2022, Vol. 40
水是火力发电厂能量转化和传递过程中的介质，水的腐蚀会缩短设备寿命，同时腐蚀产物又会加剧设备的结垢和腐蚀。胡艳华等研究了循环水中Ca2+质量浓度和碱度对CaCO3沉积、碳钢腐蚀的影响，当两者之和小于400 mg/L时，随着Ca2+质量浓度和碱度的增大，阻垢率逐渐降低[1-3]；许仕荣等通过CO2和石灰联用再矿化工艺控制水质为低硬度，当碱度达到80 mg/L时，球磨铸铁的腐蚀速率降低67.9%，腐蚀产物中CaCO3能很好抑制管道腐蚀[4-5]；徐宏飞等认为水质的碱度偏高会使水冷壁管道（材质为20G）局部出现碱浓缩现象，给水与基体发生化学反应而引发碱腐蚀，生成腐蚀产物Fe3O4[6-9]；刘延湘研究发现SO42-在高温碱性水中会阻碍钝化膜的形成，从而加速碳钢腐蚀，而且SO42-与OH-竞争吸附在碳钢表面，容易发生点蚀，SO42-浓度越大越易引发点蚀[10]；刘亮等发现ClO2会对金属管道造成不同程度的腐蚀，对碳钢的腐蚀尤为严重，其腐蚀速率为0.596 6 mm/年[11-16]；邵新海通过控制碱度和余氯在合理范围内，添加足够的阻垢剂，防止碳钢管道腐蚀和结垢[17]；边家领认为在碱度较低时，循环水中总铁质量浓度与碱度呈负相关关系，但碱度超过130 mg/L时，总铁质量浓度持续升高，说明其他因素加速了管道腐蚀[18]。
某火电厂为2×660 MW超超临界直接空冷发电机组，同时配套以矿井疏干水为水源的原水预处理系统，采用石灰混凝+机械澄清+变空隙过滤的处理工艺，处理合格后的清水作为锅炉补给水（除盐水处理）、开式循环水和生产循环水等系统的水源，矿井疏干水分别由A、B、C、D 4个矿提供，各个矿的水质指标相近，原水中各矿井疏干水的占比分别为35%、30%、30%和5%。该原水预处理系统投运以来，陆续发现清水系统的用户设备（如加热器、管道、储水箱和水泵）出现不同程度的腐蚀泄漏，其材质分别为Q235B和20，采用超声波测厚仪对管道壁厚测量，发现不同程度的减薄现象，平均减薄速率为1 mm/年。
本文结合Larson指数、Langerlier（LSI）指数和失重法（挂片），研究矿井疏干水和清水对碳钢材质（Q235B和20）的腐蚀影响，通过优化水质参数控制清水的腐蚀性，找出碳钢腐蚀速率与全碱度的关系式，对设备运行维护具有指导意义。
1 原水预处理设备的腐蚀原因 1.1 水质类型分析该厂原水预处理系统工艺流程见图 1。为了分析原水预处理系统水质（原水、机械澄清池产水、清水）的腐蚀和结垢倾向，从原水车间不同位置取水样进行水质分析（见表 1），以管道表面是否有碳酸钙析出作为是否腐蚀的判断依据，并采用Larson和Langerlier指数分析水质的腐蚀性。
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| 图 1 原水预处理系统工艺流程 Figure 1 Process flow of pretreatment system of crude water |
| 表 1 原水预处理系统水质分析 Table 1 Water quality analysis of pretreatment system of crude water |
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Larson指数Ln的计算公式为：
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(1) |
式中：X为全碱度，根据HCO3-的物质的量浓度计算；c(Cl-) 和c(SO42-) 分别为Cl-和SO42-的浓度，以1/2CaCO3摩尔浓度计算。
根据Larson指数计算公式，原水对设备的腐蚀主要受全碱度、Cl-和SO42-浓度的影响，Larson指数越大，水质的腐蚀性越强。当原水经过石灰混凝和浓硫酸处理后全碱度大幅度降低、c(SO42-) 增加，Larson指数增加，水的腐蚀性显著增加，原水和清水的Larson指数见表 2。
| 表 2 原水和清水的Larson指数 Table 2 Larson index of crude water and clear water |
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Langerlier (LI) 指数是根据碳酸盐在水中达到饱和状态时的平衡关系判断CaCO3在水中是否析出，适用于碳钢材质[19]。当LI＜0，CaCO3可以溶解，金属钝化膜破坏，金属腐蚀。
原水LI指数为0.67，说明原水有碳酸钙沉积的倾向，而清水的LI指数为-0.68，说明清水具有一定的腐蚀性。水质的腐蚀性与温度、钙硬度和总溶解固体浓度有关，碱度和Ca2+质量浓度越低，环境温度越高，水质的腐蚀性越强。
1.2 现场挂片腐蚀试验通过现场挂片试验研究管道腐蚀情况，在生产循环水管道安装旁路动态挂片装置（见图 2），挂片材质为Q235B，试验流速为1.0 m/s（根据现场管道实际流量及管径计算得出），挂片时间为30天，腐蚀速率按式（2）计算。
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(2) |
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| 图 2 现场旁路动态挂片装置 Figure 2 On-site bypass dynamic coupon device |
式中：V为腐蚀速率，mm/年；K为所采用的单位常数；W1为挂片未腐蚀前的质量，mg；W2为挂片经过腐蚀并除去表面产物后的质量，mg；F为挂片暴露在水中的表面积，cm2；t为挂片受腐蚀的时间，年；γ为金属的密度，g/cm3。
1.3 实验室挂片腐蚀试验实验室旋转挂片装置见图 3，试验温度为25 ℃，挂片旋转线速度0.35 m/s，试液体积与挂片面积比为50 mL/cm2，试验周期72 h，挂片腐蚀速率按照公式（2）计算。
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| 图 3 实验室旋转挂片装置 Figure 3 Rotary coupon device in the laboratory |
从两个清水池分别取1 L水样倒入2 L烧杯中混合，通过搅拌装置进行搅拌，先分别加入不同剂量的石灰粉，快速搅拌2 min；然后再加入质量浓度为50 mg/L的聚合硫酸铁，慢速搅拌1 min；最后加入质量浓度为0.3 mg/L的助凝剂，慢速搅拌4 min后停止搅拌，并静置30 min，取上部清液过滤，测定滤液的pH值碱度和腐蚀速率，结果见表 3。
| 表 3 不同剂量的石灰粉条件下的水样参数 Table 3 Water sample parameters under different doses of lime powder |
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试验结果表明，在现场挂片器流速为1.0 m/s时，Q235B挂片的平均腐蚀速率为0.99 mm/年，根据JB/T 7901—2001《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，目前清水管道腐蚀属于严重等级[20]。对现场挂片腐蚀产物进行取样和成分分析，其主要成分为α-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3等，与现场管道设备的腐蚀产物基本一致，根据公式（1），在保证原水细菌不超标的情况下，停止添加杀菌剂NaClO可以降低原水中Cl-的浓度，从而降低水质的腐蚀性。
2.2 试验挂片腐蚀分析Q235B腐蚀速率随水样碱度变化趋势见图 4，水样全碱度越高，挂片表面附着物中的CaCO3占比越高，可以有效阻止溶解氧扩散到金属表面，管道腐蚀速率越低，拟合得出Q235B腐蚀速率与水样全碱度的关系方程式为V=-0.305lnX+0.798。目前清水池的全碱度为0.3 mmol/L，以此推算，清水的腐蚀速率是原水的3倍以上。
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| 图 4 Q235B腐蚀速率随水样碱度变化趋势 Figure 4 Variation trend of Q235B corrosion rate with water sample alkalinity |
目前管道防腐的方法主要有添加缓蚀剂、阴极保护、刷涂防腐层和调整水质，根据原水预处理系统运行状况和防腐成本计算，可以通过减少石灰粉加药量，提高水质的碱度，减缓设备的腐蚀速率。
3.1 实验室动态模拟水质优化通过实验室动态模拟试验装置（图 5），研究水质的全碱度对管道（材质为Q235B和20）腐蚀速率的影响，试验分为3组：经过石灰混凝澄清处理的原水，全碱度为0.27 mmol/L；经过石灰混凝澄清处理的原水，全碱度为2.00 mmol/L；未经处理的原水，全碱度为4.66 mmol/L。试验条件为常温25 ℃，流速为1.0 m/s，时间为7天。
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| 图 5 实验室动态模拟试验装置 Figure 5 Dynamic simulation device of water corrosion property in laboratory |
碳钢（Q235B和20）挂片试验的腐蚀速率见图 6。与全碱度为0.27 mmol/L的第1组试验相比，提高水样全碱度至2.0 mmol/L时，Q235B腐蚀速率下降了63%；提高水样全碱度至4.66 mmol/L时，Q235B腐蚀速率下降了88.4%。
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| 图 6 碳钢挂片试验的腐蚀速率 Figure 6 Trend of corrosion rate of different material in the different alkalinity |
为了控制清水的全碱度在2.0~3.0 mmol/L、pH值在8.0~8.2，将石灰粉的加药量由300 mg/L调整为160 mg/L，相应聚合硫酸铁加药量由220 mg/L调整为120 mg/L，同时停止添加浓硫酸。水质优化后，对生产循环水旁路动态挂片器进行材质Q235B和20的腐蚀速率监测，结果见表 4。
| 表 4 原水预处理优化前后Q235B和20的腐蚀速率 Table 4 Corrosion rate of Q235B and 20 before and after the optimization of crude water pretreatment |
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随着国家环境保护要求日益严峻，大型坑口火力发电厂大多采用以矿井疏干水为水源的石灰混凝的预处理系统，而处理后的清水对管道设备具有一定的腐蚀性，通过控制其全碱度和pH值，碳钢管道腐蚀速率减缓80%以上，同时可以节约药品成本。
（1）挂片表面的腐蚀产物主要为α-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3和少量的S、Cl等腐蚀性元素，表明腐蚀主要为碳钢在水中的氧腐蚀，同时SO42-和Cl-对腐蚀有一定加速作用。
（2）水质全碱度对设备腐蚀有较大影响，全碱度越低，管道的腐蚀速率越高，矿井疏干水经过石灰混凝澄清处理后，全碱度大幅度降低，水的腐蚀性大幅度增强，而推流沟加入浓硫酸后，水的全碱度进一步降低，其腐蚀性也进一步增强。
（3）水样全碱度为0.27 mmol/L时，材质Q235B和20的腐蚀速率分别为1.028 5 mm/年和1.014 7 mm/ 年，材质20的耐腐蚀性能比材质Q235B稍好，但差别不大。
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