賈 蘭， 楊振森， 劉興華， 肖海剛， 黃萬啟， 張洪博

(1. 國能寧東第二發(fā)電有限公司， 寧夏 銀川 750000； 2. 西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 前 言

SCAL 型間冷系統(tǒng)已成為我國北方地區(qū)新建火電機組的主力機型[1-4]，該機組散熱器采用1050A 純鋁制成，運行中循環(huán)水流經(jīng)壁厚1 mm 的鋁管，鋁管外包裹有鋁制翅片，通過空氣對循環(huán)水進行冷卻。 系統(tǒng)運行過程中，散熱器鋁管管口的腐蝕問題一直困擾該類型間冷系統(tǒng)[5-9]。 趙長江[5]、李靜平等[7]、彭曉軍[10]、湯自強等___[11]分別報道了這一現(xiàn)象，部分學者認為純鋁制成的散熱器與碳鋼管道之間存在電連接，會引發(fā)碳鋼和純鋁之間的電偶腐蝕，導致鋁管管口腐蝕加速；也有部分學者認為是由沖刷腐蝕導致的，該位置的腐蝕類型目前尚無定論。

該機組循環(huán)水系統(tǒng)采用除鹽水作為補充水，但是在運行過程中常出現(xiàn)pH 值異常升高和懸浮物增多的現(xiàn)象，這都可能對材料腐蝕產(chǎn)生不利影響[11-14]。 散熱器結構、材質(zhì)和運行工況均根據(jù)機組散熱需求而設定，對于電廠化學運行人員而言，這些參數(shù)均無法調(diào)整和優(yōu)化。 化學運行人員僅能通過對循環(huán)水水質(zhì)的監(jiān)測和調(diào)整減緩材料腐蝕。 但是鋁管管口腐蝕與這些水質(zhì)異?，F(xiàn)象之間是否有直接關聯(lián)尚不清楚[10，15-17]，運行人員在散熱器腐蝕防護時無理論依據(jù)參考，防腐存在盲目性。

本工作旨在闡明SCAL 型間冷系統(tǒng)鋁管管口的腐蝕類型，研究水質(zhì)異?，F(xiàn)象對管口腐蝕的加速作用，為電廠化學運行人員提供指導。 為了闡明這些問題，本工作通過對該類型間冷系統(tǒng)散熱器結構進行分析和現(xiàn)場調(diào)研，總結管口發(fā)生腐蝕的鋁管分布位置規(guī)律，觀察管口腐蝕形貌；通過X 射線衍射光譜(XRD)分析循環(huán)水中懸濁物成分，結合實驗室模擬試驗，最終闡明了SCAL 型間冷系統(tǒng)冷卻三角鋁管端口腐蝕類型及其關鍵水質(zhì)影響因素。

1 試 驗

1.1 試驗材料

實驗室模擬試驗使用SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器備品鋁管作為試驗材料，依據(jù)GB/T 20975.25-2008 對其材質(zhì)進行分析，結果如表1 所示。 試驗鋁管符合1050A純鋁材質(zhì)要求。

表1 試驗用鋁管化學成分檢驗結果(質(zhì)量分數(shù)) %Table 1 Chemical compositions of pure aluminum studied (mass fraction) %

1.2 現(xiàn)場調(diào)研

為了分析SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕規(guī)律，對3 家使用該類型機組的發(fā)電廠(A 廠、B 廠和C廠)散熱器鋁管管口腐蝕情況進行檢查，重點觀察和分析散熱器鋁管管口腐蝕情況、管口腐蝕形貌、腐蝕與集水箱結構之間的關系，同時對該類型發(fā)電廠常見的水質(zhì)異常現(xiàn)象進行調(diào)研。

1.3 材料表征

使用INSPECT F50 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察管口表面微觀腐蝕形貌。 使用Rigaku-D/max 2000PC 衍射儀進行XRD 測試，分析懸浮物物相。XRD 測試靶材為銅靶，電流300 mA，電壓50 kV，測試角度為5°～55°，步長為0.02°，掃描速度4 (°)/min，連續(xù)掃描采集數(shù)據(jù)。

1.4 實驗室模擬試驗

為了對比高懸浮物和高pH 值2 種水質(zhì)異?，F(xiàn)象對鋁管管口腐蝕行為的影響，在實驗室利用如圖1 所示的裝置進行模擬試驗。 模擬裝置中沖刷模擬組件以SCAL 型間冷系統(tǒng)鋁管備件作為試驗樣品，模擬組件的內(nèi)部結構參考現(xiàn)場鋁管使用環(huán)境設計，能夠更加真實地模擬出系統(tǒng)運行期間鋁管管口位置的水流流態(tài)，水流以45°的角度沖刷鋁管管口位置，該裝置用于研究45°方向沖刷條件下鋁管的腐蝕行為。

圖1 實驗室沖刷腐蝕模擬裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of laboratory erosion simulation device

模擬試驗參考現(xiàn)場實際運行流速，鋁管內(nèi)循環(huán)水流量控制在2.2 t/h(流速為1.5 m/s)。 試驗過程中使用氨水調(diào)節(jié)試驗模擬液pH 值，通過添加分析純Fe3O4粉末模擬循環(huán)水中的懸浮物。

2 結果與討論

2.1 SCAL 型間冷散熱器結構分析

SCAL 型間接空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器，散熱器采用垂直方式布置，系統(tǒng)主要構成及材料組成情況如圖2 所示。 系統(tǒng)運行過程中循環(huán)水進入表面式凝汽器的水側通過表面換熱，受熱后的循環(huán)水由循環(huán)水泵送至間冷塔，通過空冷散熱器與空氣進行表面換熱，冷卻后再返回凝汽器冷卻汽輪機排汽，構成了閉式循環(huán)。系統(tǒng)中空冷散熱器由底部集水箱、鋁管管束和頂部集水箱構成，材質(zhì)全部為1050A 純鋁，其基本結構如圖3所示。 鋁管管束共4 排，其中兩排鋁管中水流方向朝上，本文中稱為上水鋁管，兩排鋁管中水流方向朝下，本文中稱為下水鋁管，如圖3b 所示，每排鋁管有40根。 循環(huán)水管道和地下水箱等均采用Q235B 制作。

圖2 SCAL 型間冷系統(tǒng)結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of SCAL indirect air-cooling system

圖3 空冷散熱器基本結構及材質(zhì)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of basic structure and materials for air-cooling radiator

底部集水箱內(nèi)部結構示意圖如圖4 所示，底部集水箱分熱水側(進水側)和冷水側(出水側)，中間用隔板分開。 底部集水箱進水側的作用是將管道輸送來的循環(huán)水分布到鋁管管束中的兩排上水鋁管，循環(huán)水冷卻后，經(jīng)頂部集水箱折返向下，流經(jīng)兩排下水鋁管繼續(xù)冷卻，下水鋁管中的水再由底部集水箱出水測匯集后流入循環(huán)水管道，完成整個散熱冷卻過程。 底部集水箱進水口有一半被擋板遮擋(如圖4c 所示)，部分水流受到擋板遮擋而改變流向，水流沿著進水口上方的變徑進入集水箱進水側，變徑的延長線正對9 號和16 號鋁管， 17 號和18 號鋁管位置與進水管出口處夾角在45°附近(如圖4b 所示)。 鋁管管束與底部集水箱的連接位置局部示意圖如圖5 所示，集水箱和鋁管之間隔有橡膠密封圈，防止兩者硬接觸，而后通過下集水箱外的勒條將三者壓緊，起到密封作用。 鋁管管口發(fā)生腐蝕后，一旦鋁管管口破損超過密封圈，循環(huán)水就會向外泄漏。

圖4 底部集水箱內(nèi)部結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram for interior structure of bottom collecting tank

圖5 SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口局部結構Fig. 5 Local structure of the aluminum pipe orifice in the radiator of SCAL indirect air-cooling system

2.2 鋁管管口腐蝕情況現(xiàn)場調(diào)研結果

本研究調(diào)研了A 、B、C 3 家使用SCAL 型間冷系統(tǒng)且機組容量相同的電廠，3 家電廠的投運時長較為接近，而且散熱器材質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及結構基本相同，檢查結果表明3 家電廠的散熱器某些鋁管的管口均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。 發(fā)生管口腐蝕現(xiàn)象的鋁管均分布于底部集水箱入口兩側附近，3 家電廠的第17、18 根鋁管管口腐蝕均相對其他位置鋁管管口更嚴重，距離進水口較遠的鋁管管口無明顯腐蝕現(xiàn)象，管口存在腐蝕的鋁管相對分布位置關系如圖6 所示。 由此可見，散熱器中鋁管管口腐蝕均發(fā)生在迎水流方向或水流方向改變較大的部位，與循環(huán)水流向具有顯著的關聯(lián)性；3 家電廠第17 號、18 號和38 號鋁管管口的宏觀形貌對比情況如圖7 所示，可以看出B 廠的腐蝕現(xiàn)象較嚴重，A 廠腐蝕現(xiàn)象較輕。

圖6 散熱器中管口腐蝕鋁管的相對位置關系Fig. 6 The relative position of corroded aluminum tube in the radiator

圖7 散熱器鋁管管口腐蝕情況對比Fig. 7 Corrosion comparison of radiator aluminum pipe orifice

為了進一步分析鋁管管口的腐蝕環(huán)境，對散熱器底部集水箱與碳鋼管道連接部位基本結構及腐蝕情況進行分析，其基本結構如圖8 所示。 碳鋼輸水管道與鋁制集水箱之間使用不銹鋼膨脹節(jié)連接，并且碳鋼法蘭、不銹鋼膨脹節(jié)和鋁制集水箱底部之間均有絕緣墊片，連接螺栓均有絕緣套筒，3 種金屬之間并未電連接，間冷循環(huán)水電導率普遍＜5 μS/cm，導電能力較差，該位置不存在電偶腐蝕的基本條件；而且電偶腐蝕一般影響區(qū)域為接觸區(qū)附近，從圖4c 可以看出鋁制集水箱進水口與不銹鋼膨脹節(jié)距離最近的位置并未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象。 綜上，SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕不是由電偶腐蝕導致的。

圖8 散熱器底部集水箱與碳鋼管道連接部位基本結構及腐蝕情況Fig. 8 Basic structure and corrosion of the connection part between the bottom of radiator collecting tank and carbon steel pipe

對B 廠散熱器第17 根鋁管管口位置取樣，進行微觀腐蝕形貌分析，結果如圖9 所示。 圖9a～9d 分別展示了4 處鋁管管口腐蝕區(qū)域的形貌。 從圖中可以看出，腐蝕形貌呈現(xiàn)凹谷、淚滴狀和馬蹄狀，具有典型的沖刷腐蝕的特征。 結合散熱器腐蝕鋁管分布規(guī)律及異種金屬接觸情況的分析，SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕屬于沖刷腐蝕。

圖9 鋁管管口破損區(qū)域坑底表面微觀形貌Fig. 9 Microstructure of bottom surface of damaged area of aluminum pipe orifice

2.3 SCAL 型間冷系統(tǒng)常見水質(zhì)問題分析

沖刷腐蝕[11]是機械沖刷和電化學腐蝕交互作用的結果，該種類型的腐蝕受到材質(zhì)本身的耐蝕性、水流流態(tài)和循環(huán)水水質(zhì)。 SCAL 型間冷系統(tǒng)為了滿足其散熱功能，散熱器材質(zhì)均選擇1050A 純鋁，散熱器結構、尺寸和生產(chǎn)工藝基本相同。 為了滿足機組蒸汽冷凝的需要，同等發(fā)電容量機組的間冷循環(huán)水的流量也基本相同。 散熱器底部集水箱的特殊結構使得在相同水質(zhì)條件下散熱器不同位置的鋁管管口呈現(xiàn)出不同的腐蝕速率。 這些因素是沖刷腐蝕的重要影響因素，但是對于已經(jīng)建成的機組這些因素已經(jīng)難以改變，電廠化學運行人員無法對這些影響因素進行控制和干預。

在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，3 家使用SCAL 型間冷系統(tǒng)的電廠，在材料和水流流態(tài)基本相同的情況下，3 家鋁管管口腐蝕的嚴重程度有明顯差異，這說明不同機組的循環(huán)水水質(zhì)能夠?qū)_刷腐蝕的發(fā)展產(chǎn)生一定影響。 闡明關鍵的水質(zhì)影響因素能夠為電廠化學運行人員提供指導，減緩甚至避免散熱器管口發(fā)生腐蝕和泄漏現(xiàn)象，對于已經(jīng)建成投運的SCAL 型電廠更具現(xiàn)實意義。

SCAL 型間冷系統(tǒng)使用除鹽水做補充水，運行過程為密閉循環(huán)，運行過程中循環(huán)水中雖然存在雜質(zhì)離子但是一般不大于1 mg/L。 該類型間冷系統(tǒng)運行過程中常存在的水質(zhì)問題是水中懸浮物偏高和pH 值異常升高，A、B、C 3 家電廠運行過程中均出現(xiàn)過類似的水質(zhì)問題，但是出現(xiàn)水質(zhì)異常的時間及嚴重程度均不相同，難以比較。 本研究中通過實驗室模擬試驗的方式就循環(huán)水懸浮物高和pH 值異常升高2 項水質(zhì)因素對鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用進行研究。

為了闡明SCAL 型間冷系統(tǒng)中懸浮物主要成分和來源，本研究中采用0.45 μm 濾膜對B 廠間冷循環(huán)水進行過濾，在40 ℃烘干后得到懸浮物的粉末樣品，通過XRD 分析該懸浮物的成分如圖10 所示。 在過濾過程中測量了間冷循環(huán)水中懸浮物含量，結果為15.78 mg/L。 XRD 結果表明懸浮物的主要成分為鐵的氧化物γ-FeOOH(約占57%)和Fe3O4(約占43%)。

圖10 間冷系統(tǒng)循環(huán)水中懸浮物的XRD 測試結果Fig. 10 Suspended solids in circulating water of intercooling system and XRD test results

大部分間冷系統(tǒng)碳鋼內(nèi)表面未做防腐處理，觀察間冷系統(tǒng)地下水箱人孔內(nèi)壁形貌和間冷系統(tǒng)循環(huán)水管道內(nèi)壁形貌可以看出，碳鋼表面附著有橘黃色的腐蝕產(chǎn)物，因此判斷循環(huán)水中鐵氧化物主要來源于碳鋼管道、水箱內(nèi)壁的腐蝕，水中懸浮物主要是碳鋼管道腐蝕脫落形成的。

SCAL 型間冷系統(tǒng)運行過程中普遍存在pH 值異常升高現(xiàn)象，中性的循環(huán)水pH 可逐漸升高至8.5，部分機組最高可達9.5[15]。

2.4 實驗室模擬試驗

本研究中分別進行高pH 值低懸浮物條件和高懸浮物中性pH 值條件下的沖刷腐蝕模擬試驗，通過對比2 種試驗條件下鋁管腐蝕情況闡明加速鋁管管口沖刷腐蝕的關鍵水質(zhì)因素。

為了模擬高pH 值條件下鋁管管口腐蝕情況，本研究中使用分析純氨水調(diào)節(jié)循環(huán)水pH 值至9.50±0.15，水質(zhì)參數(shù)見表2。 模擬試驗進行8 d 后，將裝置中鋁管取出，觀察管口的腐蝕情況。 鋁管管口端面宏觀腐蝕形貌如圖11 所示。

圖11 高pH 值無懸浮物條件下模擬試驗結果Fig. 11 Simulated experiment results with high pH and without suspended solids

表2 模擬試驗循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)Table 2 Simulation test circulating water quality parameters

從圖中可以看出，在45°水流沖刷模擬試驗后，鋁管管口的迎水面內(nèi)壁出現(xiàn)了明顯的腐蝕坑，鋁管邊緣也出現(xiàn)了缺口。

模擬試驗結果表明，在pH ＝9.5 的條件下，即使用循環(huán)水中懸浮物很少，高pH 值與水流沖刷協(xié)同作用也能夠?qū)е落X管快速腐蝕。

根據(jù)調(diào)研結果，間冷循環(huán)水中懸浮物主要包括γ-FeOOH和Fe3O4，其中γ-FeOOH 屬于膠體類物質(zhì)，硬度較低[18-20]，而Fe3O4固體硬度較大[21]，理論上硬度更大的Fe3O4對沖刷腐蝕影響更大。 模擬試驗中將Fe3O4粉末加入模擬裝置中，為了加速試驗效果，試驗過程中將懸浮物濃度調(diào)節(jié)為150 mg/L，試驗過程中不調(diào)控pH值(實測值為7.2～7.4)，其他運行參數(shù)均與高pH 值無懸浮物條件時相同。 模擬試驗運行8 d 后將鋁管取出，鋁管管口形貌如圖12 所示。從圖中可以看出，鋁管管口邊緣整齊，無任何缺口或腐蝕現(xiàn)象。 通過對比可知，在相同的試驗試驗時間下，高pH 低懸浮物的水質(zhì)條件對鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用更強，在極端條件下pH 值異常升高至9.5 后可導致鋁管管口在短時間內(nèi)發(fā)生破壞性腐蝕。

圖12 高懸浮物正常pH 條件下腐蝕模擬試驗結果Fig. 12 Simulated results with high suspended matter content and normal pH

2.5 SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕機理分析

根據(jù)本研究中現(xiàn)場調(diào)研和實驗室模擬試驗結果對SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕機理分析如下:散熱器下集水箱特殊的結構導致集水箱進水管口上方左右兩側的鋁管受到較強烈的水流沖擊，會發(fā)生沖刷腐蝕(如圖13a 所示)。 系統(tǒng)運行期間，循環(huán)水中的懸浮物，主要是鐵的腐蝕產(chǎn)物，對沖刷腐蝕有一定的加速作用(如圖13b 所示)。 循環(huán)水pH 值升高至9.5 左右時，鋁管以及鋁管表面氧化膜在較強的堿性溶液中發(fā)生腐蝕溶解，高pH 值不僅破壞了鋁管表面原有的鈍化膜，同時阻止了在鋁管表面形成新的鈍化膜，因此循環(huán)水pH 值異常升高對于鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用更強，具有更強的破壞性(如圖13c 所示)。 在水流沖擊和高pH 值的協(xié)同作用下，特定位置的鋁管管口可發(fā)生較快的腐蝕破壞(如圖13d 所示)。

圖13 間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口快速腐蝕機理示意圖Fig. 13 Schematic diagram of the corrosion mechanism of radiator aluminum pipe orifice in indirect air-cooling system

3 結 論

對SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕問題展開研究，結果表明散熱器中鋁管管口腐蝕均發(fā)生在迎水流方向或水流方向改變較大的部位，與流向具有顯著的關聯(lián)性，且微觀形貌呈現(xiàn)沖刷腐蝕特征，該位置腐蝕類型為沖刷腐蝕。 在SCAL 型間冷系統(tǒng)常見的水質(zhì)異常條件中，pH 值異常升高對鋁管管口的加速作用更高， 循環(huán)水pH 值升高至9.5 后對鋁管管口具有較強的破壞性，可在短時間內(nèi)導致鋁管管口位置發(fā)生腐蝕破壞，加速管口沖刷腐蝕的關鍵水質(zhì)影響因素。 在SCAL型間冷系統(tǒng)運行過程中，運行人員應按時監(jiān)測循環(huán)水pH 值，必要時可通入酸性氣體(如CO2)或陽床處理降低及時降低循環(huán)水pH 值。