直冷式海水冷卻系統腐蝕問題的探討

【摘要】我國是一個淡水資源極為匱乏的國家，正常年份缺水量近400億m3，很大程度上制約了我國經濟的快速發展。鼓勵和推進沿海城市利用海水作為工業用水對節約淡水資源，促進當地經濟發展具有重要意義。本文旨在對我國利用海水作為直冷式工業冷卻水系統水源存在的腐蝕問題進行分析研究，并針對問題提出相應的防腐措施。

【關鍵詞】直冷式；海水；工業冷卻水系統；腐蝕；防腐措施

1、海水作為工業冷卻水的意義

隨著我國國民經濟的快速發展，我國的各大城市不同程度的發生缺水問題。在全國660多個城市中，有400多個城市缺水，108個為嚴重缺水城市。在城市用水中70～80%為工業用水，而工業用水中70～80%為工業冷卻用水。沿海城市采用海水作為工業冷卻用水可以替代大量的陸地淡水資源。自20世紀70年代，美國、日本等國家已開始大規模應用海水作為工業冷卻用水，其中美國約為1000億m3/a，日本約3000億m3/a，而我國在此方面相差巨大。加速海水作為工業冷卻水的利用率對于提高沿海城市經濟發展速度，節約陸地淡水資源具有重要意義。

2、直冷式海水冷卻系統的定義

直冷式海水冷卻系統是以海水作為冷卻介質，通過海水泵抽吸加壓后送入工業換熱設備進行一次性換熱，換熱后的海水直接排海。其系統流程示例如下。

3、直冷式海水冷卻系統常見腐蝕問題及防腐措施

海水是一種含有生物、懸浮物、泥沙、溶解氣體和腐爛有機物等多種鹽類相互平衡的復雜溶液。工業使用中不可避免會對冷卻換熱設備、管道系統產生腐蝕。為了防止其對冷卻系統的腐蝕，并盡可能充分的利用海水資源，我們必須對海水的腐蝕問題深入研究找出有效處理的方法。

3.1 腐蝕原理的探討

從腐蝕原理方面展開討論，我們將在直冷式海水冷卻系統的腐蝕分為電偶腐蝕、沖擊腐蝕、海生物腐蝕。

電偶腐蝕是指金屬或合金接觸到電解質溶液發生原電池反應，比較活潑的金屬被氧化而有電流伴生的腐蝕。電偶腐蝕的程度取決于兩種金屬在海水中電位序的相對位置，同時我們發現同種金屬材質的設備在海水作用下也會產生電偶腐蝕，這是由于金屬設備材質的不均勻和破損構成的微小陰陽極反應造成的。

對于電偶腐蝕我們應該在設計階段就規定所有組件盡可能的使用同一種合金材料，如果存在必須混用金屬材料的部分，一定要對不同金屬材料的材質性能、腐蝕電位差有所了解，盡量采用電位差小的合金。同時明確設備質量技術要求，建立健全的設備驗收、監管體系。

沖擊腐蝕是由金屬對海水流速的敏感性造成的。當海水流速超過某一臨界值時，沖擊腐蝕的情況會加速形成。這種腐蝕情況多發生在海水取水階段，受海水取水口深度、海水流速、潮汐的影響。在海水取水送入蓄水池階段采用非金屬材料的海水輸送管道可以有效的避免沖擊腐蝕的產生，同時采用海水深層取水技術也可避免表層海水對管道的沖擊。

海生物腐蝕包括微生物類腐蝕和大生物類腐蝕。在直冷式海水冷卻系統中，微生物硫酸鹽類還原菌常常帶入其他的細菌和藻類，它們可以在無游離氧的環境中繁殖，將水溶性硫化物轉化為硫化氫，造成酸性環境，進而形成腐蝕；大生物是大海中存在的無脊椎動物的幼蟲，如貽貝、藤壺、蛤蚌等，它們穿過格柵和濾網進入冷卻水系統中，并在低流速部位或渦流處逐漸長大，最后造成系統的局部堵塞。

在應對海生物腐蝕方面我們建議直接采用電解海水制次氯酸鈉的方法進行處理。相比于加氯法、加次氯酸鈉法而言，電解海水制次氯酸鈉方法雖然一次性投入高，但投入運行后的抗海生物腐蝕效果遠遠強于前兩種方法，且投入運行后的運行費用較低，是加氯法運行費用的50%左右，是加次氯酸鈉法運行費用的30%左右，在同類型對比中電解海水制次氯酸方法基本上運行4-5年即可收回投資。

電解海水制次氯酸鈉方法是將海水中的氯化鈉，通過電解變為次氯酸鈉進入直冷式海水冷卻系統加藥點，次氯酸鈉再分解為氯化鈉和游離態的氧進入海水。整個過程可以說是取之于海水用之于海水，不產生新的污染，不對海洋原有生態系統造成破壞。該方法對人員的操作沒有危險和傷害性，不會產生氯氣等有毒有害氣體。次氯酸鈉的產量只需要通過調節電流大小即可改變，不存在人工或機械搬運的問題，自動化程度高，操作管理都很方便。

3.2 常見設備材料的腐蝕及防腐措施

從直冷式海水冷卻系統設備的防腐而言，我們將其分為碳鋼材質設備的防腐與不銹鋼材質設備的防腐。其他材質設備由于在整個直冷式海水冷卻系統中所占用比例較小，這里不再單獨列出討論。碳鋼材質的設備主要有海水輸送管道、各類閥門、過濾器外部、工業換熱裝置內部等；不銹鋼材質的設備主要是格柵、旋轉濾網等。

直冷式海水冷卻系統碳鋼材質設備防腐技術基本經歷了四個階段。第一階段是采用乙烯樹脂涂料與粘貼玻璃鱗片的方法防腐，在使用一段時間后出現了鱗片脫落、涂料脫落、設備殼體腐蝕、連接部分穿孔等情況；第二階段是采用環氧樹脂噴涂進行防腐，存在涂料脫落、殼體腐蝕、連接部分穿孔等問題，還出現了設備內部管道輕度腐蝕的現象；第三階段是采用環氧樹脂加陰極保護的方法，基本消除了設備內部管道輕度腐蝕現象，但涂料脫落和老化現象十分嚴重；第四階段采用了設備整體襯膠工藝，使得設備內部腐蝕情況大幅減少，由于工藝系統的改變不再使用涂料噴涂，因此也不再存在涂料脫落問題，設備整體襯膠后局部穿孔的問題基本消除。在碳鋼材質的海水防腐方面采用整體襯膠工藝已是成熟可行的技術。

不銹鋼材質設備的防腐主要是采用陰極保護，同時更換耐蝕性更好的高標號不銹鋼材料來控制腐蝕。不銹鋼材質的設備主要是格柵和濾網，該類設備最容易產生表面點蝕與縫隙腐蝕。近年來的研究發現由于不銹鋼材質的特殊性，在海水浸泡運行中往往處于高負電位運行狀態，通過在不銹鋼桿件、板框周圍加裝犧牲陽極材料，如鋁-鋅-銦合金材料后，不銹鋼材質設備的腐蝕情況基本上得到了控制。

4、結語

近年來在海水冷卻系統方面新的設備、材料承接不窮，各類生產企業也針對海水的特性研發出了不同材質的設備，或是在原有材質的基礎上進行防腐處理。如采用鋼絲網骨架聚乙烯復合管道，或是在碳鋼管道表面噴涂環氧粉末，纏繞聚乙烯防腐層，這些有益的嘗試都推動了海水綜合利用方面的發展。

針對直冷式海水冷卻系統防腐問題的日益嚴重，我們希望通過匯總各方面的經驗與嘗試為大家提供一個有效的解決辦法。除了上述技術層面的建議外，在管理方面我們提出以下兩點期望。

（1）建立設備全周期的防腐管理，在設計階段全面考慮設備和管道的材質，防止出現不同金屬間的高電位差；在制造階段全面監造，防止局部瑕疵的出現；在安裝調試階段嚴格執行施工規程，實測現場數據綜合管理。

（2）對已投入運行的直冷式海水冷卻系統應建立 “預防性防腐蝕維修管理辦法”，根據工藝系統流程，各類設備歷史性腐蝕情況記錄，建立有計劃的預防性維修檢視。

參考文獻：

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[3]鄧舜揚. 海洋防污與防護技術 [M]. 北京 ： 海洋出版社 ，1987.

[4]侯保榮. 腐蝕研究與防護技術 [M]. 北京 ： 海洋出版社 ，1988.

作者簡介：哈亮，男，1982年1月生，2005年畢業于太原理工大學給水排水專業（學士），工程師