SCAL型間接空冷系統鋁材腐蝕原因分析及處理

楊 澤，涂孝飛，丁勝利

（1.山西京能呂臨發電有限公司，山西呂梁 033200；2.華北電力科學研究院有限責任公司西安分公司，陜西西安 710065）

引言

目前火力發電中應用的空冷技術主要為直接空冷系統和間接空冷系統兩種。在實際應用中發現直接空冷系統的運行背壓高，夏季溫度較高時不能滿負荷運行，且廠用電率較高，煤耗較大。分析顯示間接空冷系統的年費用低，相比于直接空冷系統具有更可觀的經濟效益。因此，間接空冷系統的研究和應用是我國空冷技術發展的主要趨勢。調查顯示，多數發電企業間冷系統循環水目前并未配置水質凈化設備，因此系統中存在的各種雜質很難去除，進而導致材料腐蝕控制變得更加復雜、困難。近年來，間接空冷機組在基建調試和生產運行過程中因間冷循環水pH 值、電導率、鐵離子、鋁離子等指標居高不下而導致間冷塔腐蝕泄漏，甚至非停事件在多個間冷火電機組頻繁發生，造成了巨大的經濟損失［1-2］。因此，針對間冷循環水水質超標原因進行具體分析，并采取有效的處理措施尤為重要。

1 間冷系統運行現狀

1.1 間冷系統簡介

某電廠凝汽式汽輪機、給水泵小汽輪機的排汽進入表面式凝汽器，由間冷循環水進行冷凝。循環水受熱后經水泵升壓，進入自然通風間冷塔由空氣冷卻，冷卻后的循環水再回至表面式凝汽器形成閉式循環，稱為SCAL（Surface Condenser Aluminum Exchengers）型間接空冷系統，如圖1所示。

圖1 某廠間接空冷循環水系統圖

1.2 循環水水質現狀

水質按照某廠家要求值執行，即pH=6.7～8.0、SiO2≤10 μg/L、SC≤2.0 μS/cm、Al3+≤8 μg/L、SS≤5 mg/L，兩臺機組于2019 年9 月由基建轉生產運行。轉生產后半年時間內，水質控制項目pH、SC、SS、Al3+指標合格率分別為56.7%、58.3%、50.3%、5%，詳細情況見圖2。

圖2 某電廠間冷循環水水質分析統計圖

1.3 系統腐蝕現狀

從2020 年7 月開始，間冷塔散熱器底部聯箱與配水管連接處、散熱器底部聯箱與膨脹節法蘭螺栓處及空冷散熱器管束等部位出現了腐蝕現象，并逐漸發生泄漏。

2 原因分析

2.1 眾因調研

SCAL 型間冷系統作為一個由碳鋼和純鋁材料組合成的水循環系統，系統內水化學工況及設備腐蝕影響因素多。調研多個火力發電廠間接空冷系統腐蝕形態，結合熱力設備防化學腐蝕、電偶腐蝕的固有原理，造成SCAL 型間冷系統腐蝕的因素匯總見表1。

表1 腐蝕原因調研及當前狀況

2.2 原因確定

2.2.1 化學腐蝕原因確定

1050A 鋁作為一種兩性金屬，循環水pH 值的高低直接影響間接空冷冷卻三角管束的腐蝕性能。當循環水pH 值控制在4.0～8.5 時，在冷卻三角管束內表面可發生鈍化，形成致密的Al2O3膜，起到保護管束的作用，區間以外則會發生強烈的酸堿性腐蝕，如圖3所示。

圖3 pH對鋁的腐蝕影響

該廠間冷散熱管束出廠前對管束內壁采用了一種弱堿性的MBV 鈍化法，鈍化完成后采用自來水對管束內壁進行了簡單的沖洗，導致了大量的Na+、Cl-離子殘存在管束內壁，間冷系統注水后，離子開始溶出，如表2所列。

Na+和Cl-分別達到19.90 μg/L、23.18×103μg/L。空氣中的O2通過間冷系統地下水管道、高位水箱以及散熱片的排空管進入循環水系統與Na+、Cl-發生化學反應，導致間冷冷卻三角發生腐蝕。該廠間冷循環水Cl-已達毫克級，如此高濃度的Cl-與Al3+發生絡合反應，不僅不利于Al2O3保護膜的形成，還會導致純鋁發生點腐蝕［3］。金屬鋁與Na+和Cl-發生化學反應時，釋放大量的OH-導致循環水的pH 值逐步升高，pH值升高又促進鋁材發生堿性腐蝕。有研究表明，鋁的腐蝕隨Fe3+的升高而逐漸增大［4］，由于碳鋼-純鋁電偶腐蝕導致系統中鐵離子也高達286 μg/L，進一步加劇了鋁材的腐蝕，最終形成了惡行循環。

2.2.2 沖刷腐蝕原因確定

安裝試運階段沖洗不徹底的殘留物和碳鋼腐蝕產物中的固體不溶物易積存在間冷空冷系統中。純鋁作為一種質地較軟的金屬，在沖刷力度較大的位置更容易出現沖刷腐蝕，如散熱器底部聯箱與分配水管連接處，同時循環水中的雜質顆粒、懸浮物等殘留的物質加劇了沖刷腐蝕。間冷循環水中懸浮物含量達到28.0 mg/L，一定程度上加劇了間冷系統的腐蝕現象。

2.2.3 電偶腐蝕原因確定

以純鋁作為散熱器材質的間冷系統與底部以碳鋼材質作為管道的連接部位會發生明顯的電偶腐蝕［5］。當向扇區充入除鹽水，并接觸到散熱三角底部進（出）水膨脹節碳鋼-純鋁散熱器時，上述電偶腐蝕隨之發生。

3 防腐控制策略

3.1 水質調整及防化學腐蝕策略

目前主要的間冷循環水水質調整處理方式為除鹽水置換法、加酸調節法和陽床旁流處理凈化法。由表3可知，相比除鹽水置換法及加酸調節法，小陽床旁流處理法優點更為突出，但其也存在無法去除陰離子、出水強酸性導致局部酸性腐蝕的風險。若采用混床替代陽床，不僅能夠有效調整pH，還能去除陰陽離子，達到最優的循環水質控制參數。過濾+混床除鹽的旁流處理方式，可從根本上達到間冷循環水達標及防化學腐蝕的目的。

表3 間冷循環水水質調整方式比較

3.2 防沖刷腐蝕策略

系統安裝階段應重點對間冷循環水管道、聯箱、管束內的雜物進行仔細清理，防止泥沙沉積造成后續運行過程中對系統的沖刷損壞。運行機組，對已被沖刷腐蝕損壞的管道、管束進行更換，同時放盡系統內存水，并進行系統清理。利用間冷循環水旁流處理系統，對系統中的懸浮物進行去除，進一步凈化水質。

3.3 防電偶腐蝕控制策略

電偶腐蝕的控制策略主要是利用各種惰性材料含密封材料制成墊片、套管介入法蘭連接中，使純鋁、碳鋼兩種材質之間形成等電位，從而防止電偶腐蝕的發生［6］。

4 控制策略實施及效果

4.1 控制策略實施

4.1.1 水質調整及防化學腐蝕策略實施

對該廠現有凝液處理系統進行技術改造為過濾+混床除鹽的間冷循環水旁流處理系統，如圖4所示。引一路循環水至冷凝液提升泵出口母管處，該部分循環水經除鐵器、活性炭過濾器和混床處理后，匯流至循環水冷卻水回水（冷水）管，依靠間冷循環水旁流處理系統周期性運行，從而實現對間冷循環水過濾、除鹽、pH調節等功能。

圖4 間接空冷循環水混床旁流處理系統圖

4.1.2 防沖刷及電偶腐蝕策略實施

對已被沖刷腐蝕損壞的管道、管束進行更換，同時放盡系統內存水，并進行系統清理。利用間冷循環水旁流處理系統，對系統中的懸浮物進行去除，進一步凈化水質。在散熱器底部法蘭與膨脹節法蘭接觸面之間安裝膨脹聚四氟乙烯墊；在散熱器底部法蘭固定螺栓外設置絕緣螺栓套筒，每個螺孔兩側設置絕緣螺栓墊。在散熱器底部法蘭與碳鋼法蘭上依次連接接地導線和固態去耦合器，并接至地網。既從結構上切斷了純鋁與碳鋼的電子通路，又切斷了純鋁與碳鋼通過公共接地網耦合的電子通路，有效解決間接空冷電偶腐蝕的發生。

4.2 應用效果

如圖5 所示，當間冷循環旁流處理系統投入運行后，pH 值、鐵和鋁離子含量出現明顯下降趨勢，72 h 后pH 值就已達到合格標準，解決了循環水pH值居高不下的癥結，鐵和鋁離子含量的去除率分別高達75%和83%。投入運行24 h 后懸浮物達到合格標準，96 h后電導率達到合格標準，后期水質長期保持在優良的品質。圖6 表明，當間冷循環水旁流處理水量保持在120 m3/h 以上時，水質合格率從32%快速提高至90%。逐漸降低出力時，合格率仍一直保持在100%。

圖5 旁流處理后循環水Fe、Al3+、pH變化

圖6 旁流處理水量與水質合格率隨時間的變化

4.3 經濟效益

凝液處理系統改造為間冷循環水旁流處理系統，主要投資內容有凝液處理系統與間冷循環水進回水管連通所需管道的購置、安裝、土建等費用，僅需要投資約50 萬左右。而調查顯示單臺350 MW機組間接空冷循環水水質惡化造成除鹽水浪費、更換鋁制散熱器、電資源浪費、廢水處理、機組非停電網考核共計約150 萬元。該廠若繼續沿用原有的除鹽水置換方式對間冷循環水進行水質控制調整，按照單臺機組補水率300 t/d，除鹽水綜合費用約為18.3 元/t 計算，凝液處理系統作為間冷循環水旁流處理工藝的順利實施，不僅有效避免因水質惡化造成的損失，每年還可回收除鹽水約10.95 萬t，產生經濟效益約200 萬元，經濟效益極為可觀。

5 結論

（1）相比除鹽水置換法、加藥法和陽床旁流處理法，過濾+混床旁流處理工藝應用于間冷循環水系統實施水質凈化，其功能更全面、優點更突出、適用性更強。

（2）混床旁流處理工藝用于間冷循環水系統，提高了間冷循環水水質凈化效果，使得間冷循環水水質得到有效改善和控制，各項水質分析指標能夠達到要求值，消除了間冷系統腐蝕隱患，提高了機組運行的安全系數。

（3）凝液系統按照方案實施改造后，不僅能夠實現對廠外冷凝液的回收處理，還能對間冷循環水進行水質凈化。由于間冷循環水水質凈化僅需周期性運行，因此新增系統管道閥門均按手動閥門設計，減少系統改造投資，實現更高的產出投入比。