SCAL型間冷系統循環水中溶解氧含量變化及其 對材料腐蝕的影響

易小蘭

（天府新區通用航空職業學院，四川眉山 620564）

表面式換熱器鋁制散熱器（SCAL）型間接空冷機組融合了海勒式間冷系統的鋁制散熱器和哈蒙式間冷系統的表面式換熱器的優點[1-3]，解決了我國北方富煤貧水地區的發電問題，目前該機組在運行期間主要的水質監測指標為pH、電導率、鐵鋁含量等。SCAL型間冷系統作為閉式循環水系統，循環水呈弱堿性[8]，而循環水pH異常升高原因尚不清楚，材料的腐蝕控制尚無完善的解決方案[6-9]。氧氣作為腐蝕反應重要的去極化劑[10]，對腐蝕反應影響重大。目前溶氧量卻沒有作為常規的水質指標進行監測，循環水中溶解氧的變化及其對材料腐蝕的機理有待研究。本文通過現場調查以及現場掛片實驗，對SCAL型間冷系統循環水中溶解氧變化情況以及溶解氧對材料腐蝕的影響進行研究。

1 研究方法與實驗材料

1.1 現場調研及掛片實驗

為了闡明SCAL型間冷系統中循環水溶解氧含量變化規律，本文對6家使用SCAL型間冷系統電廠的8臺機組循環水水質進行調研。循環水溶解氧含量通過上海美西智能電子儀器有限公司生產的OX-12B型便攜式測氧儀進行測量。通過對間冷系統內材料腐蝕情況檢查對材料腐蝕類型進行分析。在某電廠通過如圖1所示的旁路掛樣裝置在不同溶解氧含量的循環水中進行掛樣，研究循環水中溶解氧含量對于材料腐蝕速率的影響。

圖1 間冷系統現場旁路腐蝕掛片裝置示意圖

掛片實驗結束后，按GB/T16545—1996中的方法去除鐵、鋁試片的腐蝕產物，使用失重法計算鐵鋁試片的腐蝕速率。

1.2 實驗材料

現場掛片實驗采用與SCAL型間冷系統相同材質的試片進行，分別為1050A純鋁和Q235B碳鋼，其具體成分如表1和表2所示。

表1 實驗用純鋁1050A的化學成分（wt.%）

表2 實驗用碳鋼Q235B的化學成分（wt.%）

2 實驗結果與討論

2.1 SCAL型間冷系統循環水中溶解氧含量調查

SCAL型間冷系統主要由間冷塔、散熱器組件（冷卻三角）、循環水泵（33%）、地下儲水箱、膨脹水箱、凝汽器和進出循環水管道等部分構成[5]，如圖2所示。

圖2 SCAL型間冷系統組成示意圖

在循環水運行期間，各個扇區的排空管道開口很小，且空氣通過排空管道進入循環水系統需要擴散經過長度大于冷卻三角高度的水柱（冷卻三角高度一般為24m），雖與大氣相連通，但空氣不能進入。膨脹水箱有長度大于冷卻三角高度的管道將膨脹水箱與循環系統間隔，管道內的水起到液封作用。地下水箱與循環系統隔開，不參與循環。從結構上看，外界空氣中的氧氣較難在系統運行過程中擴散進入[1]。因此，循環水中溶解氧來源是運行前除鹽水中溶解的氧氣。

2.2 SCAL型間冷系統中材料腐蝕類型分析

SCAL型間冷系統的循環水管道選材為碳鋼（牌號Q235B），調研結果顯示：在某電廠間冷系統停用期管道內部腐蝕情況如圖3所示，整體來看，熱水輸水管道和冷水輸水管道內腐蝕情況基本相同，循環水管道內壁附著有腐蝕物，總體看腐蝕比較均勻，無明顯的局部腐蝕現象。從腐蝕形態上看，腐蝕產物在管道表面形成凸起的鼓泡，鼓包外層與內層呈現較深顏色。根據管道內壁的腐蝕形態判斷，碳鋼管道發生的腐蝕類型為氧腐蝕。[4-5]。

圖3 循環水管道內部腐蝕情況（a）（b）（c）（d）

為熱水輸水管道；（e）（f）為冷水輸水管道

SCAL型間冷系統使用除鹽水作為循環水，在該系統運行期間pH值隨運行時間增加而逐漸升高，在弱堿性水質條件下，碳鋼腐蝕的去極化劑為氧氣[12]。

碳鋼發生氧腐蝕的機理如下：

SCAL型間冷系統冷卻三角材質為純鋁（牌號1050A），調查發現只有管口位置存在腐蝕，鋁管內壁沒有出現泄漏。由于鋁性質活潑，本身極易氧化，其表面生成的氧化膜可以起到抗氧化作用[3]，因此，該系統中氧氣的消耗與鋁腐蝕關系不大。

部分SCAL型間冷系統在運行期間會向系統循環水中添加聯氨用于減緩材料腐蝕。雖然聯氨能與氧氣反應，但是反應速率受到溫度、pH和聯氨過剩量的影響，一般需要溫度達到150℃，pH在9~11，且有足夠的聯氨剩余量時與氧反應速度較快。間冷循環水的溫度（最高65℃左右）和pH（一般小于8.5）都不適宜聯氨與氧氣反應。

綜上，碳鋼的腐蝕反應消耗應該是SCAL型間冷循環水中溶解氧的主要消耗形式[13]。以10 000t水的系統為例，初始溶解氧含量8mg/L，腐蝕反應為4Fe+3O2+6H2O→4Fe（OH）3，則循環水中全部溶解的氧氣可以使3 333.28mol鐵發生腐蝕。如果這些腐蝕產物全部進入循環水，會導致循環水中鐵含量上升18.656mg/L。考慮到循環水溫度升高時還會逸出部分溶解氧，循環水中鐵含量實際上升量小于該值。

2.3 SCAL型間冷系統中溶解氧含量對材料腐蝕的影響

為了研究循環水中溶解氧含量對于材料腐蝕的影響，利用如圖1所示現場掛片裝置在某電廠進行了3組實驗，通過對比不同溶解氧條件下材料的腐蝕速率對這一問題進行研究。3組實驗分別命名為現場掛片實驗1~3。現場掛片實驗選擇了兩種溶解氧含量階段：現場掛片實驗1實驗過程中循環水溶解氧100~180μg/L，現場掛片實驗2、3進行期間循環水溶解氧約5μg/L。現場掛片實驗1和2進行3d，現場掛片實驗3進行了28d。現場掛片實驗過程中碳鋼和鋁試片表面水流速率約為1.25m/s。三組現場實驗期間水質情況監測情況匯總于表2~表4。

表2 現場掛片實驗1進行期間循環水水質變化記錄表

表3 現場掛片實驗2進行期間循環水水質變化記錄表

表4 現場掛片實驗3進行期間循環水水質變化記錄表

從表2至表3可以看出，三次實驗過程中循環水電導率處于4.57~5.63，各組實驗之間無明顯差異，pH處于7.17~8.73，各組實驗之間無明顯差異。現場掛片實驗1期間溶解氧含量最小測量值為96μg/L，最大測量值為177μg/L，現場掛片實驗2和3實驗期間溶解氧含量約5μg/L。三組現場掛樣實驗中，循環水水質除溶解氧有明顯區別外，其他水質參數基本接近。

3 結束語

1）SCAL型間冷系統在運行期間基本處于密閉狀態，運行期間大氣中的氧氣難以擴散進入，循環水中溶解氧主要是注水時除鹽水中攜帶的溶解氧。該型間冷系統循環水中溶解氧能降低至1.1μg/L。

2）碳鋼的腐蝕反應是SCAL型間冷系統中氧氣的消耗主要原因。系統內換水會引起循環水中溶解氧波動。

3）SCAL型間冷循環水中溶解氧含量是一個重要的水質指標，能夠在一定程度上反映循環水的腐蝕性。循環水中氧氣降低至5μg/L時，系統中碳鋼和純鋁的腐蝕速率均明顯降低。