濱海電廠水系統(tǒng)不銹鋼管道的腐蝕控制分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司針對某濱海電廠海水及海水反滲透產(chǎn)水不銹鋼管道的腐蝕現(xiàn)象，采用失重法、掃描電鏡、X射線衍射及電化學測試，對比研究了不銹鋼管在其中的腐蝕差異。結(jié)果表明:在海水中銹層抑制氧的傳遞，對碳鋼起保護作用;在反滲透產(chǎn)水中銹層起大陰極作用，加速基體腐蝕。實際工程中，海水反滲透產(chǎn)水比海水對不銹鋼管道更具侵蝕性。重新礦化反滲透產(chǎn)水是降低其腐蝕性的有效方法;另外，可考慮采用更耐蝕的不銹鋼、碳鋼襯塑管等作為管材。

 隨著淡水資源的日益短缺，我國多數(shù)濱海電廠設(shè)計從海水中獲取工業(yè)生產(chǎn)用水，即采用海水作為循環(huán)冷卻水，以海水反滲透產(chǎn)水作為全廠所需淡水(工業(yè)用水)。浙江省某電廠的海水不銹鋼管道采用直徑2300mm×19mm的大口徑不銹鋼鋼管道，采用涂層防腐蝕;海水反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)采用直徑小于200mm的不銹鋼管。近4年的運行情況顯示，輸送反滲透產(chǎn)水的工業(yè)水管腐蝕情況較海水管道嚴重得多。由圖可見，海水管道內(nèi)壁附有較致密銹層，管材腐蝕情況相對較輕;而工業(yè)水管內(nèi)壁形成有較厚且疏松銹層，管厚減薄現(xiàn)象嚴重。

 目前，有關(guān)火電廠輸水管道在海水及反滲透產(chǎn)水中腐蝕差異鮮見報道。工程實踐中，海水中管道的防腐蝕受到重視，而處于反滲透水中的管道幾乎都未采取防護措施。本工作采用失重法、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XＲD)及電化學方法，對比研究了碳鋼在海水和反滲透產(chǎn)水中的腐蝕差異。以期更好地分析工業(yè)水管在服役環(huán)境中的腐蝕原因，并探索濱海電廠水系統(tǒng)碳鋼管道的有效防腐蝕方法。

一、試驗

 1. 試樣及試劑

 試樣選用電廠管道主要用材料為不銹鋼管，尺寸為40mm×13 mm×2mm，試樣表面用金相砂紙(0～6號)逐級打磨后待用。其中，電化學用試樣除1cm²工作面外，其余部分采用環(huán)氧樹脂封裝。試驗溶液為取自該電廠的海水、反滲透產(chǎn)水水樣。

 2. 試驗方法

  a. 失重試驗

  將試樣至于海水和海水反滲透產(chǎn)水中進行動態(tài)掛片，每組試驗包含三個平行樣。

  b. 銹層表征

  將試樣置于海水和海水反滲透產(chǎn)水中360小時后，采用荷蘭FEI公司QUANTA200型掃描電鏡(SEM)和日本島津公司XＲD-6000型X射線衍射(XＲD)儀表征試樣表面銹層的成分及截面形貌。

  c. 電化學試驗

  電化學阻抗測試采用三電極體系，工作電極為試樣，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極。試驗前先將碳鋼電極浸入海水或反滲透產(chǎn)水中2小時(或360小時)形成明顯銹層，之后進行電化學阻抗測量，測量頻率范圍為0.01Hz～100 kHz，測量結(jié)果用等效電路解析。

二、結(jié)果與討論

 1. 腐蝕速率

  由圖可見: 不銹鋼管在海水和反滲透產(chǎn)水中的腐蝕過程截然不同。在海水中，碳鋼腐蝕速率在浸泡初期迅速下降，之后逐漸穩(wěn)定在約0.6mm/a;而在反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼管腐蝕速率在浸泡初期迅速上升，最終穩(wěn)定在約1.4mm/a。這表明:海水反滲透產(chǎn)水對碳鋼的侵蝕破壞性比海水更強;若無合適的防腐蝕手段，碳鋼管在反滲透產(chǎn)水中不耐蝕。這一結(jié)果與電廠管道的腐蝕現(xiàn)象一致。

 開始浸泡時，不銹鋼管在海水中的腐蝕速率(約2.4mm/年)遠大于在反滲透產(chǎn)水中的(約0.5mm/年)。這是因為此時溶解氧供應(yīng)充足，碳鋼腐蝕速率由具有腐蝕加速作用的氯離子量控制。之后，隨著浸泡時間的延長，碳鋼在這兩種溶液中的腐蝕速率變化趨勢截然不同。許多研究表明，金屬的腐蝕過程將受到表面銹層干擾，因而可以推測，碳鋼在這兩種溶液中形成的銹層存在著顯著差異，導致對金屬腐蝕產(chǎn)生不同影響(抑制或促進作用)。

 2. 銹樣形貌

 由圖可見: 海水中，不銹鋼管銹層以較厚的黃色外銹層為主，清除外銹層后可見較薄的黑色內(nèi)銹層，銹層不易清除，與金屬基體之間附著力較強，較致密。而反滲透產(chǎn)水中，碳鋼銹層的黃色外銹層很薄，黑色內(nèi)銹層為銹層主體，銹層與碳鋼基體之間附著力較差，用水很容易沖洗干凈，形貌較蓬松、不致密。不銹鋼管在海水及反滲透產(chǎn)水中浸泡360小時形成的銹層的XRD分析結(jié)果見圖所示。

 由圖可見:  不銹鋼管在海水和反滲透產(chǎn)水中形成的銹層在組分比例上有顯著不同，這與形貌分析結(jié)果相對應(yīng)。在海水中，碳鋼銹層主要由黃色的γ-FeOOH構(gòu)成，另外還含有少量四氧化三鐵及α-FeOOH;在反滲透產(chǎn)水中，碳鋼銹層主要由黑色的四氧化三鐵構(gòu)成，黃色的γ-FeOOH及α-FeOOH含量很少。

 3. 電化學試驗

 分別對在海水及反滲透產(chǎn)水中浸泡2小時、360小時的不銹鋼管電極進行電化學阻抗測試，結(jié)果見圖。

 由圖可見: 試樣在海水及反滲透產(chǎn)水中掛片2小時后，其表面還未有銹層，此時阻抗譜均僅包含一個單容抗弧其等效電路見圖，在海水及反滲透產(chǎn)水中掛片360小時后，碳鋼電極表面均已形成明顯銹層，此時阻抗譜由兩個半圓組成，即譜圖中出現(xiàn)了代表銹層電阻的容抗弧，其等效電路見圖。在反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼管的譜圖由一個容抗弧和一條代表阻抗的直線組成，未出現(xiàn)銹層電阻，其等效電阻見圖。

 由表可見: 不銹鋼管在海水中形成的銹層對其腐蝕有一定的阻礙作用，阻抗譜中出現(xiàn)有銹層阻抗，這是因為致密銹層能夠阻礙溶氧的遷移過程。反滲透產(chǎn)水中，不銹鋼阻抗譜中出現(xiàn)了阻抗，表明此時不銹鋼管腐蝕由氧擴散控制。然而，碳鋼在反滲透產(chǎn)水中形成的疏松銹層對其腐蝕過程無阻礙能力，一方面并未出現(xiàn)銹層電阻，另一方面?zhèn)鬟f電阻值在銹層生成后顯著降低，說明銹層反而對基體腐蝕有強加速作用。這是因為迅速形成的疏松四氧化三鐵層具有優(yōu)良的導電性，能夠起大陰極作用而促進氧還原。

 4. 討論

 由上可見: 海水反滲透產(chǎn)水對碳鋼的腐蝕性比海水更強。這是因為碳鋼在兩種溶液中生成的銹層對腐蝕過程具有不同作用(加速或抑制作用)。

三、防腐蝕措施

 由腐蝕機理討論可知，碳鋼在海水中腐蝕主要會受到高濃度氯離子等侵蝕性離子加速，因而其腐蝕防護要以抑制氯離子侵蝕為主。工程上常對碳鋼海水管道的內(nèi)壁進行涂層防護，以隔絕高濃度氯離子的侵蝕;此外，為了進一步降低氯離子對涂層針孔缺陷處管道的腐蝕，在該電廠的海水管道上加裝了一套外加電流陰極保護裝置。

 由于電廠工業(yè)水管管徑較小(通常小于200 mm)且管線十分復(fù)雜，進行涂層防腐蝕難度很大;反滲透產(chǎn)水電導率不高，布置外加陰極保護也無實際可行性。投加緩蝕劑的方法也會因銹層干擾而達不到理想效果。雖然海水反滲透產(chǎn)水的侵蝕性比海水要弱得多，但碳鋼在反滲透產(chǎn)水中的腐蝕是一種受銹層加速的腐蝕，因此反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)的防腐蝕工作應(yīng)從抑制具有腐蝕加速能力銹層的產(chǎn)生入手。由反應(yīng)可知，通過增加反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度(緩沖性能)，提高其pH，能夠改變銹層特性，從根本上降低管道腐蝕。對反滲透產(chǎn)水的重新礦化可以通過讓其緩慢流過填充白云石、石灰石粉等礦化物的過濾床來實現(xiàn)。本工作通過試驗室添加NaHCO3、CaCl2藥劑來調(diào)節(jié)反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度，之后進行碳鋼168小時掛片，結(jié)果見表。

 由表可見:提高反滲透產(chǎn)水緩沖性能可以有效降低其腐蝕性，減緩其對碳鋼管材的腐蝕;特別是當堿度大于1 mmol/L、Ca 2+濃度大于0.5 mmol/L后，緩蝕作用顯著。在實際工程應(yīng)用中，可以通過控制反滲透產(chǎn)水流經(jīng)礦化床的流速，并同時加入二氧化碳、硫酸等助溶劑的方法，使反滲透產(chǎn)水達到預(yù)設(shè)的礦化要求。

 另外，對反滲透產(chǎn)水管道(工業(yè)水管)采用更耐蝕的材料也是一種解決辦法。本工作對304不銹鋼管進行了168小時的動態(tài)掛片，結(jié)果見圖。

 由圖可見: 掛片后，304不銹鋼管表面未見腐蝕產(chǎn)物，說明其能夠有效耐受反滲透產(chǎn)水的侵蝕。因而，對于某些用水量特別大的電廠，若對反滲透產(chǎn)水進行礦化存在投資及設(shè)備安裝上的困難時，可以考慮對工業(yè)水管采用更耐蝕的不銹鋼或碳鋼襯塑管材。

五、結(jié)論

 不銹鋼管在海水中及反滲透產(chǎn)水中銹層特性差異是導致濱海電廠工業(yè)水管比海水管道腐蝕更嚴重的主要原因。對于海水管道，通過成熟的涂層及電化學保護手段，可有效防腐蝕;重新礦化反滲透產(chǎn)水是降低其腐蝕性的有效方法;此外，在工業(yè)水系統(tǒng)設(shè)計階段，宜采用更耐蝕的不銹鋼管代替碳鋼作為管材。