凝結水系統氧腐蝕特征及防護措施研究

張 魏，胡建國，田 旭

（1.江西省電力設備總廠，江西南昌 330100 2.柘林水電廠，江西九江 332000 3.江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

凝結水系統是火力發電機組的重要組成部分，該系統的運行情況直接影響到整個機組的熱效率。凝結水系統中銅鐵的氧腐蝕不僅會直接造成設備腐蝕損壞，使其壽命減短，甚至造成管道、水箱等穿孔泄漏，且腐蝕產物被工質帶到后續設備中[1]，在熱負荷高的受熱面上沉積，可能造成管道的局部過熱，甚至爆管，后果嚴重，給電廠帶來了巨大的經濟損失。

溶解在水中的氣體對熱力設備的危害主要有以下兩個方面，其一，在熱力設備工作條件下不發生相變的氣體會影響能量轉換過程中的傳熱效果，增加機組的不可逆損失。其二，以氧為主體的熱力設備金屬的腐蝕作用會大大縮短設備的使用壽命，降低設備的可靠性，甚至導致不可預測的事故。尤其以直接空冷機組為最，該類機組長期在凝結水含氧量高、過冷度大的情況下運行，不僅降低熱經濟性，而且產生一些不利影響，即加快凝結水系統的氧化腐蝕和酸腐蝕，降低凝結水系統設備及管道的使用壽命，增加鍋爐給水的含鐵量，加快鍋爐受熱面的結垢速度，降低鍋爐效率，進而影響到鍋爐的安全運行。因此，對凝結水系統氧腐蝕特征及其防護方法具有重要意義。

1 凝結水系統的氧腐蝕

某電廠機組配有N7250-4型表面式凝汽器，裝有d 25 mm×1 mm的HSn70-1黃銅管，凝汽器冷卻面積為7 250 m2,冷卻水量為20 000 t/h，冷卻水系統為敞開式循環冷卻水系統，該機組在投入運行1年后，發現凝汽器泄漏，進行停機檢查，發現系統內腐蝕嚴重。如圖1所示，管道表面嚴重起皮，形成的鐵氧腐蝕產物附著在管壁，疏松且多孔，易剝落。

圖1 熱阱-凝結水泵母管的腐蝕

而在汽側彎管處，由于腐蝕嚴重，造成管道穿孔，如圖2所示，在進出口室處的檢查發現，金屬表面出現較多的鼓包，而在這些鼓包的氧腐蝕產物剝落后，呈現一個個腐蝕坑。

圖2 汽側及進出口室的腐蝕

如圖3所示，而凝結水母管處，氧腐蝕產物板結在整個管道處，但隨著運行時間的延長，腐蝕產物逐漸在金屬表面起層，剝落，從剝落處可以看出腐蝕產物下的金屬出現了明顯的腐蝕坑。

圖3 凝結水母管的氧腐蝕

1.1 氧腐蝕的過程及特征

根據腐蝕電化學的基本原理，在鐵-水體系或銅-水體系中，氧有雙重作用：它可以作為陰極去極化劑，參加陰極反應，使金屬的溶解加快，起著腐蝕劑作用；它也可以作為陽極鈍化劑，阻礙陽極反應過程的進行，起著保護作用。

對于凝結水系統中的鋼鐵管件來說，當表面保護膜存在缺陷時，暴露的金屬基體與有溶解氧的水相接觸，會形成腐蝕微電池，其中暴露的金屬基體為陽極，而帶有保護膜的金屬表面為陰極[2]。其電化學反應方程式如下：

這樣，基體金屬逐漸被溶解，表面形成微小腐蝕坑。而蝕坑內腐蝕產生的Fe2+不斷向外擴散，并在坑口附近被水中的溶解氧所氧化，生成Fe3O4、Fe2O3或FeOOH等次生腐蝕產物。由于這些次生產物在蝕坑口堆積，形成閉塞腐蝕電池[3]，這樣水中的溶解氧難以進入蝕坑，而坑內由于水解產生H+、且水中含有游離的CO2時，將導致pH值偏低（酸化），促進了蝕坑外鐵的溶解，蝕坑逐漸向縱深發展，直至腐蝕穿孔。

而閉塞電池腐蝕的發生需要以下條件。第一，能夠組成腐蝕電池，由于管道表面電化學不均勻性，可以組成腐蝕電池，陽極反應為鐵的離子化，生成的Fe2+會水解使溶液酸化，陰極反應為氧的還原。第二，可以閉塞電池。腐蝕反應的結果產生鐵的氧化物，所生成的氧化不能形成保護膜，卻阻礙氧的擴散，腐蝕產物下面的氧在反應耗盡后，得不到補充，形成閉塞區。第三，閉塞區內繼續腐蝕。鋼變成Fe2+，并且水解產生H+，O2在腐蝕產物外面蝕坑的周圍還原成為陰極反應產物OH-。

鋼鐵發生氧腐蝕時，在金屬表面形成許多鼓包，鼓包由各種氧腐蝕產物組成，呈黃褐色至磚紅色，直徑從1~30 mm不等，去除氧化物后，可以看到金屬表面是一個個腐蝕坑。

而對于凝結水系統的銅管來說，銅管在與水接觸時，銅會發生陽極反應而直接氧化，當凝結水中有CO2存在而使凝結水偏酸性，在有氧的情況下，其腐蝕速度會大大加快。其氧化層的形成與鐵不同。當有氫離子和氧存在時都會被腐蝕，形成氧的點蝕[4]。

或者在堿溶液中：

在鐵表面會形成完整的氧化層，而銅和銅合金形成的氧化層是多孔和有孔隙的，允許水、氧、和銅離子進入形成金屬的表層。遷移進入銅氧化物的量取決于同氧化膜的厚度[5-6]。當氧化層厚度增加時，銅氧化速率減慢。當氧化層變厚，外層將會作為銅氧化物的一部分而脫落。由此產生的氧化層是比鐵更具有動態的系統。溶解性的銅離子和顆粒性的銅氧化物可以通過常規的氧化反應形成。

1.2 氧腐蝕的影響因素

1.2.1 溶解氧濃度

在發生氧腐蝕的條件下，氧濃度的增加，能加速電池反應。因此，在凝結水系統中，含氧量的濃度越高，系統內氧腐蝕就越嚴重。

1.2.2 pH值

鈍化的鐵和銅氧化物的穩定性主要取決于凝結水的pH值。凝結水系統中任何污染物引起的pH值的下降都能引起氧化物的溶解和增加腐蝕的發生。而凝結水系統中，CO2的存在是使pH值降低的主要原因，二氧化碳在空氣滲漏到凝汽器中時會進入凝結水系統，增加了給水的氫離子濃度降低了pH值，如下所示：

使得鋼鐵表面難以形成氧化膜，氧腐蝕與酸性腐蝕同時發生，鋼的腐蝕加劇[7]。

1.2.3 離子

水中離子成分對腐蝕速度的影響也很大，當凝汽器發生泄漏時，水中H+、CL-、SO42-對鋼鐵表面的氧化物保護膜具有破壞作用[8]，因此，隨著這些離子濃度的升高，氧腐蝕的速度增大，尤其是CL-對金屬表面的鈍化膜破壞性較大，會促進金屬的點蝕。因此，為了防止凝結水系統的氧腐蝕，必須要嚴格控制凝結水的純度。

1.2.4 溫度

在敞口系統中，水溫升高可以起兩方面的作用：一方面可以使水中氧的溶解度降低，它將降低氧的腐蝕速度；另一方面，又使氧的擴散速度加快，使氧的腐蝕速度增加，這兩方面究竟哪一方面起主要作用，取決于溫度的高低。研究表面，在80℃以下時，氧擴散速度加快的作用超過了氧溶解度降低所引起的作用，所以，水溫升高，腐蝕速度上升。在80℃以上，氧的溶解度下降迅速，它對腐蝕的影響超過了氧擴散腐蝕增快所產生的作用，所以，水溫升高，腐蝕速度下降。

溫度對腐蝕表面和腐蝕產物的特征也有影響，常溫氧腐蝕的蝕坑面積大，腐蝕產物松軟；而高溫氧腐蝕的蝕坑面積小，腐蝕產物堅硬。

1.2.5 流速

通常條件下，水的流速增大，擴散層厚度減小，鋼鐵的腐蝕速度提高。但當水流速增大到一定值時，可能會促進鋼鐵的鈍化，同時，因水流可以把金屬表面的腐蝕產物或沉積物沖走，使之不能形成閉塞電池，氧腐蝕速度會有所下降。如果流速進一步增大，到一定程度時，腐蝕速度會出現陡增，這主要是由于水的沖刷破壞了鋼表面的鈍化膜，形成另一種形態的腐蝕，促使腐蝕加速。

2 主要防護措施

從凝結水氧腐蝕的影響因素可知，防止氧腐蝕可采取下列措施：

1）嚴格控制凝結水的純度，尤其是直流鍋爐，對于超臨界直流鍋爐來說，其處理后的凝結水電導率必須≤0.2μS/cm，因此，必須要對全部的凝結水進行凈化處理[9]，完全去除進入蒸汽凝結水中的雜質，這些工作主要由去除不溶性微粒的設施完成，如各類前置過濾器和去除溶解性雜質的化學除鹽裝置。

2）控制水中溶解氧的濃度，促使鋼表面形成良好的鈍化膜。要解決凝結水中溶解氧超標的問題，主要從以下幾個方面著手。

（1）凝結水中溶氧超標多是由于凝汽器真空系統泄漏所致，因此，定期對凝結水真空系統進行檢修、維護，加大對凝汽器真空系統有關部位泄漏的監督，并采取防泄漏措施[10]，如在凝結水泵盤根槽內加裝密封水環，引凝結水母管壓力作為外密封、在熱井上部加裝濾網等。

（2）凝結水箱增加除氧裝置。例如直冷發電機組中，在凝結水箱上部增設除氧塔，空冷凝結水的下降管和補水管接至除氧塔，并在水管處布置一定的角鋼，水通過角鋼，充分散開，增加水流面積，提高除氧效果，進一步的減少了凝結水中的溶氧。

（3）凝結水儲罐的改造。在對凝結水儲罐進行設計時，在儲罐上方增設一個蓋子來減少與空氣的接觸，并在儲罐中加一個蒸汽加熱的線圈來提高凝結水的溫度，來降低氧的溶解性。

3 結論

凝結水系統中，當金屬表面保護膜不完整時，在水中溶氧的作用下發生氧腐蝕，而游離的二氧化碳將會促使腐蝕加劇，形成鼓包，導致設備損壞，嚴重影響到系統的正常運作，通過對水的純度及水中溶氧的控制來防止凝結水系統的氧腐蝕。

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