間接空冷器鋁管束腐蝕機理研究

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(哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

2016年初，國內某電廠2×660 MW超超臨界機組工程間接空冷塔空冷器(間接空冷器)在運行近1個月時出現泄漏，經現場人員觀察，發現在鋁管束入口端空氣側個別鋁管根部發生破壞，導致冷卻水泄漏。拆下管束入口端管箱，發現水側個別鋁管端部也發生破壞。發生破壞的鋁管均集中在距離管箱入口較近的區域，而距離管箱入口較遠的鋁管未出現破壞現象。通過現場對鋁管破壞形式進行觀察分析，判斷是由于鋁管內局部發生腐蝕所致。

1 鋁管規格及成分分析

鋁管規格為25 mm×1 mm(直徑×壁厚)，材質為1050，管束內外表面經無鉻氧化處理增強其耐蝕性。按照GB/T 3190—2008 《變形鋁及鋁合金化學成分》對鋁管進行了成分分析(結果見表1)，所測結果符合標準要求。

表1 鋁管化學成分分析結果 w,%

2 冷卻水水質檢測

在鋁管束發生泄漏后，現場人員對循環水進行了pH值檢測，達到9.5。2個月后取冷卻水水樣委托某環境科技公司進行水質分析，結果顯示，1號機組循環水的pH值與電導率分別為8.44和14.0 μS/cm；2號機組循環水的pH值與電導率分別為8.24和33.6 μS/cm。

此外，打開管箱后發現其內部殘留焊渣、焊藥皮、沙粒等雜物，管板上也殘留有沙粒。鋁管束在制造過程中經過無鉻氧化和整體循環沖洗，其內部是不會有這些雜質存在的。判斷這些雜質是在焊接裝配鋼制管路時殘留在管道內，由循環冷卻水帶入鋁管束內部的。

3 管束入口管箱內流體流動模擬

從鋁管發生破壞部位的分布情況看，鋁管破壞的部位集中在距管箱入口較近區域，因此，要考慮管束內冷卻水的流動對鋁管的影響。處于流體環境中，金屬表面與流體之間產生剪切應力，能破壞金屬表面氧化膜、剝離腐蝕產物，從而加大了腐蝕速率。流體速度在金屬腐蝕中也起到重要作用，不同流速對金屬腐蝕影響不同[1]。

為掌握管束入口管箱內的流場、流動參數的分布及數值大小，從定性和定量的角度去分析管束入口端局部破壞是否由流體流動所造成的，采用ANSYS軟件對管束入口管箱建模進行數值模擬計算。

管束為4排管2管程，取入口管箱半側建立計算模型,見圖1。主要的管束內流體流動參數見表2。

按表2中的數據對入口管箱的速度入口邊界條件進行賦值，并設置基管的各個出口為壓力出口邊界條件(按照26.5 m高的管束中充滿水，加上管束頂部接大氣的條件設置計算模型的出口壓力)。

圖1 入口管箱模型

冷卻系統總流量/(m3·h-1)61534.72入口最高溫度/℃57.34流體密度(最高溫度)/(kg·m-3)984.52入口流體平均流速/(m·s-1)2.273管束內流體平均流速/(m·s-1)1.605

計算采用ANSYS的CFX模塊，僅模擬水的單相流流動，介質為純凈的水，不含雜質。不進行多相流的原因為單相流的計算比較容易實現，且結果可靠。

入口管箱整體壁面上的剪切應力分布結果見圖2。考慮到破壞均發生在基管的根部，因此僅顯示基管根部的壁面剪切應力分布，見圖3。由圖2和圖3看出，鋁管壁面剪切應力大的區域距離管箱入口較近，這與鋁管發生破壞的實際位置是一致的。

圖2 入口管箱整體壁面上剪切應力分布

圖3 基管壁面上剪切應力分布

從計算結果看出，基管上出現的最大壁面剪切應力僅為225.3 Pa，若冷卻水的水質干凈，僅由水體流動是不會對鋁管造成破壞的。

4 鋁管腐蝕及腐蝕產物成分分析

因腐蝕剝落的鋁管內表面形貌見圖4。從圖4可以看出，鋁管內表面出現黃色腐蝕產物，其表面非常粗糙，出現不規則的坑洼狀的磨損溝槽，符合沖刷腐蝕形貌特點[2]。腐蝕表面掃描電鏡分析見圖5。由圖5可知，腐蝕產物覆蓋不均，表面呈蜂窩狀凹坑，呈現出典型的沖刷腐蝕形貌。

圖4 鋁管內表面腐蝕形貌

圖5 腐蝕表面掃描電鏡形貌

在腐蝕產物表面選取不同區域進行成分分析，腐蝕產物表面微區能譜分析見圖6。從圖6可以看出，生成的腐蝕產物中含有大量的Si元素和Mg元素。沙子的主要成分為SiO2，因此，可以判斷，Si的含量高主要是由于泥沙沖刷管壁，破壞了氧化膜，形成了Si含量很高的腐蝕產物。Mg和Ca的出現，是由于冷卻水中含有水垢,水垢里有較多的Mg2+和Ca2+。

5 腐蝕機理分析

從以上分析結果可以得出，鋁管發生破壞的主要原因是由沖刷腐蝕導致的。沖刷腐蝕又稱磨損腐蝕，是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果。液體介質流速和介質中固體物的含量都對沖刷腐蝕有嚴重影響。介質中固體物在流動水的作用下會沖擊金屬表面，破壞氧化膜，露出新鮮的金屬表面，從而形成腐蝕原電池，進一步加速腐蝕[3-4]。

圖6 腐蝕產物表面能譜分析

沖刷腐蝕是一個十分復雜的過程，影響腐蝕速率的因素也很多，如流體流速、沙含量和介質pH值等。金屬在不同環境介質條件下其沖刷腐蝕的機理不盡相同，含有沙粒的流體對金屬的沖刷行為主要是堅硬固體顆粒與金屬表面相撞擊的機械過程，在具體的流體環境中，沖刷腐蝕總是與其他類型的腐蝕(如電化學腐蝕)協同作用，隨著沙粒含量及粒徑的增大，金屬的腐蝕速率會相應增加。

由于冷卻水中的大量沙粒存在，以及冷卻水的快速流動，引起了沖刷腐蝕，沖刷腐蝕破壞了鋁管表面的氧化膜，被破壞的部分新鮮金屬暴露出來，活性高，形成了電偶腐蝕的陽極，而有氧化膜覆蓋的部分為陰極，循環水又帶入大量溶解氧，在形成的腐蝕產物垢層內外形成氧濃差電池，大大加快了腐蝕速率，造成暴露部分的新鮮金屬產生局部腐蝕。

從冷卻水水質報告中看出，冷卻水電導率達到33.6 μS/cm，電導率的大小反映了水中離子的濃度，電導率越大水中離子濃度越大，反之越小。有研究表明[5],鋁合金的腐蝕電流隨著電導率的升高大體呈現上升的趨勢，而且電導率越高，腐蝕電流上升越快。而從能譜分析中可以得知，溶液中含有大量的Mg2+和Ca2+，Mg2+和Ca2+提高了介質的電導率，加快了鋁腐蝕。

同時，冷卻水的pH值接近8.5，水體呈現堿性，而鋁的電位與pH值的關系見圖7。鋁在pH值約8.3的堿性溶液中腐蝕速率較大。說明冷卻水的pH值對于鋁管的失效有嚴重的影響[6]。

圖7 鋁的電位與pH值的關系

6 結論與建議

綜合以上分析可知，間接空冷器鋁管束入口端出現的局部腐蝕破壞主要是由沖刷腐蝕所造成的，腐蝕破壞發生在基管壁面所受剪切應力最大的區域。循環水中的泥沙、鐵屑等硬質顆粒是引起沖刷腐蝕的主要因素；同時，冷卻水的pH值及電導率偏高，亦導致了鋁管腐蝕加劇。

有研究表明，鋁管換熱器的冷卻水大多是未經嚴格處理的地下水、河水或普通自來水。水質不同會導致鋁管換熱器的運行周期不同，鋁管的腐蝕取決于水的pH值和電極電位。冷卻水水質處理的好壞和pH值的高低都會影響鋁管的耐蝕性能[7]。因此，在鋁管束實際使用中，冷卻水水質必須嚴格控制，定期監測、檢測，pH值控制在6.7～7.5，電導率要小于2 μS/cm，對地下水應檢測氟、砷和硫等腐蝕性極強的元素含量。如果不能保證水質合格，可采用重點部位補強的方法(如在入口端鋁管加保護套)，從而增強其抗沖刷腐蝕的能力。當機組停機后重新啟動，在空冷器充水的過程中，必須控制好冷卻水的流量和壓力，壓力差要小一些，流速要慢一些，不可急加壓，增加流速。

[1] 吳成紅，甘復興.金屬在兩相流動水體中的沖刷腐蝕[J].材料保護,2000,33(4):33-35.

[2] 張九淵，董剛，毛肖，等.硅粉系統沖刷腐蝕的形貌分析：第四屆全國腐蝕大會論文集[C].北京：[出版者不詳],2003：279-281.

[3] 代真, 段志祥, 沈士明.流體力學因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[J].石油和化工設備, 2006,35(6):20-23.

[4] 朱娟，張喬斌，陳宇，等.沖刷腐蝕的研究現狀[J].中國腐蝕與防護學報, 2014,34(3)：199-208.

[5] 任桂林，底光輝，張勝寒.鋁合金在高純水中的腐蝕概述[J].廣東化工,2015,42(21):87-89.

[6] 楊振海, 徐寧,邱竹賢.鋁的電位-pH圖及鋁腐蝕曲線的測定 [J].東北大學學報,2000,21(4): 401-403.

[7] 王育忠.鋁管換熱器腐蝕原因及解決方法[J].石化技術,2005,12(3):53-54.