新型高效緩蝕阻垢劑在海綿鈦廠水循環系統中的應用研究

謝麗娟，徐 蘋

(攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000)

某海綿鈦生產廠有一套循環水冷卻系統，因市場原因，該循環水系統前期維持低負荷生產，循環水量共計2000 m3/h。經水質檢測發現，循環水系統有明顯腐蝕傾向，水質明顯發黃，曾出現管道銹穿后串液的情況，說明原使用的磷系處理藥劑對循環系統沒有起到有效的保護作用?，F全廠需要逐步恢復產能，為了保證生產系統能平穩運行，需要重新尋找一種能有效保護循環系統設備設施的水處理藥劑。針對以上情況，本文進行了高效緩蝕阻垢水處理藥劑的研究，并將其應用于生產現場，試驗證明該藥劑在應用中顯示出良好的緩蝕效果。

1 循環冷卻水系統概述

廠區內循環水系統，分別供應氯化車間、精制車間、鎂電解車間和還蒸車間的設備循環冷卻使用，冷卻設備以碳鋼為主，部分設備含少量銅。現場循環水均屬于凈環水處理系統，新鮮的生產水經過樹脂吸附處理后作為補水，原緩蝕阻垢劑投加濃度為40 ppm，現場循環系統技術參數詳見表1。

表1 某海綿鈦廠循環水系統正常運行參數

根據現場水質檢測結果(詳見表2)來看，系統的循環水和補水水質的總硬度均超出運行要求。在循環水冷卻系統中，需要通過CaCO3飽和指數(L.S.I)和穩定指數(R.S.I)判斷其水質傾向，找到循環水系統存在的主要問題，從而確定循環水緩蝕阻垢劑的主要作用方向[1]。如表3所示，L.S.I是用水的實際pH值與飽和pHs值之差來判定，即L.S.I=pH-pHs。R.S.I指數則是在修正L.S.I的基礎上提出的，對循環水的故障傾向能做出更進一步的判斷，R.S.I=2pHs-pH。pHs按以下公式計算：

pHs=(9.7+A+B)-(C+D)

(1)

式中，A：總溶固系數；B：溫度系數；C：鈣鎂硬度系數；D：M-堿度系數。

表2 現場水質檢測結果及運行要求

表3 水質的結垢腐蝕傾向判定

結合表2 和表3 的數據，可以計算出生產現場循環水的L.S.I數值為0.4328，R.S.I數值為7.2644。以R.S.I數值為準來看，在運行的循環水冷卻系統均屬于腐蝕型水質，且已接近嚴重腐蝕的狀態，是有可能造成管道銹蝕穿孔的，故該循環冷卻水處理的重點是防止腐蝕，且兼有優良適應性。在該系統運行過程中，隨著濃縮倍數的增加，水中各種陰陽離子將會不斷濃縮，腐蝕和結垢傾向會同時存在。如果處理不當，將會產生嚴重腐蝕或者垢下腐蝕，引起金屬管穿孔、開裂，增加設備的檢修時間和次數，縮短設備的使用壽命，增加運行成本，嚴重威脅到整個生產的正常運行[2-3]。同時，根據表2生產現場對水質的要求來看，現場補水硬度80.10 mg/L遠超指標要求，而且電導率等指標也偏高，在這種操作狀態下，投加緩蝕藥劑后水質中電導率難以控制在1100 μS/cm的要求以下。所以，在更換樹脂保證補水硬度的前提下，采取經濟的有效的手段防止循環冷卻水系統的腐蝕和結垢是非常重要的。

2 循環水處理實驗

擬選取可抑制腐蝕的緩蝕阻垢劑單體[4]HEDP、AA/AMPS、POCA、PBTC、PAPE和ZnCl2進行有機組合，從中篩選出最佳配比，與原系統用緩蝕阻垢劑進行靜態掛片腐蝕對比實驗。

2.1 配方種類篩選

靜態掛片實驗采用I型A3碳鋼掛片在30 ℃水溫下進行為期15天的靜態耐腐蝕實驗，投加濃度為40 ppm，用水采用現場新取的循環冷卻水。根據多年現場經驗，實驗配制出9種配方(標記為1#～9#樣)，其中HDPE比例控制為0.05%～0.1%，AA/AMPS比例為0.1%，POCA比例控制為0.05%～0.15%，PBTC比例控制為0.05%～0.1%，PAPE比例控制為0.1%～0.2%，ZnCl2比例控制為0.05%～0.1%。另設空白樣(標記為0#樣)和原系統用緩蝕阻垢劑(標記為10#樣)各一個，每種配方使用掛片各一個，測算15天后的腐蝕速率。腐蝕速度計算公式如下：

x=(W1-W2)×87600/(A×T×D)

(2)

式中，x：試片腐蝕速率，mm/a；W1：試片實驗前稱重，g；W2：試片實驗后稱重，g；A：試片表面積，cm2；T：實驗時間，h；D：試片材質密度，g/cm2。

實驗結果如表4所示，使用了1～10#配方均對碳鋼掛片腐蝕有一定的抑制作用，靜態掛片實驗的1#、3#和9#配方滿足《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050-2017)中碳鋼腐蝕速度≤0.075 mm/a的要求，其中，9#配方腐蝕速率最低為0.019 mm/a；4#和7#配方基本接近標準要求，而原來使用的緩蝕阻垢劑腐蝕速度明顯超過標準要求。

2.2 最佳投加濃度篩選

根據2.1靜態掛片實驗結果，選取緩蝕效果較好的9#、1#、3#配方進行最佳投加濃度靜態對比實驗，考察不同藥劑投加濃度對I型A3碳鋼掛片的腐蝕效果。水質采用現場循環用水，每種藥劑使用掛片各1片，藥劑投加濃度分別設置為20 ppm、40 ppm、60 ppm、100 ppm，腐蝕速度按照式(2)進行計算，具體結果如圖1所示。9#配方的緩蝕效果始終優于其他配方，除投加濃度為20 ppm時，腐蝕速度達到0.078 mm/a略超標準要求外，增加投加濃度后的碳鋼掛片腐蝕速度均滿足標準要求。從經濟角度分析，投加濃度控制為40 ppm較為合適。

表4 不同配方靜態掛片實驗結果

圖1 不同投加濃度靜態掛片實驗結果

3 緩蝕阻垢劑應用試驗

根據上述實驗結果，選擇9#配方進行現場應用試驗，跟蹤其實際的緩蝕效果。試驗在完成補水樹脂更換后，水質硬度達標的情況下開展，實驗從5月20日開始持續34天。第一天加藥對管道內壁進行剝離處理，待取樣檢測總鐵含量達到1.06 mg/L后，開始進行預膜處理。預膜期3天，完成后開始正常投加試驗，5月27日在冷卻塔和冷卻池內放置A3、銅質Ⅰ型掛片各2片。9#藥劑量按補充水量計，濃度控制為40 ppm進行連續投加，殺生劑間隔一周進行沖擊性投加[5]。

如圖2所示，預膜完畢后在5月25日開始到6月3日，投加了大劑量的緩蝕阻垢劑，循環系統的穩定指數R.S.I呈現明顯的下降趨勢，從腐蝕逐漸趨于穩定。隨著6月4日緩蝕阻垢劑開始正常投加，穩定指數R.S.I趨于平穩，在5.6～6.3范圍內波動，說明9#藥劑的投加對系統水質控制穩定，基本處于不腐蝕不結垢的狀態。期間總磷含量始終保持在2～3 ppm，導電率≤1100 us/cm，總硬度≤120 mg/L，滿足設計運行要求。

圖2 投加藥劑后循環水穩定指數變化情況

掛片總共試驗29天，根據現場監測記錄，6月12日前所有掛片均光亮如新，掛片表面均無腐蝕或結垢情況出現。只有懸掛于冷卻池中的3045#、1679#掛片在掛線的地方有輕微腐蝕，主要是因為冷卻池水流量較小，掛線處為藻類、菌類提供了一個暫時的棲息之處，藻菌類的存在造成了掛片受到一定腐蝕。由于攀枝花夏天天氣炎熱、光照充足，6月12日系統開始出現青苔后，碳鋼掛片表面亦開始出現腐蝕。后期通過增加殺菌劑用量，該腐蝕情況得到控制。試驗結束后，從掛片表面情況來看(見圖3)，銅質掛片基本沒有發生腐蝕，碳鋼掛片后期出現因菌類數量增加產生少量腐蝕。根據式(2)算得掛片的平均腐蝕速度如表5所示，均滿足參考標準GB 50050-2017的要求。從試驗結果來看，9#配方是適合于海綿鈦循環冷卻系統使用的，其最佳投加濃度控制為40 ppm。

表5 腐蝕速率測算

圖3 現場掛片情況(懸掛29天)

4 結論

針對某海綿鈦廠的循環冷卻系統，通過對緩蝕阻垢劑單體的復配和系列實驗優選出的9#配方，在實際應用試驗中表現出明顯優于原處理藥劑的緩釋阻垢性能，投加濃度控制為40 ppm(按補水量計)，系統水質的各項指標達到設計運行指標要求，系統運行正常，滿足了現場生產要求。