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濱海電廠水系統(tǒng)碳鋼管道的腐蝕控制

2018-05-17 11:07:10 作者：本網(wǎng)整理來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

隨著淡水資源的日益短缺，我國(guó)幾乎所有的濱海電廠均設(shè)計(jì)從海水中獲取工業(yè)生產(chǎn)用水；即采用海水作為循環(huán)冷卻水，以海水反滲透產(chǎn)水作為全廠所需淡水。然而，目前有關(guān)火電廠輸水管道在海水及反滲透產(chǎn)水中腐蝕差異卻鮮見報(bào)道。

今天，我們就將對(duì)比研究碳鋼在海水和水反滲透產(chǎn)水中的腐蝕差異，以期更好地分析工業(yè)水管在服役環(huán)境中的腐蝕原因，并探索濱海電廠水系統(tǒng)碳鋼管道的有效防腐蝕方法。

試樣及試劑

Q235A碳鋼

尺寸為40×13×2mm

試樣表面用金相砂紙（0~6號(hào)）逐級(jí)打磨后待用；

電化學(xué)用試樣除了1平方厘米工作面外，其余部分采用環(huán)氧樹脂封裝；

試驗(yàn)溶液為取自該電廠的海水、反滲透產(chǎn)水水樣，見表1。

表1 海水及反滲透產(chǎn)水主要水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)方法

失重試驗(yàn)

銹層表征

電化學(xué)試驗(yàn)

結(jié)果與討論

圖1 管材內(nèi)壁銹層形貌

如圖1所示，海水管道內(nèi)壁附有較致密銹層，管材腐蝕情況相對(duì)較輕；而工業(yè)水管內(nèi)壁形成有較厚且疏松銹層，管厚減薄現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖2 試樣在不同溶液中的腐蝕速率

隨時(shí)間曲線

由圖2可見，碳鋼在海水及反滲透產(chǎn)水中的腐蝕過程截然不同。海水反滲透產(chǎn)水對(duì)碳鋼的侵蝕破壞比海水更強(qiáng)；若無(wú)合適的防腐蝕手段，碳鋼管在反滲透產(chǎn)水中不耐蝕。這一結(jié)果也與圖1所示的電廠管道腐蝕現(xiàn)象一致。

開始浸泡時(shí)，碳鋼在海水中腐蝕速率（約2.4mm/a）遠(yuǎn)大于反滲透產(chǎn)水中腐蝕速率（約0.5mm/a）；這是因?yàn)榇藭r(shí)溶氧供應(yīng)充足，碳鋼腐蝕速率由具有腐蝕加速作用的氯離子濃度控制。之后，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，碳鋼在兩種介質(zhì)中的腐蝕速率變化趨勢(shì)截然不同。

許多研究表明金屬的腐蝕過程將受到表面銹層干擾，因而可推出碳鋼在兩種介質(zhì)中形成的銹層將存在顯著差異，導(dǎo)致對(duì)金屬腐蝕產(chǎn)生不同影響（抑制或促進(jìn)作用）。

圖3 試樣在兩種溶液中浸泡360h后

表面銹層形貌

圖4 試樣在兩種溶液中浸泡360h后

銹層的截面形貌

由圖3和圖4可見：海水中，碳鋼銹層以較厚的黃色外銹層為主，清除外銹層后可見較薄的黑色內(nèi)銹層，銹層不易清除，與金屬基體之間附著力較強(qiáng)，較致密。而反滲透產(chǎn)水中碳鋼銹層的黃色外銹層很薄，黑色內(nèi)銹層為銹層主體，銹層與碳鋼基體之間附著力較差，用水很容易沖洗干凈，形貌較蓬松、不致密。

碳鋼在海水、反滲透產(chǎn)水中浸泡360h形成的銹層的XRD分析結(jié)果見圖5所示。

圖5 試樣在不同溶液中浸泡360h后

表面銹層的XRD譜圖

圖5表明碳鋼在海水及反滲透產(chǎn)水中形成的銹層在組分比例上有顯著不同，這與形貌分析結(jié)果一致。海水中，碳鋼銹層主要由黃色的γ-FeOOH構(gòu)成，另外也含有少量Fe3O4及α-FeOOH。而反滲透產(chǎn)水中，碳鋼銹層主要由黑色的Fe3O4構(gòu)成，黃色的γ-FeOOH及α-FeOOH含量很少。

分別對(duì)在海水及反滲透產(chǎn)水中浸泡2h、360h的碳鋼電極進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，結(jié)果見圖6。

圖6 碳鋼在不同溶液中

浸泡不同時(shí)間后的Nyquist圖

碳鋼電極在海水、反滲透產(chǎn)水中掛片2h后，其表面還未有銹層，此時(shí)阻抗譜均僅包含一個(gè)單容抗弧（見圖6）；其等效電路見圖7（a）。當(dāng)在海水、反滲透產(chǎn)水中掛片360h后，碳鋼電極表面均已形成明顯銹層（見圖3），此時(shí)其譜圖呈現(xiàn)完全不同特性。海水中碳鋼譜圖由兩個(gè)半圓組成，即譜圖中出現(xiàn)了代表銹層電阻的容抗弧，其等效電阻見圖7（b）。而反滲透產(chǎn)水中碳鋼譜圖由一個(gè)容抗弧和一條代表Warburg阻抗的直線組成，未出現(xiàn)銹層電阻，其等效電阻見圖7（c）。Nyquist曲線解析結(jié)果見表2。

圖7 電化學(xué)阻抗譜的等效電路

表2 Nyquist曲線解析結(jié)果

由表2可知，試樣在海水中形成的銹層對(duì)其腐蝕過程有一定的阻礙作用，阻抗譜中出現(xiàn)有銹層阻抗（Rr），這是因?yàn)橹旅茕P層能夠阻礙溶氧的遷移過程。

反滲透產(chǎn)水中，碳鋼阻抗譜中出現(xiàn)了Warburg阻抗，表明此時(shí)碳鋼腐蝕由氧擴(kuò)散決定。

然而，碳鋼在反滲透產(chǎn)水中形成的疏松銹層對(duì)其腐蝕過程無(wú)阻礙能力，一方面并未出現(xiàn)銹層電阻，另一方面?zhèn)鬟f電阻值Rt值在銹層生成后顯著降低，說明銹層反而對(duì)基體腐蝕有強(qiáng)加速作用。

這是因?yàn)檠杆傩纬傻氖杷蒄e3O4層具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，能夠起到陰極作用而促進(jìn)氧還原。

防腐蝕措施

通過對(duì)前文的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，碳鋼在海水中腐蝕主要會(huì)受到高濃度Cl-等侵蝕性離子加速，因而其腐蝕防護(hù)要以抑制Cl-離子侵蝕為主。

工程上常對(duì)碳鋼海水管道的內(nèi)壁進(jìn)行涂層防護(hù)，以隔絕高濃度Cl-的侵蝕；此外，為了進(jìn)一步降低Cl-離子對(duì)涂層針孔缺陷處管道的腐蝕，我們?cè)谠撾姀S的海水管道上加裝了一套外加電流陰極保護(hù)裝置，見圖8。

圖8 外加電流陰極保護(hù)裝置

由于電廠工業(yè)水管管徑較小（通常小于200mm）且管線十分復(fù)雜，進(jìn)行涂層防腐難度很大；反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率不高，布置外加陰極保護(hù)也無(wú)可行性。投加緩蝕劑的方法又會(huì)受到銹層干擾而達(dá)不到理想效果。

雖然單純從侵蝕性來講，海水反滲透產(chǎn)水比海水要弱得多，但碳鋼在反滲透產(chǎn)水中的腐蝕是一種受銹層加速的腐蝕；因此反滲透產(chǎn)水管道（工業(yè)水管）的防腐工作應(yīng)從抑制具有腐蝕加速能力銹層的產(chǎn)生入手。

通過增加反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度（緩沖性能），提高其pH值，能夠改變銹層特性，從而根本上降低管道腐蝕。對(duì)反滲透產(chǎn)水的重新礦化可以通過讓其緩慢流過填充白云石、石灰石粉等礦化物的過濾床來實(shí)現(xiàn)。

本文通過實(shí)驗(yàn)室添加NaHCO3、CaCl2藥劑來調(diào)節(jié)反滲透產(chǎn)水的堿度及硬度，之后進(jìn)行碳鋼168h掛片，結(jié)果見表3。

表3 不同水質(zhì)下碳鋼腐蝕速率

如表3所示，提高反滲透產(chǎn)水緩沖性的方法可以有效降低其腐蝕性，減緩其對(duì)碳鋼管材的腐蝕；特別是當(dāng)堿度大于1mmol/L、Ca2+離子大于0.5mmol/L后，緩蝕作用顯著。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過控制反滲透產(chǎn)水流經(jīng)礦化床的流速，并同時(shí)加入CO2、H2SO4等助溶劑的方法，使反滲透產(chǎn)水達(dá)到預(yù)設(shè)的礦化要求。

另外，對(duì)反滲透產(chǎn)水管道（工業(yè)水管）采用更耐蝕的材料也是一種解決辦法。本文對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了168h的動(dòng)態(tài)掛片，結(jié)果見圖9。