淺析凝汽器設(shè)計(jì)制造中防腐技術(shù)的應(yīng)用

俞 磊

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海200090)

0 概 述

氧氣是生命和繁衍生息的必需品，但也會(huì)使鋼鐵產(chǎn)生腐蝕。在日常生活中，碳鋼的銹蝕現(xiàn)象很常見，究其實(shí)質(zhì)就是金屬被氧化腐蝕的過程。設(shè)備被腐蝕是一個(gè)重大的問題，因此，研究和采用新穎的防腐工藝，可延長產(chǎn)品的使用周期，防止設(shè)備發(fā)生重大事故。

1 金屬腐蝕

金屬的腐蝕是指金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞，有時(shí)，還伴隨著機(jī)械、物理及生物方面的作用。

金屬電化學(xué)腐蝕的機(jī)理，就是一個(gè)原電池的工作原理。由于金屬表面各成分的電極電位不同，形成電勢(shì)差，不同成分的鐵質(zhì)通過電解質(zhì)的作用，在兩者之間產(chǎn)生了一個(gè)電子通路， 從而構(gòu)成了1個(gè)微小的原電池。在鋼鐵表面生成的微小原電池的示意圖，如圖1所示。

圖1 鋼鐵表面生成的微小原電池示意圖

2 腐蝕分類

按照腐蝕機(jī)理分類，金屬腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬的化學(xué)腐蝕是指金屬與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的金屬破壞，在腐蝕過程中沒有電流產(chǎn)生。

金屬的電化學(xué)腐蝕是指金屬與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起金屬的破壞。在電化學(xué)腐蝕過程中，同時(shí)存在兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的反應(yīng)過程，即陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，并伴有電流產(chǎn)生。

3 凝汽器常用防腐方法

3.1 正確選材

設(shè)計(jì)時(shí)，從原材料的選擇上，就開始考慮防腐問題。根據(jù)凝汽器的運(yùn)行環(huán)境，選擇該環(huán)境下腐蝕速率較低的材料，以減緩金屬腐蝕的發(fā)生，主要是對(duì)凝汽器管子及水側(cè)管板材質(zhì)的選取。

在沿海地區(qū)或內(nèi)地的某些電廠，常直接抽取附近電導(dǎo)率較高的水或海水，作為設(shè)備的冷卻水源。冷卻水經(jīng)過濾后，被送至凝汽器水側(cè)管路內(nèi)，并與凝汽器內(nèi)蒸汽進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到冷凝蒸汽的目的。因冷卻水的電導(dǎo)率較高，從而對(duì)金屬材質(zhì)提出了較高的耐腐蝕要求。通常，對(duì)于防腐要求較高零件，常選取耐腐蝕能力較強(qiáng)的不銹鋼管、不銹鋼+碳鋼的復(fù)合板、鈦管、鈦+碳鋼的復(fù)合板等材料。

3.2 緩蝕劑

若在流體中加入少量的化學(xué)物質(zhì)，即可使金屬被腐蝕的速率大大降低，這類化學(xué)物質(zhì)稱為緩蝕劑。由于所需添加緩蝕劑的量較少，所以，常被應(yīng)用在水壓試驗(yàn)等工序中。

3.3 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)中的一種方法，是采用外加電流對(duì)陰極進(jìn)行保護(hù)，其原理是向被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)的表面施加一個(gè)外加電流，讓被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)成為陰極，從而使金屬腐蝕時(shí)發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

采用陰極保護(hù)時(shí)，還可使用犧牲陽極法，其原理是將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生反應(yīng)而被消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。犧牲陽極保護(hù)法的示意圖，如圖2所示。

圖2 犧牲陽極保護(hù)法示意圖

凝汽器水室與腐蝕介質(zhì)直接接觸，通常可設(shè)置防腐鋅塊作為犧牲陽極，對(duì)水室進(jìn)行防腐。防腐構(gòu)造較為簡易，防腐效果明顯，故目前主流凝汽器水室內(nèi)部補(bǔ)充的防腐措施，通常采取該法進(jìn)行防腐。

3.4 非金屬襯里

當(dāng)鋼鐵被浸沒在電解溶液時(shí)，將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的腐蝕，但許多非金屬物質(zhì)卻對(duì)這類環(huán)境有著優(yōu)良的耐腐蝕性，所以，對(duì)于被電解液浸漬的部件，可采用類似橡膠、塑料、陶瓷等襯里材料，能發(fā)揮特有的防腐效果。

此類技術(shù)主要應(yīng)用于凝汽器水室、循環(huán)水管、管板與水室等結(jié)合面，采取襯膠方式可有效隔絕電解液與碳鋼組件的接觸，從而達(dá)到防腐的目的。

3.5 涂料

在金屬表面涂敷防腐材料，形成層狀的固態(tài)薄膜，以阻隔電解液黏附在金屬表面，隔絕原電池結(jié)構(gòu)中的電子通路，從而起到防腐作用。涂料防腐在日常的金屬防腐中較為常用，應(yīng)用范圍也非常廣泛，是目前工業(yè)防腐中主要的防腐措施之一。

在凝汽器外表面上涂敷涂料進(jìn)行防腐的方式較為常見，根據(jù)設(shè)備所處環(huán)境的不同，選擇合適的耐蝕等級(jí)，按標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)制定的防腐技術(shù)條件，選取油漆類型、厚度、配套工藝，也可達(dá)到較好的防腐效果。

由于凝汽器設(shè)備體積較大，目前，多數(shù)電廠均采用將散件運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行組裝的方式，為避免散件運(yùn)抵現(xiàn)場后發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕情況，通常會(huì)涂覆臨時(shí)性的水溶性防銹劑，防止設(shè)備內(nèi)件被腐蝕。水溶性防銹劑具有施工方便的優(yōu)勢(shì)，可噴涂，可輥涂，也可根據(jù)防腐時(shí)間的長短，直接用水進(jìn)行稀釋，成本較為低廉。在我國引進(jìn)凝汽器技術(shù)的初期，出于對(duì)凝汽器內(nèi)部水質(zhì)方面的考慮，都要求在凝汽器內(nèi)表面不得涂覆涂料等防腐物質(zhì)，即使涂覆，也會(huì)要求在運(yùn)行前去除。因水溶性防銹劑的去除較為方便，且價(jià)格低廉，在設(shè)備運(yùn)行前，利用設(shè)備的灌水沖洗，水溶性防銹劑就自然會(huì)溶于水中，并被帶出設(shè)備，省略了去除該物質(zhì)的工序，所以，國內(nèi)凝汽器內(nèi)部的防腐，均采取該法進(jìn)行防腐處理。近年，在國家層面組織編制的標(biāo)準(zhǔn)中，也有提及采用對(duì)水質(zhì)污染較小的醇酸等涂料進(jìn)行防腐，但由于醇酸涂料的應(yīng)用特性，其剝落后呈塊狀，極易堵塞凝汽器底側(cè)的濾網(wǎng)。若采用醇酸防腐工藝，在長期處于高濕高溫的內(nèi)部環(huán)境下，其耐蝕等級(jí)較低，所以，很多大型裝備制造企業(yè)均不會(huì)考慮使用。

雖然水溶性防銹劑具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也有較多弊端，如不能在室外露天存放，遇到雨天，工件外表面的防銹劑將被直接沖走。故在早期的核電站凝汽器制造技術(shù)中，就有在凝汽器內(nèi)部部組件上采取涂覆涂料的防腐措施，涂覆涂料是由鎳基粉劑和乙烯基溶劑組成的混合漆，耐腐蝕的效果較好，且耐高溫(約650℃)。該涂料粉化后的顆粒較為細(xì)膩，不會(huì)堵塞凝汽器過濾網(wǎng)，對(duì)水質(zhì)無明顯的影響。近年來，各大核電站在設(shè)計(jì)初期，就紛紛采用了該項(xiàng)技術(shù)，以期達(dá)到延長設(shè)備使用壽命的目的，但該涂覆涂料的價(jià)格較高。

4 新技術(shù)及新工藝的應(yīng)用

4.1 環(huán)保型環(huán)氧漆

隨著我國綜合國力的提高，國內(nèi)對(duì)新技術(shù)的研發(fā)水平也在不斷提高，在防腐技術(shù)上，涌現(xiàn)了很多新技術(shù)和新工藝。早期對(duì)凝汽器水室及循環(huán)水管的防腐，常采用價(jià)格低廉易施工的環(huán)氧瀝青進(jìn)行防腐，對(duì)于采用海水介質(zhì)的冷卻設(shè)備，均采用傳統(tǒng)的襯膠工藝作為防腐措施。

近年來，因采用環(huán)氧瀝青工藝對(duì)環(huán)境的污染較嚴(yán)重，該工藝逐漸被淘汰，取而代之的是耐蝕性能更加優(yōu)異的高固態(tài)改性環(huán)氧產(chǎn)品。該產(chǎn)品添加了鱗片阻隔成份，增強(qiáng)了涂層隔絕介質(zhì)的能力，易于施工，結(jié)合對(duì)主劑成分的控制，很多改性的玻璃鱗片漆，可按飲水儲(chǔ)罐的儲(chǔ)放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證，施工時(shí)，幾乎沒有異味，具有很高的環(huán)保性能，可長期在溶液浸沒的狀態(tài)下使用。

新環(huán)保型高固態(tài)玻璃鱗片環(huán)氧漆與常規(guī)襯膠、環(huán)氧瀝青工藝相比，具有施工簡易特點(diǎn)，且不需配置專用的硫化釜等工裝，若出現(xiàn)局部破損，在現(xiàn)場即可修補(bǔ)，環(huán)保性能好。與襯膠工藝相比，施工周期較短，成本低于襯膠的價(jià)格。因此，在海水或電導(dǎo)率較高的介質(zhì)存儲(chǔ)產(chǎn)品中，環(huán)保型環(huán)氧漆的應(yīng)用前景較為寬廣。

4.2 陶瓷涂層

目前，還出現(xiàn)了很多陶瓷涂層類的高分子環(huán)氧漆，具有很好的耐腐蝕性能。高分子環(huán)氧漆的表面耐磨性能良好，也便于現(xiàn)場施工，但高分子原材料的價(jià)格較高，造成工程的總體價(jià)格偏高，較多應(yīng)用于換熱器耐蝕面的局部或整體修復(fù)，以延長設(shè)備的使用壽命。

4.2.1 陶瓷涂層的耐腐蝕試驗(yàn)

選用陶瓷涂層樣品，對(duì)小樣涂覆后，模擬海水噴淋進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。擬定的試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1加速腐蝕試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)溶液溫度/℃溶液濃度/( g·L-1)(質(zhì)量比)溶液沖刷流速/( m·s-1)pH值T試驗(yàn)=22±5ρ溶液=50±5v溶液≥26～7

監(jiān)測的主要項(xiàng)目有：

(1)實(shí)驗(yàn)中溶液溫度。

(2)溶液pH值。

(3)溶液沖刷的流速。

(4)溶液電導(dǎo)率。

(5)試樣板表面變化情況(起皮、脫落、銹蝕)。

(6)試樣板的定期(7d)稱重，檢測質(zhì)量失重情況。

試驗(yàn)裝置的配置及模擬噴淋的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 模擬海水噴淋加速腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟為：使用乙醇將試樣板表面油污用干凈白布擦拭干凈并晾干→試板稱重并記錄→使用天平稱250g NaCl,并用水稀釋至5L→調(diào)勻使NaCl充分溶解于水中→將蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速從零緩慢增速至300 r/min,檢查管路是否泄漏，沖刷位置是否偏離→檢查無異常后，將蠕動(dòng)泵緩慢增速至600 r/min，流速為2.2 m/s→每天記錄溶液溫度、pH值、溶液電導(dǎo)率、試樣板外觀變化情況。

通過31d的耐蝕沖刷試驗(yàn)，試樣板的測試表面未出現(xiàn)銹蝕、剝落等情況，測試面符合外觀質(zhì)量要求，基材未顯露。試樣板總質(zhì)量未明顯變化，耐蝕性能優(yōu)異。測試前后試樣板表面涂層的變化，如圖4所示。

測試前

測試后

圖4 測試前后試樣板表面涂層的變化

4.3 噴涂防腐

噴涂防腐(HOVF)又被稱為超音速火焰噴涂，是國外首創(chuàng)的一種熱噴涂技術(shù)。超音速火焰噴涂的核心設(shè)備是噴槍，噴槍由燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管等部件組成。火焰噴涂的工作原理，是將煤油從小孔引入燃燒室，經(jīng)霧化后，再與氧氣混合后燃燒，發(fā)生強(qiáng)烈的氣相反應(yīng)，燃燒產(chǎn)生熱能使氣體劇烈膨脹，膨脹氣體流經(jīng)Laval噴嘴時(shí)，受噴嘴的約束而形成了超音速高溫焰流。焰流加熱了噴涂材料，并隨焰流加速噴至基體表面，從而形成了高質(zhì)量的防腐涂層。

該種技術(shù)可通過對(duì)鋼材表面噴涂各類耐蝕金屬，提升低成本碳鋼的耐蝕性能。針對(duì)客戶對(duì)材質(zhì)不同的需求，可使鋼材達(dá)到耐蝕、耐磨、耐熱、耐酸、耐堿的特殊要求。選擇不同的噴涂金屬棒材，經(jīng)加工粉化后，再利用噴涂技術(shù)噴涂在工件表面上，實(shí)現(xiàn)工件表面的改性，提升材料的附加價(jià)值。目前，噴涂技術(shù)幾乎能夠囊括所有的金屬材料，即所有可加工成棒材的防腐材料，皆可應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用前景較好。

現(xiàn)今，該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在有特殊需求的緊固件上，主要是因?yàn)閲娡康某杀据^高，國內(nèi)主流的輔機(jī)設(shè)備，大多都采用低碳鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，若噴涂的表面積較大，性價(jià)比不是很高，但對(duì)于小型部件的局部防腐，具有非常好的效果。

4.4 噴涂螺栓的工藝流程

在噴涂前，將螺紋試片焊在螺栓頭部，盡量使試片螺紋與螺栓螺紋高度一致。手工噴砂清理螺栓上的油污，采用防護(hù)膠帶保護(hù)不噴砂部位，噴砂顆粒為46號(hào)。在夾持部位加銅片防護(hù)，避免夾傷螺栓。粉末烘培溫度為120℃，時(shí)長2 h。工件轉(zhuǎn)速為260～300 r/min，噴涂槍的橫移速度，為每轉(zhuǎn)4～6 mm。噴涂時(shí)的工藝參數(shù)，如表2所示。

表2 噴涂時(shí)的工藝參數(shù)

5 結(jié) 語

鋼材在微觀上已存在著陰極(鐵)和陽極(碳)，防腐的關(guān)鍵在于控制電解質(zhì)溶液與陰、陽極之間的接觸，防止產(chǎn)生電子通路。對(duì)于涂裝技術(shù)的應(yīng)用，關(guān)鍵在于基材清理，對(duì)于基材清理時(shí)的環(huán)境條件及涂裝控制，在涂裝的工藝操作中至關(guān)重要。因此，做好凝汽器防腐的關(guān)鍵，是前期基材的預(yù)處理。嚴(yán)格的過程控制和操作管理，才能達(dá)到預(yù)期的防腐效果。