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多家電廠冷卻水碳鋼管道腐蝕原因分析及相應對策

2021-06-15 16:09:45 作者：李海榮，何睦等來源：腐蝕與防護分享至：

電廠冷卻水系統泛指使用循環冷卻水及其補充水作為工作介質的系統，主要包括循環冷卻水系統、循環水處理系統、工業水系統、消防水系統等。電廠冷卻水系統一般選用內壁未采取腐蝕防護措施的碳鋼管道，碳鋼腐蝕不會在短時間內影響發電生產，因此很少引起電廠注意。但隨著腐蝕程度的加深，管道容易發生穿孔泄漏。另外，建廠時有的管道深埋在地下，地上常安裝設備、興建廠房、建設道路，即使管道發生泄漏，也不易被發現，且不便維修，故對電廠冷卻水系統碳鋼內壁腐蝕問題應引起足夠的重視。隨著中水大規模回用，電廠相關系統碳鋼管道腐蝕問題也日益突出。

近年來，河南省多家電廠冷卻水系統的碳鋼管道內壁發生嚴重腐蝕，甚至泄漏。腐蝕泄漏點分布于消防水系統、循環水旁流處理系統、工業水系統的大小管道，維修治理困難，影響系統的正常運行。下面我們針對其中3個典型的電廠冷卻水系統碳鋼管道腐蝕案例，對腐蝕原因進行分析，并從系統運行控制和管道材質選用兩個方面給出了相應的建議。

消防水系統管道腐蝕

A廠消防水系統于2007年12月投運，管道材料為碳鋼Q235A，補水為循環水。2016年至今，管道出現多處泄漏。泄漏點均位于管道底部，在三通管、法蘭盤、細管道（管壁較薄）等處漏點較多。腐蝕形貌如圖1所示，可見管道中間底部有黑色腐蝕產物，這些腐蝕產物易碎成渣，基本不溶于水，加酸會產生氣泡，并有濃烈的H2S臭雞蛋氣味，判斷該腐蝕產物為硫化鐵，該管道發生了硫化物腐蝕；泄漏點外緣大片區域腐蝕產物為黃色或白色，疏松薄脆，加酸產生少量起泡，并有刺激性SO2氣味。

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圖1 A廠消防水管道腐蝕形貌

對上述腐蝕產物取樣并進行X射線熒光光譜分析，發現腐蝕產物主要為鐵和硫的氧化物，質量分數分別為52.10%和32.70%。X射線衍射分析結果表明，腐蝕產物的XRD譜中存在明顯的水合羥基硫酸鐵特征峰。據此推測，腐蝕產物中可能含有鐵的硫化物、亞硫酸鹽和硫酸鹽。其中，硫化鐵是硫酸鹽還原菌腐蝕碳鋼的特征產物。硫酸鹽和亞硫酸鹽為硫化物的氧化產物。

同時，消防水系統存在微生物滋生的環境條件。A廠消防水系統補水為循環水，其重鉻酸鹽指數CODCr（用重鉻酸鉀為氧化劑測出的需氧量）為65mg/L，SO42-質量濃度為270mg/L，這些為硫酸鹽還原菌等微生物提供了充足的養分。消防水系統相對封閉，水流滯緩，特別是在不平滑的內壁（例如有沉積物的管道底部、焊接處）、三通及法蘭等處，微生物易于黏附并滋生，局部可形成缺氧環境，適于厭氧的硫酸鹽細菌滋生。

由以上分析可見，A廠消防水管道存在包括硫酸鹽還原菌在內的微生物腐蝕。

循環水旁流處理系統管道腐蝕

B廠循環水旁流處理系統于2011年11月投運，處理工藝為機加池（加石灰或碳酸鈉）軟化沉淀→加硫酸調節pH→石英砂過濾處理。2015年至今，使用旁流處理后循環水的反洗水管道、自用水管道腐蝕嚴重，頻繁泄漏，部分管道被迫整根更換。圖2為循環水旁流處理管道某腐蝕泄漏點處形貌。

圖2 B廠循環水旁流處理管道腐蝕形貌

對圖2所示的腐蝕泄漏點進行分區取樣。在漏點根部底層，與空氣接觸不充分的部位，取得黑色碎渣狀腐蝕產物。加入稀酸溶液后，該腐蝕產物產生氣泡，并有刺激性臭雞蛋氣味，這說明腐蝕產物中含有硫化物。另在漏點附近區域，取綠色、淺黃色、白色腐蝕產物混合樣進行能譜檢測，結果表明漏點附近腐蝕產物的主要元素為鐵和氧（質量分數分別為34.48%和39.39%），另外還含有少量硫和氯（質量分數分別為13.15%和8.77%）。XRD分析結果表明，漏點附近腐蝕產物的物相主要為硫酸鹽和亞硫酸鹽。其中，硫酸亞鐵質量分數約為43.48%，水合氯化亞鐵質量分數約為32.07%，亞硫酸鈣質量分數約為24.45%。

管道外部腐蝕產物中含有較高的硫元素，漏點根部底層腐蝕產物含有硫化物，據此判斷，泄漏與硫酸鹽還原菌等微生物腐蝕有關。

根據檢查分析情況，在循環水處理系統不同位置取樣進行了水質檢測，其中鐵細菌（FEB）和硫酸鹽還原菌（SRB）的檢測按照GB/T 14643.5-2009《工業循環冷卻水中菌藻的測定方法第5部分：硫酸鹽還原菌的測定MPN法》和GB/T 14643.6-2009《工業循環冷卻水中菌藻的測定方法第6部分：鐵細菌的測定MPN法》進行。系統水樣流向為：機加池出水→旁流水池→反洗水泵出水。

由檢測結果可知，循環水旁流系統中，水的電導率、氯離子含量、硫酸鹽含量、CODCr較高，具有較強的腐蝕性，腐蝕產生的鐵離子可為鐵細菌滋生提供養分。反洗水泵出水中的鐵、鐵細菌、硫酸鹽還原菌含量均比上游的機加池出水中的高，這表明該段碳鋼管道存在微生物滋生與腐蝕。

工業水管道系統腐蝕

C廠工業水系統于2014年10月投運，管道材料選用20鋼、Q235碳鋼。系統補水及處理方式為：生活污水處理廠中水→機加池石灰軟化沉淀→加硫酸調節pH→ 石英砂過濾處理→ 補入工業水系統。工業水用水方式為直流冷卻后排入循環水池。自2016年起，全廠使用工業水的大小管道、冷卻器的碳鋼部件頻繁出現腐蝕泄漏。

GB/T 50050-2007《工業循環冷卻水處理設計規范》規定，碳鋼設備水側腐蝕速率應小于0.075mm/a。通過測量剩余壁厚，估算C廠工業水管道腐蝕速率約為0.17mm/a，明顯高于規定值。

圖3和圖4分別為冷卻水管道和冷卻器殼體的腐蝕形貌。

圖3 C廠冷卻水管腐蝕形貌

圖4 C廠冷卻器殼體腐蝕形貌

割取一段泄漏管樣，其上多個泄漏點位于一條直線上。對剖管樣，發現內壁積累了厚厚的沉積物，局部沉積物出現分層，表層與底層的外觀有明顯差異，如圖5所示。

圖5 C廠某腐蝕管段內部沉積物層

分別從表層與底層取樣，進行450℃灼燒后，檢測其質量損失。結果表明表層質量損失約28.4%，底層質量損失約10%，這說明沉積物中有機物含量較高，表層的有機物成分高于底層的，有更多微生物黏泥。

對管樣內壁泄漏點處的上層、底層（縫隙內）沉積物進行能譜檢測。結果表明：上層沉積物中主要化學成分（質量分數，下同）為74.83%Fe，22.15%O，0.33%Ca。底層沉積物中主要化學成分為49.70%Fe，43.13%O，3.28%S，3.02%Cl，0.88%Si。

C廠工業水為再生水回用，其pH為7.0~8.3，常規水質指標滿足SL 368-2006《再生水水質標準》中用于工業冷卻水的水質要求。但再生水具有較強的腐蝕性，進廠后未進行微生物含量、余氯含量等指標檢測，也未進行殺菌處理，而余氯含量穩定在0.3mg/L方可取樣，采用MPN法檢測鐵細菌（FEB）和硫酸鹽還原菌（SRB）含量，其中排污管存水起初為紅色泥湯，排放至無色透明后取樣檢測。由檢測結果可知，工業水系統中存在鐵細菌、硫酸鹽還原菌等微生物滋生，管樣內壁沉積物中有機物含量較高，據此推測C廠工業水碳鋼管道內壁存在微生物腐蝕。

案例分析小結

以上案例分析表明，電廠冷卻水碳鋼管道內壁腐蝕明顯加劇，并具有以下共同特點：

系統運行方式（多為間歇性運行）與水質環境適合微生物滋生，水中有鐵細菌和硫酸鹽還原菌檢出。

管道泄漏點外壁的腐蝕產物形貌相似，硫含量均很高，包括硫化物、亞硫酸鹽和硫酸鹽。

碳鋼管道內壁有厚層沉積物，其主要成分為鐵的腐蝕產物，此外有機物的質量分數在10%左右，硫的質量分數約為2%。

綜上分析，工業水系統中有鐵細菌、硫酸鹽還原菌等微生物滋生，引起碳鋼管道腐蝕加劇。

腐蝕機理分析

微生物腐蝕是指微生物及其生命活動而引起或促進的腐蝕，這些微生物主要是直接參與自然界硫、鐵循環的微生物，如硫氧化細菌、硫酸鹽還原菌、鐵細菌等。電廠冷卻水系統為微生物滋生提供了環境，存在鐵細菌、硫酸鹽細菌滋生及腐蝕特征。在含鐵量高于0.2~0.3mg/L的水中，定能發現鐵細菌。而沉積物下、縫隙中等水流不暢處，鐵細菌、硫酸鹽細菌及胞外聚合物附著滋生，在這些因素的協同作用下，碳鋼腐蝕速率可加快上百倍。

鐵細菌能將Fe2+轉化成Fe3+，Fe3+在菌體內外沉積，形成大量不溶于水的棕紅色黏泥狀腐蝕產物，加速碳鋼的腐蝕過程。

硫酸鹽還原菌屬厭氧細菌，工業水的溶解氧較高，不適宜硫酸鹽還原菌生存，但在管壁的厚層腐蝕產物下和縫隙中，氧擴散困難，形成局部貧氧環境，適合硫酸鹽還原菌滋生。一般認為硫酸鹽還原菌可通過新陳代謝將硫酸鹽轉化為硫化物，這對碳鋼表面電化學腐蝕體系的陰陽兩極均有去極化作用，從而加劇了碳鋼腐蝕。

鐵細菌產生的Fe3+離子具有強氧化性，可以把低價硫氧化成高價硫。另外，空氣中的氧進入腐蝕產物中，將低價硫氧化為高價硫。因此，腐蝕產物中FeS等典型的硫化物不能穩定存在。

鐵細菌、硫酸鹽還原菌等微生物的滋生，會加劇碳鋼腐蝕，大量的腐蝕產物不斷沉積在管壁上，還將誘發沉積物下自催化局部腐蝕。C廠案例中，底層沉積物中含有3.02%Cl，氯離子富集表明該處存在自催化閉塞電池腐蝕。

腐蝕控制對策

火電廠冷卻水系統碳鋼管道內壁腐蝕嚴重，影響消防水系統、工業水系統的安全運行，需根據腐蝕原因，結合現場實際情況，制定相應的對策和措施，有效解決與預防頻繁泄漏問題。

01. 系統運行控制

對于已經投運的冷卻水系統，應注意發生腐蝕泄漏的系統是否具有以下特點：間歇運行（如工業水用作脫硫工藝水、自用水系統）；相對封閉（如消防水系統）；采用循環水、中水、河水，而未進行殺菌處理，或殺菌劑加入量不足。

具有上述特點的系統，容易發生與上述案例類似的腐蝕問題。根據腐蝕檢查與機理分析的結論，案例電廠結合現場具體情況，采取了各自的應對措施，主要措施如下：

01 針對間歇運行系統，補水避免采用河水或中水，并注意防控微生物滋生。

02 針對消防水系統，除合理選擇系統補水，防控微生物滋生外，還可增設末端排放管路，定期排放存水，減緩腐蝕。

03 對于采用循環水、中水、河水的冷卻水系統，須采取殺菌處理措施。殺菌方案不僅要考慮殺菌效果，還應對系統金屬無腐蝕作用。為防控微生物滋生造成腐蝕，參照SL 368-2006《再生水水質標準》和DL/T 300-2011《火電廠凝汽器管防腐防垢導則》，檢測與控制水中細菌總數應不超過500個/mL或糞大腸菌群不超過2000個/L。

02. 管道選材

管道選材一般依據相應設計規范如GB 50660-2011《大中型火力發電設計規范》，根據管道的工藝要求、工作壓力、水質、沿線地質、地形條件、施工條件和材料供應等因素，通過技術、經濟比較確定管道材料。但輸送再生水或其他有腐蝕性的水時，碳鋼管道的防腐蝕處理應根據DL/T 5339-2006《火力發電廠水工設計規范》進行，管道內部可以涂聚乙烯等防腐蝕材料。根據DL/T 5054-2016《火力發電廠汽水管道設計規范》，DN600以下管道可選用內側帶防腐蝕層的復合碳鋼管道。

以上3個案例中泄漏多發于焊接鋼管的焊縫處，所以冷卻水系統應慎用焊接鋼管。在工業水系統的設計階段，宜采用耐蝕性更好的不銹鋼及碳鋼襯塑管代替碳鋼。針對冷卻水碳鋼管道腐蝕泄漏嚴重的問題，部分投運電廠也制定了改造計劃，分批、逐步更換升級管材，計劃選用耐蝕性更好的材料，如TP304不銹鋼等。

結論

火電廠冷卻水碳鋼管道內壁腐蝕明顯，主要表現為管壁全面腐蝕速率高于設計值、局部點腐蝕泄漏嚴重。腐蝕原因為：以鐵細菌、硫酸鹽還原菌為主的微生物滋生，引起碳鋼管道腐蝕加劇，大量腐蝕產物沉積，誘發沉積物下局部自催化腐蝕，直至泄漏。應針對現場實際情況，從系統運行控制和管道材料兩個方面，尋求解決對策與措施。

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