了防范措施，避免設備損壞。

關鍵詞：電解；制氯；氫氣；氯氣；爆炸

中圖分類號：X781.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0135-02

Abstract： Aiming at the chlorine-dosing system of electrolytic seawater in a power plant， a slight crack was found in the plexiglass cover plate of electrolytic cell in the course of using， and the PVC pipe of the system was cracked when it was serious， which resulted in the problem that the system could not be used. The reasons for the crack were analyzed. From the existence of weak electric solution to the production of hydrogen and chlorine gas， the mixture of hydrogen and chlorine gas can initiate spontaneous chain reaction under certain conditions， forming the process of equipment damage caused by instantaneous high pressure， and the preventive measures are put forward to avoid the equipment damage.

Keywords： electrolysis； chlorine production； hydrogen； chlorine； explosion

1 概述

在海濱建設的發電廠，多數采用海水作為循環冷卻水，為了抑制微生物對循環水系統的侵蝕和附著，采用電解海水制取次氯酸鈉溶液，以連續加藥和沖擊加藥的形式，加入循環水取水前池。里面的有效氯能抑制或殺死海生物的幼蟲或孢子，以解決海生物及菌藻類在循環冷卻水水工構筑物、管道和凝汽器鈦管上附著繁殖，引起通流面積減少，影響輸水能力、降低凝汽器效率，以致迫使機組降低負荷運行，影響發電。

2 電解海水制氯原理

海水中含有一定量的NaCl，平均含量在32%左右，在直流電流的作用下，會在兩極發生電解反應，反應式為：

陽極反應：2Cl--2e→Cl2↑

陰極反應：2Na++2e+2H2O→2NaOH+H2↑

電解槽內反應：Cl2+2NaOH→NaClO+NaCl+H2O

電解總反應：NaCl+H2O→NaClO+H2↑

電解制氯系統利用整流后的直流電解，通入電解槽進行反應，制取次氯酸鈉溶液。電解制氯組件分為A、B、C、D四組，每組分為兩列，每列由11個電解槽串聯而成，共88個電解槽，電解槽最大承受壓力0.38MPa，正常運行壓力為0.2MPa左右，每列電解槽入口均有電接點壓力表，壓力超過0.3MPa時會有超壓報警。

電解槽為板網式透明結構電解槽，槽蓋為透明亞克力材料制成，運行人員在運行過程中可以透過槽蓋直接觀察槽內反應情況，以及直觀判斷和掌握電解槽結構和酸洗情況，陽極板網式結構和板式陽極相比，增加了海水的湍流，提高了電流效率。

3 問題描述

3.1 蓋板裂紋

運行中發現電解槽透明有機玻璃蓋板螺栓孔外側突然出現了裂紋，并對其它蓋板進行檢查，共發現有裂紋蓋板18處。從裂紋形狀分析出，是蓋板承受了內部壓力超過規定值受到了損傷出現了裂紋。出現裂紋的電解槽都是在備用狀態下發現的，期間未出現海水側“系統壓力高”超壓報警信號。技術人員、廠家圍繞裂紋進行分析，排除了正常運行超壓的因素，但對引起上述問題的疑問并沒有解決，也沒有確定超壓原因，僅對有裂紋的蓋板進行了更換。

3.2 PVC管道損壞

隨后備用中的一組電解槽又出現了兩處蓋板裂紋，現象同前一階段出現的裂紋相似，另外還出現了此列電解槽所有上部管道彎頭處PVC管裂開，并在裂開的同時伴有較大的聲響，同時電解槽周圍伴有白色煙霧狀現象。管道呈N型陣列連接，每個電解槽上部會形成一個獨立的氣腔，各氣腔間有海水封堵，此次有8個電解槽上部的氣腔同時發生了超壓破裂現象。

4 分析與解決

從蓋板裂紋到PVC管道損壞兩件事聯系在一起分析，在出現這些現象前，系統無任何報警信號。只有系統內存在瞬間超壓時，才不會使壓力表報警，管道破裂只是瞬間壓力超過了PVC管道破壞應力。瞬間超壓就一種可能，即產生爆炸性氣體混合物，在密閉空間內引起爆炸。從海水電解方程式可以看出，電解產物中能形成爆炸的氣體就是氫氣、氯氣的混合物，氯氣中含氫氣達到爆炸極限范圍（即氫氣含量占氯、氫混合氣總量的5%～86%）在特定條件下會發生劇烈化合、發出高熱，形成較高的爆炸壓力。

4.1 氣體產生

系統停運時，先停運整流器，然后用海水對電解槽內殘留的氯（氫）水混合物進行了沖洗和置換，置換完成后將電解槽兩側入、進、出水閥關閉備用，備用時系統內海水里面基本不含氫氣。在停運備用期間，故障電解槽出現系統壓力高報警，檢查出入口閥門在關嚴位置，其它未發現問題，開啟取樣閥將系統壓力泄放，壓力表歸零，報警消失。在此后的五六個小時內，又出現系統壓力高報警，采取同樣的措施消除壓力高報警。

上述情況證明了電解槽存在微弱電流，使兩極板間發生電解，反應生成氣體集聚。因反應過程較緩慢，人員不易察覺，造成系統壓力緩慢升高，并在電解槽上部形成氣腔，嚴重時系統內液體受壓引起壓力表超壓報警。

4.2 氣體鏈鎖反應

從電解方程式可以看出，海水中NaCl分子在直流電解作用下，在陽極生成Cl2，Cl2又與水中正極生成的NaOH發生化學反應，生成NaClO，沒有來得及反應的Cl2溢出到水面。在陰極板產生的H2，因不與溶液內物質反應，直接溢出，使電解槽內形成氫氣、氯氣的混合性氣體。

氯、氫混合氣中氫含量15%～83%（體積）時，混合氣體中氯氣分子在有水蒸氣存在或光照的條件下，很容易離解為兩個氯原子，即Cl2=2Cl進而Cl+H2=HCl+H、H+Cl2=HCl+Cl，H、Cl原子交替和氫氣、氯氣分子反應，形成了自發鏈鎖反應。電解槽中含有較多水蒸氣，以致不需強光照射條件就可使大量的氯分子分解成氯原子，與氫氣混合時，大量的氯原子產生有利于鏈鎖反應迅速進行，反應中放出的熱量來不及擴散而引起爆炸。此反應極易進行，很難控制。爆炸后的產物為HCl，遇到空氣中水蒸汽時，會形成酸霧（所謂的白霧）。

氯、氫混合氣體發生爆炸燃燒，爆炸壓力約9.8MPa/cm2，較電解槽蓋板及管道設計壓力大許多倍，能破壞設備、管道、建筑結構及其構件，因此要重視氫氯混合氣體的危害。

電解系統正常運行時，由于海水流動的擾動，生成的氯氣容易與液體中的氫氧化鈉發生反應生成氯酸鈉，少量溢出氯氣和氫氣的混合體積達不到燃燒濃度很難發生鏈鎖反應，即便發生燃燒反應，因系統為開放式，對系統不會造成超壓損壞。

對于系統PVC管道損壞情況看，同時出現八個破裂口，主要原因是各個氣腔內產生的氫氯混合氣體濃度大致相同，工況大致相同，混合氣體發生鏈鎖幾乎在同時發生，導致了多個破口同時出現。反過來，八個破口同時出現，這也反向證明了氣體鏈鎖反應是在同時發生的。

4.3 弱電來源

直流電解設備包括高壓開關、整流變壓器、可控硅整流器、控制板組成，正常備用期間，整流器電流輸出旋鈕在零位，停運開關在停止位，雖然沒有明顯的斷開點，設備正常情況下不會有輸出電壓。但另外一種情況除外，在整流控制板出現故障的情況下，會使可控硅意外觸發出現輸出電壓漂移。經現場對整流器控制板進行檢查，發現控制板存在不穩定情況，確定為控制板因質量原因性能不穩定造成輸出不受控，電解槽出現微弱電解，也證明了整流器存在直流輸出。

4.4 解決措施

經過分析工藝過程和電解原理，為了避免電解槽出現微弱電解現象，引發設備損壞，主要有以下幾種方式進行避免。

（1）消除電解質。將電解槽內海水用生活水沖洗干凈后并放空，使電解反應降到最低。此方式需要進行大量的閥門開關及倒換，操作時間長、工作量大，并浪費生活水資源。此方式因沒有電解質，也不會產生混合氣體引起爆炸，但也避免不了電氣故障直流有輸出。

（2）開啟取樣閥。將電解槽密閉空間改為敞口條件，此方式只能避免壓力緩慢升高引起的破壞，如果混合氣體體積量夠大，發生鏈鎖反應瞬間壓力升高，取樣管口來不及泄除壓力，還會引起管道破壞，此方式也不能避免微弱電解的存在。

（3）將整流器高壓側電源斷開。從電氣系統上看，高壓電源經高壓斷路器、整流變壓器、可控硅整流器至直流正負極，如果斷開高壓斷路器，將徹底斷絕整流系統電源，即使整流器可控硅意外損壞或控制板故障，都不會有直流輸出，徹底消除了能量源，使微弱電解不能再發生。

通過分析可以看出，電解槽在非運行期間斷開整流變壓器高壓斷路器操作最方便，且能徹底消除微弱電解，使系統處于安全備用狀態。采用此方式后，經過一段時間的運行，裂紋現象消失。

5 結束語

電解槽在備用狀態出現微弱電解，由于在監視畫面上看不出電流有輸出，是因為電流量程較大，對小電流不敏感，就地觀察電解槽透明蓋板內部，也無明顯電解氣泡存在，只能看到直流電壓有二十、三十幾伏的輸出，容易誤判為正常現象，此時弱電解在時時刻刻發生，隨著氫氣、氯氣的集聚，在合適條件下引發鏈鎖反應就可能引起瞬時超壓，損壞設備。混合氣體體積量的多少，發生鏈鎖反應引起的超壓能量也不近相同，輕則使電解槽蓋板出現裂紋，嚴重時會造成管道爆裂、設備損壞。

通過對電解槽弱電解引起氣體鏈鎖反應的分析，控制弱電解的發生，是避免電解系統發生氫氯氣體鏈鎖反應的主要途徑。

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