開式循環水系統閥門內漏引出的冷卻水管防腐問題

董浩勤

（上海電力監理咨詢有限公司，上海 200031）

0 引言

開式循環水系統是燃煤電站必不可少的冷卻體系，更是傳統火力發電廠維持設備安全運行的重要組成部分。相對于閉式水系統，開式循環水系統有著水質要求低、冷卻效果好、水溫具有較好的穩定性［1］，投資少，施工成本低，操作簡單等優點。臨海規劃設計的火電廠，通常會取海水作為循環冷媒介，使用海水的最大優勢，就是消除了水源短缺的后顧之憂。但海水的高腐蝕性，一直以來都是設計、施工、運行人員必須面對的難題。

海水中含有大量鹽類離子和氯離子，屬強電解質溶液，具有高腐蝕性［2-4］，埋地管道、預應力砼鋼管［5］、冷卻水管道、旋轉濾網、海水斜流泵、攔污柵、鋼閘門等管道設備的防腐措施一般為涂覆外防腐層、內襯［6］與陰極保護的雙重方法。涂層防護可抑制隔絕海水中高濃度氯離子的侵蝕［7］，陰極保護通過將腐蝕電位降低到使金屬腐蝕速率顯著減小的電位值而達到電化學保護。

1 工程概況

某海外煉化項目建設配套電站，以滿足全廠供汽和供電需求。建設規模為5 臺380 t／h 循環流化床鍋爐、4 臺55 MW 抽凝機組、2 套7 MW 余熱發電機組、3 套12 500 t／d 熱法海水淡化裝置及配套設施以及相應的55 kV 配套變電所。機組凝汽器和閉式水系統采用直流海水冷卻方式，海水通過進水明渠、取水流道至取水泵站，經3 臺斜流循環泵（兩用一備）作用，通過兩路冷卻水管道到主廠房依次給閉式水板式換熱器、6 臺機組凝汽器冷卻降溫。降溫后的循環海水被兩路回水管送到冷卻塔，給鍋爐煙氣脫硫后，經曝氣池排回大海。系統流程具體見圖1。

圖1 直流海水冷卻流程

主廠房內各機組冷卻水管道進、出口設置一個電動蝶閥，獨立檢修凝汽器時用來隔離母管。閥門參數見表1。

表1 冷卻水管道閥門參數

2 閥門內漏情況

施工過程中發現，主廠房內冷卻水管道電動蝶閥安裝時，閥瓣和個別銷軸存在不同程度的銹蝕現象，閥門為對夾式。現場對閥瓣光譜檢測確認材質為非不銹鋼，不耐海水腐蝕，見圖2、表2。

圖2 閥門外觀

表2 閥瓣材質 %

鋼材中當鉻質量分數Cr＞12.5%時材料表面可形成一層連續致密的富鉻氧化膜，具備一定的抗腐蝕性能［8］，閥瓣銹蝕原因與庫存管理有關，另一方面現場為海島，環境高溫、高濕，空氣中海水鹽霧含量大有直接原因。

機組在調試考核期間，冷卻水系統運行約有6個月。運行人員發現個別閥門存在不同程度的內漏現象，且對夾螺栓處有不同程度的銹蝕情況，提出更換主廠房內所有冷卻水管道閥門。為保證機組正式投產后能長期、穩定運行，施工單位統一采購閥體和閥瓣全部為丁晴膠襯里，閥體自帶法蘭的閥門。原閥門與更換閥門對比見圖3。

圖3 閥門對比

從圖3 中看出原閥門迎水面受海水沖刷銹蝕嚴重，腐蝕產物主要為Fe2O3和Fe3O4鐵銹［9］，已造成閥瓣邊緣腐蝕穿透，形成漏點，原閥門使用功能遭到損傷。表明此環境下，鎳基合金的閥體耐海水腐蝕性差。閥門滲漏原因和處理措施見表3。

表3 閥門滲漏原因及措施分析

此類閥門因安裝位置和使用環境的特殊性，設計選型時應重點考慮，在成本和使用壽命兩者之間取舍時應權衡利弊。可使用耐當地海水腐蝕的不銹鋼材質如2205 雙相鋼等，或者采用全襯里工藝。不能一味追求成本控制，而忽視服役壽命，給后期投產運行帶來不便。

3 管道內壁不同腐蝕類型

利用更換閥門機會，對冷卻水管道內防腐情況進行了整體檢查，發現管道內壁、彎頭、伸縮節焊接處、管道與法蘭焊縫處、犧牲陽極塊附近，存在不同程度的內防腐漆皮脫落，管材腐蝕等現象，具體見圖4。

從現場管道內壁腐蝕情況分析，存在以下幾種腐蝕類型。

圖4 管道內壁不同腐蝕類型形貌對比

點蝕：形成由金屬表面向內部擴展的點坑，即空穴的局部腐蝕。本次檢查中發現以點蝕形式存在的腐蝕較普遍，個別管段呈現連片點蝕，對此管段整體更換。點蝕形成前，此處防腐層已脫落。

焊接腐蝕：此類腐蝕多發生于焊縫處，如管口與反法蘭對接的角焊縫、熱控專業壓力取源管接管座與管道內壁焊口處、伸縮節出口段與管道對接縫隙處等，為防腐層的薄弱環節。停機后此處多會產生銹跡，加速腐蝕。焊縫區以及熱影響區，當海水的鹽度為3%左右時，其腐蝕速率最高［10］。本海域海水鹽度，最大值3.2%，最小值2.4%，平均值2.8%。

縫隙腐蝕：多發生于管道內部與反法蘭焊縫處，以及法蘭對接面。管道法蘭墊片與密封面尺寸不一致［11］，接觸不嚴密，墊片密封不到位，是產生滲漏的薄弱環節。

沉積物腐蝕：本次沉積物腐蝕發生于2 臺濾水器之間的管道內壁，為海洋藻類等物質沉積附著在管壁周邊發生的局部腐蝕。說明在海水取水明渠入口加氯，藻類生物未全部殺死［12］。檢查人員還發現在閉式板換進水管道前彎段內壁和冷卻水母管檢查孔管壁上都有滋生藤壺，海洋生物的附著會加劇海水的腐蝕［13］。可采用次氯酸納與Spectrus CT1300 或國產復配型殺貝劑SW401［14］，避免貝殼類海洋生物造成對凝汽器冷卻管壁的損傷。

由空蝕和磨損腐蝕引起的防腐層脫落：此類現象多發生于管道90°彎段處和鋁合金陽極塊附近，由腐蝕和空泡、磨損聯合作用引起的損傷過程。海水中可能會攜帶少量泥沙，當水流遇到三通接頭、90°彎頭、隔斷閥、膨脹節、膠球濾網等管部件產生湍流，加劇沖刷腐蝕［15］。磨損腐蝕屬于耦合損傷，它不只是材料腐蝕和磨損操作的簡單疊加，而是交互作用造成材料損失顯著增加［16］，加速了腐蝕速率。熱帶海域水溫高，與冷水域海水相比Q235B 鋼的腐蝕電位下降，腐蝕電流密度增加［17］，腐蝕速率會更快。

鼓泡：因防腐層表面下與基體間結合力的局部喪失，導致局部防腐層形成可見穹形缺陷的損傷過程。它也是造成防腐層脫落的另一個因素。鼓泡的原因不排除陰極剝離引起的滲透壓起泡，最終形成的表面缺陷［18］。

以上腐蝕都屬于局部腐蝕，形成如點坑、溝槽等外觀腐蝕形貌，為海水電解質形成的腐蝕電池作用下的電偶腐蝕。凡海水介質流經管道中存在不同種金屬類別，如：碳鋼管道中的鎳鑄鐵閥門、不銹鋼收球網、凝汽器鈦管等，處于電解質腐蝕溶液中的每種金屬會建立自身腐蝕電位，當電位差大到一定程度，腐蝕電位更負的金屬將成為陽極，兩極之間產生電流流動，陽極的腐蝕速度逐漸增加［19-21］，產生電偶腐蝕。

4 原因分析

防腐蝕設計的原則，應優先采用主動防腐蝕技術。當主動技術難以達到防腐要求，或者防腐成本過高時，可采用被動防腐蝕技術。本項目管道防腐采用涂層防護與陰極保護雙重技術。固態涂膜采用環氧瀝青漆，涂裝遍數為5 遍，總厚達到310 μm。環氧瀝青漆由環氧樹脂、煤焦瀝青、溶劑固化劑等組成的雙組分漆，具有極低的吸水率［22］、優異的耐海水及良好的耐化學藥品性和防銹性能［23］。陰極保護法通過在管道內壁安裝犧牲陽極塊，在犧牲陽極塊和管道之間建立自然電位［24］，利用鋁合金屬活潑的特性，通過陰極極化控制冷卻水管道電化學腐蝕，達到保護管道內壁免受腐蝕目的。犧牲陽極法屬于電偶腐蝕。詳見表4、表5。

4.1 防腐涂層施工質量

油漆前管道內壁基層處理不到位，未按標準達到噴砂Sa2.5 級，或者局部采用人工打磨后表面清理不干凈，未在4 h 內及時涂裝。管道內壁施工現場焊縫（如熱控測點、陽極塊接頭處等）未打磨光滑，如焊件尖角、焊接飛濺物、軋制夾層、咬邊、氣割表層等。清理雜物不徹底，如焊煙污染、粉筆油漆各種記號、舊涂層、灰塵、磨料、鋼絲段、丸粒等。

表4 防腐層涂料參數

表5 犧牲陽極塊參數

當管道內壁按標準要求處理到位后，通常環氧基的附著力都大于基體自身強度［25］。涂層脫落主要原因：涂裝時，管道內壁表面清理未達到規定的粗糙度［26］，影響附著力，所以說基層預處理的好壞是關鍵所在，基層表面處理不到位導致的防腐涂裝工程失敗占總失效率的40%～50%。

不同廠家的油漆成分、雙組分配比存在差異，配比前未嚴格執行說明書，如未使用專用稀釋劑，油漆過期失效，主漆與固化劑配比偏差大等因素。

施工前油漆攪拌不充分，熟化效果不理想，配比好的油漆放置時間過長。

首層涂刷偏厚、不均勻，各層間隔時間過短，干燥時間不夠。視環境溫、濕度的不同，一般表干時間為2～4 h。

以上原因都會造成油漆防腐層不同程度的缺陷，為后期運行埋下質量隱患，當防腐層某一處薄弱點遭到破壞后，就會迅速形成大面積的鼓泡、起皮、撕裂直至最后完全脫落。

4.2 犧牲陽極塊安裝要求

犧牲陽極塊安裝的數量和位置應按設計要求，根據防腐總面積大小，計算合理的陽極塊總重。本項目安裝角度和間距，按表4 中數據為上限值。以保證最少的陽極塊數量，達到理想的釋放電流，對冷卻水管道內壁陰極極化實現保護，滿足電流效率≥90%，達到電化學防腐效果。

陽極塊接頭處扁鋼鐵芯與管道內壁接觸的四周應采用角焊接工藝滿焊，焊角高度≥5 mm，避免咬邊，減少母材損傷。鐵芯防腐前要求棱角打磨光滑，清理干凈。

主廠房內冷卻水支管到各機組凝汽器管段，蝶閥閥后缺少陽極塊。

5 防腐處理措施

本次檢修所有機組停機，廠房內32 套對夾式蝶閥更換為帶法蘭全襯里蝶閥，同時對全廠冷卻水管道內防腐整體檢查。涉及范圍廣、面積大、管線長，防腐修補環節多，主要采取以下措施。

所有管線全面檢查，發現有防腐層缺陷，采用手工和動力工具結合方式進行清理。人工打磨、清理等級應達到St3 級，除銹程度要求非常徹底，露出金屬光澤，如圖5。對于脫落層的處理，從邊緣向外延伸不少于100 mm 寬度；對于點蝕發展嚴重的部位，必須徹底打磨干凈后再實施堆焊，通過堆焊工藝優化改善焊接部位的耐蝕性能［27］，堆焊前后形貌對比見圖6。

首層底漆施工前，對基層檢查驗收，確認所有雜物清理干凈后再涂裝，油漆嚴格按廠家說明書配比、拌制。

圖5 防腐基層表面人工清理前后對比

圖6 堆焊形貌前后對比

控制好油漆層間間隔時間，首層實干后、固化前再進行第二度涂刷，檢查防腐層干性的標準，可用手指感觀判斷［28］。涂刷過程要求均勻，方可保證固化后最終漆膜厚度。但涂層的厚度并不是一味增加，抗腐蝕能力也會正比增強，過厚的涂層不僅浪費原料，而且會使涂層內聚力減小［29］，不利于長期穩定性。

現場采用工業壓縮空氣和增加軸流風扇方式給管道內輸送新風，增加空氣流通，縮短油漆實干時間。

主廠房內冷卻水管道閥前、閥后增加犧牲陽極塊，陽極塊離閥門距離為2 m 左右。

6 結語

以海水為熱交換媒介的開式循環水系統管道的內防腐問題，是沿海煤電站投產運行必須面對的常態問題，尤其是對于直流式海水冷卻更是如此。通過在凝汽器進出口管道閥前、閥后增加犧牲陽極塊，嚴格控制防腐油漆施工質量等措施，保證冷卻水管道整體防腐效果。

管道之間伸縮節、閥門等附件，視情況可采取金屬導體跨接手段，保證管道作為陰極極化導體的電連續性。

閥門法蘭對接面增加涂刷防腐漆環節，消除縫隙腐蝕，防止滲漏。

海水取水流道處加氯裝置，嚴格按設計要求落實連續投放和沖擊加藥劑量，以達到殺死海洋藻類和貝類目的，延長管道防腐壽命；同時針對閉式水板換前濾水器，要經常清污，減少藤壺等海洋貝類滋生。

膠球收球網管段為冷卻水管道的一部分，運行前應先調好就地執行機構開度，避免損傷收球網管段襯里。