凝汽器冷凝管的腐蚀与防护

本文核心提示：分析了造成凝汽器黄铜管腐蚀的多种原因，提出了相应的防护措施。研究了用白铜、钛、不锈钢代替黄铜的可行性，通过比较发现不锈钢将是凝汽器管材的应用趋势。

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凝汽器是热力发电机组中重要的辅助设备。目前在火力发电厂中，凝汽器常用的管材主要有铜合金管（包括黄铜合金管、白铜合金管）、钛管、不锈钢管三大类。凝汽器的腐蚀问题一直是电厂锅炉事故中的重要问题。

一、凝汽器的腐蚀类型及腐蚀原因

目前凝汽器的主要管材为铜合金，并且腐蚀受多种因素影响，腐蚀类型也各种各样，主要有以下几种。

1．选择性腐蚀。主要是铜基中锌的选择性腐蚀。因为凝汽器的铜管多是由铜锌合金组成，因锌的电位较铜低，所以锌易成为腐蚀电池的阳极而使锌选择性地溶解下来，使铜管发生腐蚀。理论及实践证明，铜管的腐蚀过程与铜管表面保护膜的性能关系很大，如果黄铜管投运前后的维护工作不好，没有形成初期致密保护膜则较易发生脱锌腐蚀。若镀膜装置没有同期安装完善，凝汽器铜管没有进行FeSO4的初期镀膜和日常补膜，也是导致局部脱锌腐蚀的重要原因。

2．铜管的点蚀。这种腐蚀易发生在铜管表面保护膜的破裂处。由于冷却水中含C1-与铜氧化产生的Cu+生成不稳定的Cucl，可水解成稳定的Cu2O，并使溶液局部酸化热力设备腐蚀。另外如果水质不稳定，又没有进行综合处理，必然引起凝汽器铜管结垢，若不按期清洗，表面沉积物不均匀促进了腐蚀，而腐蚀又进一步导致沉积物增加，最终导致点状腐蚀穿孔。

3．铜管的冲刷腐蚀。这种腐蚀形式既可发生在水侧，也可发生在汽侧，但以前者为主。循环冷却水中的悬浮物、泥砂等固体颗粒状硬物对凝汽器入口端铜管冲击、摩擦，长时间运行后，入口端铜管前段管内壁粗糙，虽无明显腐蚀坑，但表面粗糙，黄铜基体裸露，铜管减薄。冲刷腐蚀的阳极过程是铜的溶解，阴极过程是O2的还原。腐蚀坑内无腐蚀产物，表面呈铜合金的本色。流速过高，会妨碍形成稳定的保护膜，也是产生冲刷腐蚀的原因，一般流速不大于2m/s。

4．NH3蚀。给水中过量的NH3随蒸汽进入凝汽器，并在凝汽器内局部富集，若同时有O2存在，便会在这一区域的铜管汽侧产生NH3蚀，其特点是管壁均匀减薄，当水中氨含量达300mg/L时易发生NH3蚀。隔板孔处凝结水过冷，溶解的氨浓度提高也会引起铜管在该处产生环带状氨蚀。

5．电偶腐蚀。当两种不同的金属材料在腐蚀介质中直接接触时，有可能发生电偶腐蚀。在凝汽器中，凝汽器管材料与管板材料不同，用淡水作冷却水的凝汽器，管材通常用黄铜或白铜。由于管材与管板材料在冷却水中的电位不同，二者之间就存在发生电偶腐蚀的可能。凝汽器铜管的电位比管板的电位高，故管板的腐蚀会加速。若用淡水作冷却水，凝汽器用黄铜管与碳钢管板配合时，碳钢管板腐蚀加剧，但由于碳钢管板厚度较大，一般为25~40mm，故在清洁淡水中，电偶腐蚀对使用安全性影响不大，但在含盐浓度较高的环境水中电偶腐蚀较易发生。

6．应力腐蚀破裂。当凝汽器铜管安装固定不当时，运行中会产生振动和交变应力使铜管表面的保护膜破坏而发生腐蚀，最终产生横向裂纹使铜管破裂。这主要是在交变应力作用下铜管内部的晶粒发生相对位移，在腐蚀介质下产生阳极溶解而形成的，大多在铜管中部发生。

7．腐蚀疲劳。凝汽器铜管在运行中频繁启停、机组负荷变化幅度较大时，受汽轮机高速排汽的冲击，管束发生振动，铜管受交变应力的作用，易使铜管表面膜破裂，产生局部腐蚀，形成点蚀坑，使材料疲劳极限降低，且由于应力集中在蚀点处，点蚀坑底部易产生裂纹，在水中NH3、O2、CO2等的侵蚀下逐渐扩展破裂。这种腐蚀疲劳破裂易发生在铜管的两支撑隔板所跨的中段，因铜管中段振动最剧烈。

8．微生物腐蚀。微生物会改变凝汽器管壁局部区域的介质环境，从而造成局部腐蚀。由于微生物的生物活动，会促进金属在冷却水中的电化学腐蚀过程。微生物腐蚀一般发生在凝汽器进水侧的碳钢管板上，冷却水中常含有一种靠Fe2+和O2生存繁殖的细菌，称为铁细菌。它靠Fe2+→Fe3+释放的能量维持生命活动，生成的Fe3+在细菌表面生成Fe(OH)3↓形成棕色黏泥。在黏泥底部形成缺氧条件，为厌氧的硫酸盐还原菌提供了合适的生存环境。铁细菌和硫酸盐还原菌的联合作用又促进了金属腐蚀。

9．沉积物下腐蚀。由于操作温度偏高、缓蚀阻垢剂与水质和操作温度不匹配、加药量不足或浓度波动过大而结垢。这些污垢会造成凝汽器管壁局部区域的介质环境发生改变，垢层形成后，Cl-易穿透垢层，造成基体金属的腐蚀，腐蚀生成的金属离子水解造成介质H+浓度升高，藻类和微生物的活动亦造成介质的酸度升高。由于垢层阻碍了管内壁金属表面介质与环境介质的相互扩散，使垢层下的介质pH值下降，破坏了金属表面的钝化膜，使金属基体进一步发生腐蚀。

10．凝汽器铜管管壁温度的影响。温度对黄铜腐蚀的发展有很大影响，铜管壁温越高，腐蚀越快。

二、凝汽器铜管的防护针对以上凝汽器铜管腐蚀的原因，为延长凝汽器铜管的使用寿命，可采取以下措施。

1．凝汽器换热管应合理选材。针对不同的冷却水成分应选择不同的材料：为防止脱锌腐蚀，应在黄铜合金中添加0.02%~0.03％的砷；采用含硼管材，利用硼在管材表面的富集，填补脱锌后的空穴，堵塞锌原子透过膜的通道，使铜管加硼后表面具有较大的阻力，可以抑制脱锌腐蚀；向铜管中添加1%~2％的锡，或是添加2％的铝可提高其耐蚀性，抑制脱锌倾向；也叮添加镍元素制成白铜，白铜化学稳定性优于黄铜，并无选择性腐蚀倾向，在相同的操作工况下，受腐蚀程度显著低于黄铜所以，建议在较苛刻和水质不稳定的使用环境下，尽可能使用白铜。

2．凝汽器铜管发生垢下腐蚀是火力发电厂常见的腐蚀形式，控制循环水质是防止结垢的主要方法。针对冷却水混浊、含有泥沙和悬浮物的情况，要加装合适的过滤网，定期清理，防止泥砂和石子等杂物进入凝汽器，防止管路堵塞和沉积污垢引起的腐蚀，同时水的pH值要控制在8~9之间为宜。

3．利用机组维修期间将水塔水排净，对水塔的配水沟道和池底进行清扫，使循环水系统内无碎石、淤泥等杂物；凝汽器胶球清洗系统每天投入1h，可有效地防止凝汽器铜管内壁被淤泥附着；加强设备维护，保证循环水系统滤网完好，防止异物进入凝汽器划伤、堵塞铜管；运行中应做好防垢工作，保持胶球清洗装置的止常投用、做好铜管的清洗保洁、消除冷却水滞流不动的死区、加杀生剂等对防止沉积物下腐蚀都是有效的方法，必要时应进行化学清洗。

4．铜管投运前应做好FeSO4镀膜，使管表面形成致密和牢固的保护膜，同时在运行中做好补膜工作对于整个铜管来说，最经济、有效的防护方式是FeSO4镀膜，它不仅对管端的冲刷腐蚀有效，而且对铜管的点蚀也有较好的防护作用。

5．合理安排循环水泵的运行方式，尽量使运行工况满足设计工况的要求，降低排汽温度。同时保持凉水塔完好运行，降低循环冷却水的温度，减小腐蚀温度。

6．保证循环冷却水流速的正常，一般黄铜管流速应在1~2m/s、当流速低于1m/s时易发生结垢，当流速大于2m/ s时易发生冲刷腐蚀。

7．添加阻垢剂能有效地防止结垢，并能防止已有晶体继续长大。阻垢剂加药点设在循环水泵前的水渠入口处，采用连续加入方式。阻垢剂投入后，降低了铜管内表面的结垢速度。

8．凝汽器管板的防腐。为了减缓和防止管板腐蚀，目前使用的喷锌涂胶法，先对已形成的较深的腐蚀坑进行冷焊修补，再对水室进行喷砂除锈及喷锌处理，最后涂防腐胶。喷锌处理形成的富锌层不仅能作为牺牲阳极保护碳钢管板，而且增加了胶层与碳钢的附着力，很大程度上克服了因局部除锈不彻底或清洗不够造成的附着力差的问题。

9．管板、管口涂胶。由于凝汽器铜管管口存在冲刷腐蚀及胀管工艺不当、运行中铜管振动等情况，所以很容易造成泄漏。对管口、管板进行涂胶处理能有效地解决这一问题。所涂胶层应伸入管口150mm左右。

10．为保持机组运行中低压缸和凝汽器的严密性、防止空气进入、防止氨蚀，可采用自动加氨系统来控制加氨量。

11．为防止凝汽器发生振动产生应力腐蚀，可采用在铜管管束之间镶嵌竹片或木条。

12．为了避免铜管的应力腐蚀，要对新装铜管进行消除应力退火处理，即在300℃保温4h。此外，在管端胀接后要用火焰喷射以消除应力。

13．采用阴极保护的方法常常保护凝汽器两端的水室、管板和管端。常用的阴极保护方法有两种：牺牲阳极法，即在凝汽器水室安装一块电位比铜低的金属如锌、铝等使它成为一个阳极，这样被腐蚀的是锌和铝，而使铜管成为阴极被保护；外部电源法，在凝汽器水室内装入一个外加电极，将水室本体作为另一电极，并且外接直流电源，将水室本体接在直流电源的负极（阴极）上。

三、凝汽器管材的发展前景黄铜是目前国内应用最多的管材，但其腐蚀问题一直得不到彻底解决，在含盐量高的液体中腐蚀尤其严重，目前许多国家都在研究代替黄铜的既经济又耐用的材料，已将白铜、钛和不锈钢等管材投入运用。

1．白铜管。白铜为铜镍合金，其化学稳定性优于黄铜，并且无选择性腐蚀倾向，其耐腐蚀机理是容易在空气或水中形成纳米级的表面膜，这种膜致密、稳定、自修复速度高，从而保证了管材的耐蚀性。所以，在相同的操作工况下，受腐蚀程度显著轻于黄铜。建议在较苛刻的和水质不稳定的使用环境下，尽可能使用白铜。但其价格高于黄铜，并且由于铜、镍的氧化还原电位不同，容易产生脱镍腐蚀，在缺氧的情况下，也易发生点蚀，限制了白铜的广泛应用。

2．钛管。钛作为冷却管的新型工程材料，对各种水质都具有极强的耐蚀性。钛冷凝器管道对一般的点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀都显示出显著的阻力。因此钛冷却管被认为是不受腐蚀和侵蚀的作为最耐腐蚀的结构金属，其密度小、强度高，并且在沸水环境的研究中，钛的腐蚀阻力显著地高于铜镍合金。在其他材料不能耐受侵蚀的情况下，钛可以说是最佳选择但是，钛也并不是不被腐蚀的，应用和研究发现钛管的失效形式主要是机械损坏，其次是钛管与异种金属管板连接时易发生电偶腐蚀，并且仍存在结垢现象，为此需要采取全钛连接或阴极保护以防止电偶腐蚀同时，由于钛管价格昂贵及安装费高，西方国家和我国都只限于滨海电站和核电站中应用，连接造成的电偶腐蚀和管内结垢仍有待解决，这些都限制了它的全面推广。

3．不锈钢管。由于管材生产工艺和导热等原因，我国很少考虑不锈钢管作为凝汽器冷凝管，然而美国和欧洲则大量使用不锈钢管替代铜管作为冷凝管研究发现，与铜管相比，不锈钢管有以下优点。

(1)材料性能：

①不锈钢管的强度和表面硬度都比铜管、钛管高，许用应力是黄铜管的1.6倍，是钛管的1.5倍，因此不论是汽侧的高速蒸汽及水滴，还是水侧的泥沙污垢及入口端流，都不能对不锈钢管形成明显冲蚀。

②不锈钢管的弹性模量比铜管、钛管高，振动阻尼数值也较铜管大，抗拉强度好，线膨胀系数低于普通铜管，可减少来自内部的应力。

③不锈钢管具有较高的抗腐蚀性能，几乎不发生锈蚀，耐高速流体和循环水介质含泥沙量大、悬浮物多的冲蚀。不论是不锈钢还是铜管，在凝汽器的空气冷却区内，热交换管金属表面经常积聚一些不凝气体，主要是氨气、二氧化碳等铜管对氨气产生的腐蚀极为敏感，造成氨腐蚀不锈钢管恰有较铜管高的抗氨腐蚀能力。

④增加不锈钢中Mo含量可有效地提高不锈钢管在含C1-介质中的耐缝隙腐蚀和点蚀的能力，增加N元素除了可以提高不锈钢的强度外，还能增加耐点蚀性和相对稳定性。

(2)传热效果：

①不锈钢管高粗糙度的金属表面不会形成水膜，有稳定的传热能力，增强了蒸汽与管外壁的换热效果。

②虽然不锈钢管的导热系数较小，但不锈钢管凝汽器总传热效率不一定比铜合金管低，有时甚至还略好一点。

(3)经济性。我国于1995年开始生产凝汽器用薄壁不锈钢焊接管，其价格比轧制的不锈钢管便宜，特别是近年来，随着不锈钢管产量增大和管道焊接技术的成熟，且已国产化，不锈钢管管材的价格与铜管的差距逐步缩小，目前从投资来说两者价格相差甚微。

四、结论

目前在国内经济还欠发达的情况下，不可能把所有的凝汽器黄铜管都换成白铜管、钛管或不锈钢管，因此掌握如何维护黄铜管凝汽器的正常运行、防止腐蚀及腐蚀后应如何弥补至关重要。白铜管和钛管防腐性能较好，但价格较高。不锈钢管具有良好的机械性能、耐蚀性能和经济性，在我国凝汽器上的应用潜力很大。选择不锈钢管作凝汽器换热管是今后的趋势。