林新源

（中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司）

0 引言

火力發(fā)電廠需要大量介質(zhì)對(duì)各種設(shè)備，主要是凝汽器等輔機(jī)進(jìn)行冷卻，主要的冷卻介質(zhì)是水和空氣?？绽錂C(jī)組因?yàn)橥顿Y大、廠用電高，并需要占用大量土地，因此一般用于干旱地區(qū)的小機(jī)組，更多的電廠使用水作為冷卻介質(zhì)。河水資源豐富的地方，一般使用河水作為冷卻介質(zhì)，有利于降低投資成本；或者建造冷凝塔，經(jīng)過冷卻后的淡水繼續(xù)回到電廠進(jìn)行冷卻。對(duì)于海濱地區(qū)，廣袤的大海提供了大量的海水可用于冷卻。但是，因海水中含有大量的各種鹽，是一種電解質(zhì)溶液，腐蝕性很強(qiáng)。因此，對(duì)于使用海水作為冷卻介質(zhì)的電廠，防海水腐蝕是一個(gè)非常重要的課題。本文主要結(jié)合海邊電廠建造及使用經(jīng)驗(yàn)，分析循環(huán)冷卻海水管道的材料選用。

1 海水腐蝕機(jī)理

要分析海水管道的應(yīng)用，首先需要了解海水的腐蝕機(jī)理。海水含有大量的各種鹽類，濃度達(dá)到3%～4%之間，是一種具有很強(qiáng)腐蝕性的電解質(zhì)溶液，導(dǎo)電性和生物活性也較高。海水的腐蝕過程比較復(fù)雜，對(duì)于不同的海域，海水的成分及離子濃度千差萬別，因此其腐蝕性及腐蝕規(guī)律也不盡相同。對(duì)于大多數(shù)金屬來說，其本身防腐蝕的原理是表面形成一層致密的穩(wěn)定的氧化膜，即鈍化膜，使金屬與外界介質(zhì)隔絕而不再受到腐蝕。但是海水中含有大量的氯離子Cl，Cl是一種強(qiáng)還原性陰離子，其與氧化膜中的金屬離子結(jié)合形成可溶解的氯化物，因此對(duì)金屬氧化膜的破壞性很大，裸露出來的金屬在海水中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕：在電解質(zhì)溶液的存在下，金屬本體與金屬中的微量雜質(zhì)構(gòu)成了一個(gè)短路小電池，即局部電池，金屬表面由于局部電池的形成而引起了腐蝕。具體來說，是由于金屬成分的不均勻性，導(dǎo)致不同的成分之間發(fā)生了吸氧腐蝕（一種電化學(xué)腐蝕）：在腐蝕介質(zhì)中，由于溶解氧的作用而引起的腐蝕。當(dāng)金屬發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)，F(xiàn)e是局部電池的陽極，金屬中的雜質(zhì)為溶解于水中的氧提供了反應(yīng)的界面，充當(dāng)了陰極。反應(yīng)式如下：

因此，碳鋼在海水中的電化學(xué)反應(yīng)通常受氧擴(kuò)散速度控制，供氧充分，腐蝕速度則快。

2 管道材質(zhì)分析

下面分析幾種電廠里常用的海水輸送管道的防腐原理、使用要求及優(yōu)缺點(diǎn)等。

2.1 316L不銹鋼管道

鑒于以上的腐蝕機(jī)理，首先想到的是使用不銹鋼管道。普通不銹鋼，如304，可耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)，其防腐蝕機(jī)理是不銹鋼表面的鉻與氧反應(yīng)生成了鈍化膜Cr2O3。鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動(dòng)平衡狀態(tài)，防止基材進(jìn)一步地氧化。但是海水中含有的大量氯離子把鈍化膜中的氧原子排擠掉，與鉻陽離子結(jié)合生成可溶性氯化物，鈍化膜的動(dòng)平衡受到破壞，溶解占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致在新露出的基材金屬上生成小蝕坑，即點(diǎn)蝕。一些海邊電廠項(xiàng)目在海水管道中使用了316L不銹鋼，依據(jù)是316L中增加了2%～3%的Mo，Mo的存在一定程度上有助于抵抗氯離子的侵蝕。Ni和Cr的含量也較高，其防腐性能得到了提高。但是316L防腐機(jī)理和304基本是一樣的，因此并不耐富含氯離子海水的腐蝕，容易出現(xiàn)孔蝕而產(chǎn)生泄露。這對(duì)于間歇性流通海水的管道尤為明顯，如嶺澳核電站旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的反沖洗管道使用316L管道，運(yùn)行不到一年即出現(xiàn)孔蝕泄露，最后不得不更換為其他材料。這是因?yàn)樵阝g化膜被破壞處形成了小蝕孔，生成的金屬氯化物在存留的海水中富集，使金屬表面活性增加，加上氯化物水解導(dǎo)致PH值降低，進(jìn)一步加速了腐蝕的進(jìn)行。而在海南的東方電廠和西部電廠，316L管道被用于輸送循環(huán)水泵電機(jī)冷卻海水。海南地區(qū)因河流入?？谳^多，海水含氯離子本來就較低，電機(jī)冷卻海水管道內(nèi)海水處于長期流動(dòng)狀態(tài)，腐蝕產(chǎn)生的金屬氯化物被及時(shí)沖走，不易富集在腐蝕區(qū)域，腐蝕的進(jìn)程相對(duì)就比較緩慢。因此這兩個(gè)電廠的316L管道已使用3～5年還處于穩(wěn)定狀態(tài)。總的來說，316L實(shí)際并不適合使用在海邊電廠的冷卻海水輸送管道，特別是間歇性流通海水的管段。

2.2 雙相不銹鋼管道

雙相不銹鋼是指鐵素體與奧氏體各約占50%的不銹鋼。雙相不銹鋼2205與316L奧氏體不銹鋼相比，含鉻量更高，并含有鎳氮合金成分，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高，具有優(yōu)良的耐孔蝕性能。因此雙相不銹鋼近年來使用范圍不斷的擴(kuò)大。這當(dāng)然也得益于產(chǎn)量的提高和技術(shù)的成熟，使其價(jià)格不斷降低。對(duì)于海邊電廠來說，與海水接觸的設(shè)備部件，例如海水泵、閥門等，越來越多使用2205。對(duì)于海水冷卻管道，得益于2205價(jià)格的降低，部分需要高強(qiáng)度的管道管件（例如架空、承受沖擊等）或小管徑管道，如果輸送海水是常流通的且溫度不高，也可以使用2205，作為對(duì)其他材質(zhì)海水冷卻管道的補(bǔ)充。但是無論從抗腐蝕性還是經(jīng)濟(jì)性來說，都不適合作為主要材料大量使用。因?yàn)殡p相不銹鋼的防腐蝕機(jī)理和316L其實(shí)也是一樣的，只是抗腐蝕能力比316L更強(qiáng)。

根據(jù)西安建筑科技大學(xué)的研究，在濃度為3.5%的NaCl中性溶液中（近似于海水中氯離子濃度），把溶液溫度從15℃提高到70℃時(shí)，2205就會(huì)從無明顯腐蝕變?yōu)橹饾u加速出現(xiàn)點(diǎn)蝕，說明了溫度對(duì)2205的腐蝕性能影響很大。這是因?yàn)闇囟鹊纳呤谷芤褐械碾x子和電子活度增加，與2205鈍化膜的反應(yīng)速率增加，導(dǎo)致鈍化膜的動(dòng)平衡被破壞，溶解占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。因此使用2205管道輸送的海水溫度不能太高。

事實(shí)上，有些金屬對(duì)海水有很強(qiáng)抗腐蝕性，例如鈦、哈氏合金C-276等，但因?yàn)閮r(jià)格過于昂貴，從經(jīng)濟(jì)性考慮，并不適合用于海邊電廠循環(huán)冷卻水管道。

2.3 鋼襯膠管道

因?yàn)楹Ｋ新入x子對(duì)金屬的強(qiáng)腐蝕性，一味地使用高防腐等級(jí)的金屬，不但會(huì)大大提高成本，還不一定能達(dá)到預(yù)期的效果。因此可以用抗海水腐蝕的非金屬覆蓋層把海水與金屬管道分隔開來。使用覆蓋層防止金屬腐蝕時(shí)，覆蓋層需要結(jié)構(gòu)緊密，完整無孔，不透海水，并且與金屬管道有良好的結(jié)合力。由此產(chǎn)生了鋼襯膠管道：以普通碳素鋼管作為基礎(chǔ)，使用粘合劑把耐海水腐蝕的橡膠粘貼于鋼管內(nèi)壁作為里層，通過橡膠把海水與碳鋼分隔開來，從而達(dá)到防腐的要求。通過襯膠，管道既有了鋼管的強(qiáng)度，也有了橡膠耐海水的性能，并且在機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)候，抗海水沖擊的能力較強(qiáng)。因外壁為鋼材，露天布置時(shí)，也不會(huì)受到紫外線照射而老化，外壁噴涂防腐油漆即可。如果是埋地管，還應(yīng)增加陰極保護(hù)措施。但是鋼襯膠管道一般都是由人工把橡膠板粘貼在鋼管內(nèi)壁，因此鋼管的直徑要求比較大。這限制了鋼襯膠管道在海水輸送方面的應(yīng)用。在制作過程中，對(duì)橡膠粘貼施工要求高，一旦有細(xì)微空洞，管道很快就會(huì)腐蝕泄露。而且鋼管連通部位需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行焊接，因此需要把焊接部位預(yù)留出來，不能襯膠，現(xiàn)場焊接后再補(bǔ)充襯膠，這增大了現(xiàn)場施工量。即便制作及施工質(zhì)量方面都比較好，內(nèi)襯橡膠板時(shí)間長了還是存在脫落現(xiàn)象，因此鋼襯膠管道的使用壽命一般不超過10年，這對(duì)于機(jī)組30年乃至50年的壽命來說，是不足夠的，以后存在更換的問題。

2.4 玻璃鋼管道

因?yàn)樘间撘资芎Ｋg，耐海水的合金鋼價(jià)格又太高，因此使用非金屬管道是一個(gè)良好的選擇。玻璃鋼管道是一種以耐腐蝕樹脂（乙烯基樹脂和鄰苯型樹脂）為基體，通過玻璃纖維增加強(qiáng)度的非金屬管道。制作過程是：先制作與所需管道內(nèi)徑尺寸一致的模具，把模具固定在專門的旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，混合了樹脂的玻璃纖維沿著軸線方向不斷移動(dòng)纏繞在模具上，直至所需壁厚。樹脂固化后，結(jié)構(gòu)致密光滑，既耐海水腐蝕，海水流動(dòng)的壓降也小。但玻璃鋼管道的強(qiáng)度比相同壁厚的碳鋼管道要低，不斷增加壁厚的話會(huì)大大增加管道自身重量，令管道因自重而變形。為了增加管道的強(qiáng)度，同時(shí)不增加管道自身重量，并降低成本，每隔一段距離增加纏繞從而形成加強(qiáng)筋，成為加筋玻璃鋼管道。玻璃鋼管道的管徑覆蓋范圍很大，用于核電廠的管道直徑可超過5m，小管道直徑可以只有幾十毫米。玻璃鋼管道長度可達(dá)12m，接口采用承插式拼接，大大減少了現(xiàn)場的施工量。玻璃鋼管道的成本比鋼襯膠管道低，而且因?yàn)闃渲皇芎Ｋg，使用壽命可達(dá)50年，滿足發(fā)電機(jī)組的全壽命要求，免去了后期更換的成本與工作。但是因?yàn)闃渲?jīng)受日曬雨淋老化較快，特別是在低緯度日照充足地區(qū)，露天布置的海水輸送管道并不適合使用玻璃鋼管道。因此玻璃鋼管道一般用于埋地布置的海水輸送管段。而玻璃鋼管道的強(qiáng)度較低，因此對(duì)于地基的處理及回填夯實(shí)要求較高，對(duì)于承受沖擊的部位還需建造支墩加固。電廠的布置比較緊湊，而主循環(huán)水管道直徑動(dòng)輒二、三米以上，一般都采用埋地布置以節(jié)省場地，因此，玻璃鋼管道大量用于電廠海水主循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

2.5 聚乙烯（PE）管道

與玻璃鋼管類似，聚乙烯（PE）管道是利用聚乙烯樹脂的抗海水腐蝕性能制造的非金屬管道。聚乙烯是由乙烯單體經(jīng)聚合而生成的一種飽和分子團(tuán)結(jié)構(gòu)熱塑性樹脂，化學(xué)穩(wěn)定性極高。通過擠壓加熱后的聚乙烯而制成純PE管道。給水用PE管道柔韌性好，流體壓降小，不受海水腐蝕。但是純PE管由于材質(zhì)限制，一般承受最高的壓力只有1.6MPa，而且徑向承受負(fù)載能力較低，管徑一般最大只有600mm左右，否則因壁厚增加導(dǎo)致自重太大而變形，成本也比較高，因此在電廠海水輸送系統(tǒng)中應(yīng)用較少。為了增加純PE管道的強(qiáng)度，需要在管道中加入增強(qiáng)材料，鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管就是比較常見的增強(qiáng)PE管道。

2.6 鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管道

鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管是以聚乙烯為基體，鋼絲焊接而成的鋼絲網(wǎng)為增強(qiáng)體的管道。鋼絲在生產(chǎn)設(shè)備上連續(xù)纏繞焊接成管狀鋼絲網(wǎng)（網(wǎng)格密度由管道的管徑及強(qiáng)度要求確定），加熱后的熔融態(tài)高密度聚乙烯（混入一定比例的炭黑）在生產(chǎn)線上連續(xù)擠出，澆筑在焊接后的鋼絲網(wǎng)上成為成品管道。鋼絲網(wǎng)包裹在聚乙烯中，提高了管材的剛性、強(qiáng)度、抗開裂等物理性能。根據(jù)美國芝加哥BROUTMAN實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果，鋼骨架塑料復(fù)合管的抗蠕變能力和破壞強(qiáng)度大大高于同尺寸的純塑料管，因此所承受的流體壓力也大大提高。例如，對(duì)于DN200、壁厚12mm，聚乙烯管道的公稱壓力為PN1.0MPa，而鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管可達(dá)1.6MPa。同時(shí)，鋼骨架塑料復(fù)合管擁有塑料管一樣的耐海水腐蝕性能，比鋼管光滑，輸送流體的壓降小，不易附著異物，而且無論室內(nèi)、埋地還是露天布置都可以。室內(nèi)及埋地布置壽命可達(dá)50年以上，露天的話根據(jù)日照情況壽命有所縮短，但因加入了炭黑防紫外線，壽命也可達(dá)20～30年以上。有一點(diǎn)需要特別注意的是，鋼骨架塑料復(fù)合管和金屬管道相比，管件比較粗大，因此需要更大的布置空間和施工空間，管道上需要安裝閥門和測(cè)量儀表的話，情況就更為突出，這一點(diǎn)有時(shí)候會(huì)被布置設(shè)計(jì)人員忽略，導(dǎo)致部分管段施工困難，甚至不得不更換為金屬管道。和聚乙烯管道一樣，鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管的管徑一般最大也只有600mm左右。鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管經(jīng)常被用于海邊電站的輔機(jī)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，例如：制氯設(shè)備、海水淡化設(shè)備供水，換熱器、各類電機(jī)循環(huán)冷卻等。

3 結(jié)束語

因?yàn)楹Ｋ膹?qiáng)腐蝕性，加上電廠的復(fù)雜應(yīng)用條件，海水管路無法簡單的只使用一種材質(zhì)。在設(shè)計(jì)使用海水作為電廠循環(huán)冷卻水的管路系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行海水水質(zhì)的分析，再根據(jù)流量需求，布置的位置，場合大小來確定不同管段材質(zhì)的應(yīng)用。對(duì)于埋地大口徑管路，如主循環(huán)水管，應(yīng)首先考慮使用玻璃鋼管。如果是露天布置或地質(zhì)條件較差的大口徑管路，則應(yīng)考慮使用鋼襯膠管道，但是壽命較短，價(jià)格也比玻璃鋼管要高。而對(duì)于小口徑（DN600及以下）的支管段，應(yīng)優(yōu)先考慮使用鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管，壽命長而且露天或埋地安裝均可。對(duì)于小部分受空間限制，較短長度上需安裝儀表較多的管路，因非金屬管道無法開孔焊接支管，只能通過三通安裝，因此無法在較短管路上安裝較多的儀表。如果無法更改布置方案，就只能使用金屬管道了。材質(zhì)方面至少需要使用雙相不銹鋼2205，設(shè)計(jì)上要便于更換，不是常流通的還應(yīng)設(shè)置疏水支管。

如上所述，電廠的應(yīng)用條件非常復(fù)雜，以上是根據(jù)理論分析、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合得出的使用原則，一些特殊的管路還需根據(jù)實(shí)際使用條件及要求多方面進(jìn)行綜合考慮。