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滨海电厂水系统碳钢管道的腐蚀控制

2018-05-17 11:07:10
作者:本网整理
来源:腐蚀与防护

随着淡水资源的日益短缺,我国几乎所有的滨海电厂均设计从海水中获取工业生产用水;即采用海水作为循环冷却水,以海水反渗透产水作为全厂所需淡水。然而,目前有关火电厂输水管

    随着淡水资源的日益短缺,我国几乎所有的滨海电厂均设计从海水中获取工业生产用水;即采用海水作为循环冷却水,以海水反渗透产水作为全厂所需淡水。然而,目前有关火电厂输水管道在海水及反渗透产水中腐蚀差异却鲜见报道。


    今天,我们就将对比研究碳钢在海水和水反渗透产水中的腐蚀差异,以期更好地分析工业水管在服役环境中的腐蚀原因,并探索滨海电厂水系统碳钢管道的有效防腐蚀方法。


    试样及试剂


    Q235A碳钢

    尺寸为40×13×2mm

    试样表面用金相砂纸(0~6号)逐级打磨后待用;


    电化学用试样除了1平方厘米工作面外,其余部分采用环氧树脂封装;


    试验溶液为取自该电厂的海水、反渗透产水水样,见表1。


    表1 海水及反渗透产水主要水质指标

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    试验方法


    失重试验

    锈层表征

    电化学试验


    结果与讨论


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图1 管材内壁锈层形貌


    如图1所示,海水管道内壁附有较致密锈层,管材腐蚀情况相对较轻;而工业水管内壁形成有较厚且疏松锈层,管厚减薄现象严重。


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图2 试样在不同溶液中的腐蚀速率

随时间曲线


    由图2可见,碳钢在海水及反渗透产水中的腐蚀过程截然不同。海水反渗透产水对碳钢的侵蚀破坏比海水更强;若无合适的防腐蚀手段,碳钢管在反渗透产水中不耐蚀。这一结果也与图1所示的电厂管道腐蚀现象一致。


    开始浸泡时,碳钢在海水中腐蚀速率(约2.4mm/a)远大于反渗透产水中腐蚀速率(约0.5mm/a);这是因为此时溶氧供应充足,碳钢腐蚀速率由具有腐蚀加速作用的氯离子浓度控制。之后,随着浸泡时间的延长,碳钢在两种介质中的腐蚀速率变化趋势截然不同。


    许多研究表明金属的腐蚀过程将受到表面锈层干扰,因而可推出碳钢在两种介质中形成的锈层将存在显著差异,导致对金属腐蚀产生不同影响(抑制或促进作用)。


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图3 试样在两种溶液中浸泡360h后

表面锈层形貌


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图4 试样在两种溶液中浸泡360h后

锈层的截面形貌


    由图3和图4可见:海水中,碳钢锈层以较厚的黄色外锈层为主,清除外锈层后可见较薄的黑色内锈层,锈层不易清除,与金属基体之间附着力较强,较致密。而反渗透产水中碳钢锈层的黄色外锈层很薄,黑色内锈层为锈层主体,锈层与碳钢基体之间附着力较差,用水很容易冲洗干净,形貌较蓬松、不致密。


    碳钢在海水、反渗透产水中浸泡360h形成的锈层的XRD分析结果见图5所示。


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图5 试样在不同溶液中浸泡360h后

表面锈层的XRD谱图


    图5表明碳钢在海水及反渗透产水中形成的锈层在组分比例上有显著不同,这与形貌分析结果一致。海水中,碳钢锈层主要由黄色的γ-FeOOH构成,另外也含有少量Fe3O4及α-FeOOH。而反渗透产水中,碳钢锈层主要由黑色的Fe3O4构成,黄色的γ-FeOOH及α-FeOOH含量很少。


    分别对在海水及反渗透产水中浸泡2h、360h的碳钢电极进行交流阻抗测试,结果见图6。


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图6 碳钢在不同溶液中

浸泡不同时间后的Nyquist图


    碳钢电极在海水、反渗透产水中挂片2h后,其表面还未有锈层,此时阻抗谱均仅包含一个单容抗弧(见图6);其等效电路见图7(a)。当在海水、反渗透产水中挂片360h后,碳钢电极表面均已形成明显锈层(见图3),此时其谱图呈现完全不同特性。海水中碳钢谱图由两个半圆组成,即谱图中出现了代表锈层电阻的容抗弧,其等效电阻见图7(b)。而反渗透产水中碳钢谱图由一个容抗弧和一条代表Warburg阻抗的直线组成,未出现锈层电阻,其等效电阻见图7(c)。Nyquist曲线解析结果见表2。


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图7 电化学阻抗谱的等效电路

 

表2 Nyquist曲线解析结果

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    由表2可知,试样在海水中形成的锈层对其腐蚀过程有一定的阻碍作用,阻抗谱中出现有锈层阻抗(Rr),这是因为致密锈层能够阻碍溶氧的迁移过程。


    反渗透产水中,碳钢阻抗谱中出现了Warburg阻抗,表明此时碳钢腐蚀由氧扩散决定。


    然而,碳钢在反渗透产水中形成的疏松锈层对其腐蚀过程无阻碍能力,一方面并未出现锈层电阻,另一方面传递电阻值Rt值在锈层生成后显著降低,说明锈层反而对基体腐蚀有强加速作用。


    这是因为迅速形成的疏松Fe3O4层具有优良的导电性,能够起到阴极作用而促进氧还原。

 

    防腐蚀措施


    通过对前文的数据进行分析可知,碳钢在海水中腐蚀主要会受到高浓度Cl-等侵蚀性离子加速,因而其腐蚀防护要以抑制Cl-离子侵蚀为主。


    工程上常对碳钢海水管道的内壁进行涂层防护,以隔绝高浓度Cl-的侵蚀;此外,为了进一步降低Cl-离子对涂层针孔缺陷处管道的腐蚀,我们在该电厂的海水管道上加装了一套外加电流阴极保护装置,见图8。

 

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图8 外加电流阴极保护装置


    由于电厂工业水管管径较小(通常小于200mm)且管线十分复杂,进行涂层防腐难度很大;反渗透产水电导率不高,布置外加阴极保护也无可行性。投加缓蚀剂的方法又会受到锈层干扰而达不到理想效果。


    虽然单纯从侵蚀性来讲,海水反渗透产水比海水要弱得多,但碳钢在反渗透产水中的腐蚀是一种受锈层加速的腐蚀;因此反渗透产水管道(工业水管)的防腐工作应从抑制具有腐蚀加速能力锈层的产生入手。


    通过增加反渗透产水的碱度及硬度(缓冲性能),提高其pH值,能够改变锈层特性,从而根本上降低管道腐蚀。对反渗透产水的重新矿化可以通过让其缓慢流过填充白云石、石灰石粉等矿化物的过滤床来实现。


    本文通过实验室添加NaHCO3、CaCl2药剂来调节反渗透产水的碱度及硬度,之后进行碳钢168h挂片,结果见表3。


表3 不同水质下碳钢腐蚀速率

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    如表3所示,提高反渗透产水缓冲性的方法可以有效降低其腐蚀性,减缓其对碳钢管材的腐蚀;特别是当碱度大于1mmol/L、Ca2+离子大于0.5mmol/L后,缓蚀作用显著。在实际工程应用中,可以通过控制反渗透产水流经矿化床的流速,并同时加入CO2、H2SO4等助溶剂的方法,使反渗透产水达到预设的矿化要求。


    另外,对反渗透产水管道(工业水管)采用更耐蚀的材料也是一种解决办法。本文对304不锈钢进行了168h的动态挂片,结果见图9。


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图9 304不锈钢挂片后表面形貌


    结论


    碳钢在海水、反渗透产水中锈层特性差异是导致滨海电厂工业水管比海水管道腐蚀更严重的主要原因。


    对于海水管道,通过成熟的涂层及电化学保护手段,可有效防腐;重新矿化反渗透产水是降低其腐蚀性的有效方法;此外,在工业水系统设计阶段,宜采用更耐蚀的不锈钢及聚乙烯材料代替碳钢作为管材。

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 滨海电厂, 碳钢管道, 腐蚀, 腐蚀控制

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