濱海電廠水系統不銹鋼管道的腐蝕控制分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司針對某濱海電廠海水及海水反滲透產水不銹鋼管道的腐蝕現象，采用失重法、掃描電鏡、X射線衍射及電化學測試，對比研究了不銹鋼管在其中的腐蝕差異。結果表明:在海水中銹層抑制氧的傳遞，對碳鋼起保護作用;在反滲透產水中銹層起大陰極作用，加速基體腐蝕。實際工程中，海水反滲透產水比海水對不銹鋼管道更具侵蝕性。重新礦化反滲透產水是降低其腐蝕性的有效方法;另外，可考慮采用更耐蝕的不銹鋼、碳鋼襯塑管等作為管材。

 隨著淡水資源的日益短缺，我國多數濱海電廠設計從海水中獲取工業(yè)生產用水，即采用海水作為循環(huán)冷卻水，以海水反滲透產水作為全廠所需淡水(工業(yè)用水)。浙江省某電廠的海水不銹鋼管道采用直徑2300mm×19mm的大口徑不銹鋼鋼管道，采用涂層防腐蝕;海水反滲透產水管道(工業(yè)水管)采用直徑小于200mm的不銹鋼管。近4年的運行情況顯示，輸送反滲透產水的工業(yè)水管腐蝕情況較海水管道嚴重得多。由圖可見，海水管道內壁附有較致密銹層，管材腐蝕情況相對較輕;而工業(yè)水管內壁形成有較厚且疏松銹層，管厚減薄現象嚴重。

 目前，有關火電廠輸水管道在海水及反滲透產水中腐蝕差異鮮見報道。工程實踐中，海水中管道的防腐蝕受到重視，而處于反滲透水中的管道幾乎都未采取防護措施。本工作采用失重法、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XＲD)及電化學方法，對比研究了碳鋼在海水和反滲透產水中的腐蝕差異。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碳鋼管道的有效防腐蝕方法。

一、試驗

 1. 試樣及試劑

 試樣選用電廠管道主要用材料為不銹鋼管，尺寸為40mm×13 mm×2mm，試樣表面用金相砂紙(0～6號)逐級打磨后待用。其中，電化學用試樣除1cm²工作面外，其余部分采用環(huán)氧樹脂封裝。試驗溶液為取自該電廠的海水、反滲透產水水樣。

 2. 試驗方法

  a. 失重試驗

  將試樣至于海水和海水反滲透產水中進行動態(tài)掛片，每組試驗包含三個平行樣。

  b. 銹層表征

  將試樣置于海水和海水反滲透產水中360小時后，采用荷蘭FEI公司QUANTA200型掃描電鏡(SEM)和日本島津公司XＲD-6000型X射線衍射(XＲD)儀表征試樣表面銹層的成分及截面形貌。

  c. 電化學試驗

  電化學阻抗測試采用三電極體系，工作電極為試樣，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極。試驗前先將碳鋼電極浸入海水或反滲透產水中2小時(或360小時)形成明顯銹層，之后進行電化學阻抗測量，測量頻率范圍為0.01Hz～100 kHz，測量結果用等效電路解析。

二、結果與討論

 1. 腐蝕速率

  由圖可見: 不銹鋼管在海水和反滲透產水中的腐蝕過程截然不同。在海水中，碳鋼腐蝕速率在浸泡初期迅速下降，之后逐漸穩(wěn)定在約0.6mm/a;而在反滲透產水中，不銹鋼管腐蝕速率在浸泡初期迅速上升，最終穩(wěn)定在約1.4mm/a。這表明:海水反滲透產水對碳鋼的侵蝕破壞性比海水更強;若無合適的防腐蝕手段，碳鋼管在反滲透產水中不耐蝕。這一結果與電廠管道的腐蝕現象一致。

 開始浸泡時，不銹鋼管在海水中的腐蝕速率(約2.4mm/年)遠大于在反滲透產水中的(約0.5mm/年)。這是因為此時溶解氧供應充足，碳鋼腐蝕速率由具有腐蝕加速作用的氯離子量控制。之后，隨著浸泡時間的延長，碳鋼在這兩種溶液中的腐蝕速率變化趨勢截然不同。許多研究表明，金屬的腐蝕過程將受到表面銹層干擾，因而可以推測，碳鋼在這兩種溶液中形成的銹層存在著顯著差異，導致對金屬腐蝕產生不同影響(抑制或促進作用)。

 2. 銹樣形貌

 由圖可見: 海水中，不銹鋼管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銹層，銹層不易清除，與金屬基體之間附著力較強，較致密。而反滲透產水中，碳鋼銹層的黃色外銹層很薄，黑色內銹層為銹層主體，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。不銹鋼管在海水及反滲透產水中浸泡360小時形成的銹層的XRD分析結果見圖所示。

 由圖可見:  不銹鋼管在海水和反滲透產水中形成的銹層在組分比例上有顯著不同，這與形貌分析結果相對應。在海水中，碳鋼銹層主要由黃色的γ-FeOOH構成，另外還含有少量四氧化三鐵及α-FeOOH;在反滲透產水中，碳鋼銹層主要由黑色的四氧化三鐵構成，黃色的γ-FeOOH及α-FeOOH含量很少。

 3. 電化學試驗

 分別對在海水及反滲透產水中浸泡2小時、360小時的不銹鋼管電極進行電化學阻抗測試，結果見圖。

 由圖可見: 試樣在海水及反滲透產水中掛片2小時后，其表面還未有銹層，此時阻抗譜均僅包含一個單容抗弧其等效電路見圖，在海水及反滲透產水中掛片360小時后，碳鋼電極表面均已形成明顯銹層，此時阻抗譜由兩個半圓組成，即譜圖中出現了代表銹層電阻的容抗弧，其等效電路見圖。在反滲透產水中，不銹鋼管的譜圖由一個容抗弧和一條代表阻抗的直線組成，未出現銹層電阻，其等效電阻見圖。

 由表可見: 不銹鋼管在海水中形成的銹層對其腐蝕有一定的阻礙作用，阻抗譜中出現有銹層阻抗，這是因為致密銹層能夠阻礙溶氧的遷移過程。反滲透產水中，不銹鋼阻抗譜中出現了阻抗，表明此時不銹鋼管腐蝕由氧擴散控制。然而，碳鋼在反滲透產水中形成的疏松銹層對其腐蝕過程無阻礙能力，一方面并未出現銹層電阻，另一方面?zhèn)鬟f電阻值在銹層生成后顯著降低，說明銹層反而對基體腐蝕有強加速作用。這是因為迅速形成的疏松四氧化三鐵層具有優(yōu)良的導電性，能夠起大陰極作用而促進氧還原。

 4. 討論

 由上可見: 海水反滲透產水對碳鋼的腐蝕性比海水更強。這是因為碳鋼在兩種溶液中生成的銹層對腐蝕過程具有不同作用(加速或抑制作用)。

三、防腐蝕措施

 由腐蝕機理討論可知，碳鋼在海水中腐蝕主要會受到高濃度氯離子等侵蝕性離子加速，因而其腐蝕防護要以抑制氯離子侵蝕為主。工程上常對碳鋼海水管道的內壁進行涂層防護，以隔絕高濃度氯離子的侵蝕;此外，為了進一步降低氯離子對涂層針孔缺陷處管道的腐蝕，在該電廠的海水管道上加裝了一套外加電流陰極保護裝置。

 由于電廠工業(yè)水管管徑較小(通常小于200 mm)且管線十分復雜，進行涂層防腐蝕難度很大;反滲透產水電導率不高，布置外加陰極保護也無實際可行性。投加緩蝕劑的方法也會因銹層干擾而達不到理想效果。雖然海水反滲透產水的侵蝕性比海水要弱得多，但碳鋼在反滲透產水中的腐蝕是一種受銹層加速的腐蝕，因此反滲透產水管道(工業(yè)水管)的防腐蝕工作應從抑制具有腐蝕加速能力銹層的產生入手。由反應可知，通過增加反滲透產水的堿度及硬度(緩沖性能)，提高其pH，能夠改變銹層特性，從根本上降低管道腐蝕。對反滲透產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現。本工作通過試驗室添加NaHCO3、CaCl2藥劑來調節(jié)反滲透產水的堿度及硬度，之后進行碳鋼168小時掛片，結果見表。

 由表可見:提高反滲透產水緩沖性能可以有效降低其腐蝕性，減緩其對碳鋼管材的腐蝕;特別是當堿度大于1 mmol/L、Ca 2+濃度大于0.5 mmol/L后，緩蝕作用顯著。在實際工程應用中，可以通過控制反滲透產水流經礦化床的流速，并同時加入二氧化碳、硫酸等助溶劑的方法，使反滲透產水達到預設的礦化要求。

 另外，對反滲透產水管道(工業(yè)水管)采用更耐蝕的材料也是一種解決辦法。本工作對304不銹鋼管進行了168小時的動態(tài)掛片，結果見圖。

 由圖可見: 掛片后，304不銹鋼管表面未見腐蝕產物，說明其能夠有效耐受反滲透產水的侵蝕。因而，對于某些用水量特別大的電廠，若對反滲透產水進行礦化存在投資及設備安裝上的困難時，可以考慮對工業(yè)水管采用更耐蝕的不銹鋼或碳鋼襯塑管材。

五、結論

 不銹鋼管在海水中及反滲透產水中銹層特性差異是導致濱海電廠工業(yè)水管比海水管道腐蝕更嚴重的主要原因。對于海水管道，通過成熟的涂層及電化學保護手段，可有效防腐蝕;重新礦化反滲透產水是降低其腐蝕性的有效方法;此外，在工業(yè)水系統設計階段，宜采用更耐蝕的不銹鋼管代替碳鋼作為管材。