火力發電廠冷油器用BFe30-1-1管成膜工藝篩選

鄭子行,索曉娜,金愷宸

(上海船舶設備研究所,上海 200031)

BFe30-1-1(以下簡稱B30白銅管)是沿海火力發電廠凝汽器、冷油器換熱管常用的材料之一。該材料在海水、淡水中一般具有較好的抗點蝕能力,但材料冶金質量不合格、設備停用保養措施不合理、結垢物的形成均可能造成該材料換熱管的腐蝕穿孔[1-2]。檢修期間如發現換熱管存在泄漏或壁厚減薄率達到50%情況,對于凝汽器,一般選擇堵管的方式進行處理,而對于換熱管數量有限且管長相對較短的冷油器,除常規的堵管操作外,將泄漏或嚴重減薄的換熱管抽出并更換新管也是可行的。然而,對于更換的新B30白銅管來說,需額外關注“嬰兒期”腐蝕問題。產生“嬰兒期”腐蝕的原因在于B30白銅管內壁初始膜層的保護性不足,在缺氧情況下,易發生腐蝕[3]。此外,近年來近海環境惡化,海水中Na2S含量增高也是影響材料產生腐蝕的原因之一[2]。

國內某地處沿海的300 MW亞臨界機組,冷油器換熱管材料為B30白銅,海水直流冷卻。某次檢修過程中發現,部分換熱管減薄率達到了50%,該電廠對這部分換熱管進行了更換,但未按照DL/T 957—2017《火力發電廠凝汽器化學清洗及成膜導則》要求對新管進行成膜處理。設備重新投運20 d后,部分新管發生了泄漏,后經原因分析判定,“嬰兒期”腐蝕是導致新管出現泄漏的原因。實際上,成膜處理是幫助銅合金換熱管安全度過“嬰兒期”的有效方式之一。目前,關于B30白銅管成膜工藝的文獻報道較少[4-5]。本文將對比分析幾種銅合金管常用的成膜工藝的保護效果,確定適用于B30白銅管的成膜處理工藝,并通過電化學方法評價膜層的耐腐蝕性能。

1 B30白銅管成膜工藝篩選

銅合金管成膜工藝有FeSO4成膜、緩蝕劑成膜和氧化成膜三大類。其中,FeSO4成膜工藝及巰基苯駢噻唑(MBT)、苯并三氮唑(BTA)等銅緩蝕劑成膜工藝,在電力行業得到了廣泛應用,具體成膜方法在DL/T 957—2017《火力發電廠凝汽器化學清洗及成膜導則》標準中有詳細的闡述。FeSO4成膜工藝是目前火力發電廠最常用的銅合金管成膜工藝,它不僅適用于銅換熱管新管投用前的處理,且適用于化學清洗后銅合金管的鍍膜處理[6],FeSO4成膜工藝參數如表1所示。

表1 銅合金管FeSO4成膜工藝的參數Tab.1 Parameters of FeSO4 film forming process for copper alloy tubes

MBT、BTA是兩種常用的銅緩蝕劑,這兩種緩蝕劑常在設備運行階段投加,對銅換熱管進行保護。銅試劑是另外一種銅緩蝕劑[7],目前尚無工業應用報道。MBT、BTA、銅試劑三種成膜工藝的具體實施條件如表2所示。其中,MBT、BTA膜為無色膜,銅試劑成膜后形成棕黑色膜層。驗證試驗證明,B30白銅管經銅試劑處理后獲得的膜層致密性較差。

銅合金氧化成膜工藝主要以K2S2O8為氧化劑,采用NaOH將K2S2O8溶液pH調整至12～14,在一定溫度下對銅合金進行氧化[8-9]。幾種銅合金的氧化成膜工藝如表3所示。文獻[10]報道,白銅管經K2S2O8-CuSO4氧化處理后,表面可形成黑色保護膜,但驗證試驗表明,該工藝存在成膜液穩定性差的缺點,不適宜工業化應用。

經過上述銅合金管成膜工藝的篩選,最終選擇BTA、MBT和FeSO4三種成膜工藝對B30白銅管進行成膜處理。

2 試驗

2.1 膜層制備

將B30白銅管對剖制作成長度為25 mm的“舟型”試樣,在其外壁邊沿焊接銅導線,焊接位置及裸露的銅導線采用密封膠密封。采用酒精對試樣進行除油后,按照表4中的成膜工藝對B30白銅試樣進行處理。FeSO4成膜處理前,將試樣浸泡于10 g/L的Na2CO3溶液中(自來水配制)進行預處理,并持續向預處理液中曝氣。預處理結束后,將試樣轉移至10～100 mg/L的FeSO4成膜液(500 mL)中,采用Na2CO3溶液調節成膜液pH,成膜過程中持續曝氣(氣量2.5 L/min)。成膜處理48 h、96 h后,分別進行膠球擦洗。

表4 B30白銅管的成膜工藝Tab.4 Film forming technologies for B30 cupronickel tube

2.2 電化學測試

膜層的耐腐蝕性能通過電化學方法進行評價。將成膜處理后試樣用冷風吹干,再采用密封膠對試樣進行密封,僅露出1 cm×1 cm的測試面,待密封膠干燥后得到電極試樣。同時,以未經過成膜處理的B30白銅新管以及已度過“嬰兒期”腐蝕危險的B30白銅老管(從冷油器抽取)作為對比試樣。

電化學測試過程中,將工作電極浸入到測試液中,待開路電位穩定后再開始進行動電位極化曲線測量。從開路電位(OCP)開始,以20 mV/min的掃描速率向陽極極化方向進行掃描。

3 結果與討論

3.1 自然海水中的陽極極化曲線

圖1為不同試樣在自然海水中的陽極極化曲線,對極化曲線進行分析,結果如表5所示。結果表明:與無膜層的新管試樣相比,BTA、MBT和FeSO4成膜試樣的自腐蝕電位(Ecorr)和點蝕電位(Eb)均有所提高;MBT成膜試樣的點蝕電位低于老管試樣的點蝕電位;FeSO4成膜試樣的點蝕電位與老管試樣的點蝕電位接近;BTA成膜試樣的點蝕電位較老管試樣的點蝕電位提高了44 mV。

圖1 不同試樣在自然海水中的陽極極化曲線Fig.1 Anodic polarization curves of different samples in natural seawater

表5 不同試樣在自然海水中陽極極化曲線的參數Tab.5 Parameters of anodic polarization curves of different samples in natural seawater

3.2 含Na2S污染海水中的陽極極化曲線

圖2為不同試樣在含5 mg/L Na2S污染海水中的陽極極化曲線,其電化學參數見表6。結果表明,在含5 mg/L Na2S的污染海水中,與新管試樣相比,BTA、MBT和FeSO4成膜試樣的自腐蝕電位和點蝕電位均有所提高。BTA成膜試樣的點蝕電位低于老管試樣的點蝕電位;MBT和FeSO4成膜試樣的點蝕電位與老管試樣的點蝕電位接近。

圖2 不同試樣在含5 mg/L Na2S污染海水中的陽極極化曲線Fig.2 Anodic polarization curves of different samples in polluted seawater containing 5 mg/L Na2S

表6 不同試樣在含5 mg/L Na2S污染海水中的陽極極化曲線的參數Tab.6 Parameters of anodic polarization curves of different samples in polluted seawater containing 5 mg/L Na2S

3.3 酸化海水中的陽極極化曲線

圖3為不同試樣在pH 5.3的酸化海水中的陽極極化曲線,其電化學參數見表7。結果表明,在pH 5.3的酸化海水中,BTA、MBT成膜試樣的陽極極化曲線特征與新管試樣接近,均呈活性溶解特征。FeSO4成膜試樣和老管試樣的陽極極化曲線均具有鈍化特征,兩個試樣的點蝕電位接近。

圖3 不同試樣在pH 5.3的酸化海水中的陽極極化曲線Fig.3 Anodic polarization curves of different samples in acidified seawater with pH of 5.3

表7 不同試樣在pH 5.3的酸化海水中的陽極極化曲線的參數Tab.7 Parameters of anodic polarization curves of different samples in acidified seawater with pH of 5.3

通過分析不同試樣在自然海水、含5 mg/L Na2S污染海水和pH 5.3的酸化海水中的極化曲線可以看出:在惡劣工況條件下,尤其是在pH 5.3的酸化海水中,BTA、MBT成膜試樣的耐點蝕性能低于老管試樣;在自然海水、含5 mg/L Na2S污染海水和pH 5.3的酸化海水中,FeSO4成膜試樣的耐點蝕性能與老管試樣接近。因此,針對冷油器B30白銅管,可采用FeSO4成膜處理,以避免新管使用后的“嬰兒期”腐蝕問題。

4 結論

“嬰兒期”腐蝕是新銅合金換熱管需要額外注意的問題,需進行必要的成膜處理。銅試劑成膜及氧化成膜工藝,不適用于B30白銅管的防腐蝕處理。BTA、MBT成膜處理均適用于B30白銅管,但在惡劣工況下,尤其是在pH 5.3的酸化海水中,BTA、MBT成膜處理后B30白銅管的耐點蝕性能低于已度過“嬰兒期”的老管。B30白銅管表面經FeSO4成膜處理后,在自然海水、含5 mg/L Na2S污染海水和pH 5.3的酸化海水中,其耐點蝕性能與老管接近,冷油器更換B30白銅管新管后,可使用FeSO4成膜技術對其進行處理。