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腐蚀与防护   2001年7月   第22卷第7期
范隆海(广西电力试验研究院，南宁530023)
摘   要：根据电厂凝汽器的结构情况及腐蚀特点，对在低电导介质疑水中实施凝汽器阴极保护防腐蚀进行了研究，并对凝汽器阴极保护参数的确定和阴极保护实施中的有关问题进行了分析讨论。
关键词：防腐蚀；阴极保护；凝汽器；淡水      
中图分类号：TG174．41       文献标识码：A       文章编号：1005—748X(2001)07-0303-04
收稿日期：2001-11-01

1   引   言
       火电厂凝汽器因结构复杂、材质多样以及运行环境苛刻，腐蚀损坏较为严重。阴极保护技术作为防止凝汽器腐蚀的重要措施在国外已被广泛采用并取得了良好效果。在我国，高电导的海水或海水倒灌介质中凝汽器的阴极保护防蚀已取得了一些成功经验，而对于低电导淡水介质中(200μS／cm左右)凝汽器阴极保护则研究较少，尚无成功经验。现场调研表明淡水中凝汽器的腐蚀仍不可忽视。

2   阴极保护技术
       阴极保护技术是通过把阴极电流施加到被保护金属表面，使之进行适度的阴极极化，将金属在介质中的电极电位负移从而降低其腐蚀速率。对电厂凝汽器，采用阴极保护防蚀是适宜的。据报道，90年代初日本在淡水冷却的50％、海水冷却的96％的电厂凝汽器上都设置了阴极保护系统。阴极保护可以防止或减轻凝汽器由不同材质引起的电偶腐蚀以及冲刷蚀或砂蚀，通过降低电位，对管材的点蚀、脱锌等均有较好效果，能有效地防止或减缓凝汽器腐蚀的发生。
       由于淡水的电阻率很高(比海水高约200倍)，水质成分与海水相比也有较大差异，浓差、离子迁移对电极过程影响大，阴阳极反应阻力也较海水中要大，所以海水中成功应用的某些结果，如电极的选型和布置、电流电位的分布、保护参数的范围、钙质沉积层的形成和影响、运行控制和调整等，在淡水中却不一定适用，这些问题正是本研究的关键内容。

3   试验和阴极保护系统设计
3．1   阴极保护参数试验
       保护电位和保护电流是阴极保护系统的关键参数。淡水中凝汽器阴极保护参数的经验数据较少，故以试验为主结合资料数据来确定。先以实验室极化曲线法来确定阴极保护的可能性和祖略的保护参数，再以模拟试验研究保护方式进一步确定保护参数。图1、图2是凝汽器中主要受保护材质碳钢和HAl77—2A铜管的阴极极化曲线，介质为天然河水(电导率为200μS／cm左右)。       图1中，外加阴极电流使碳钢试样的电位负移，当外加电流I_app为23．9μA／cm²时，碳钢的阴极极化电位为-0．68V(SCE)，负移量ΔE＝o．31V，可知此时碳钢已得到保护。当I_app继续增大，电位负移至-1．05V(SCE)时，阴极电流急剧上升，并在试样表面见有气泡产生，说明试样电位已负移至析氢电位而致过保护了。故碳钢的保护参数为：-0．68~-1．05V(SCE)、23．9~52．5μA／cm²。同样，图2表明铜材的保护参数为：-0．48~-1．05V(SCE)、16．6~44．6μA／cm²。由此确定凝汽器阴极保护参数为：-0．68~-1．05V(SCE)、23．9~52．5μA／cm²。试验中如果金属电偶作用、温度、流速、以及泥砂和氧化剂量等因素对电极过程的影响均未作考虑；因欧姆电位降“IR”的原因还存在测试和仪器的误差，故实验选定的参数范围只是指导性的，但为凝汽器阴极保护的可能性提供了依据。所得保护电流值较高与均匀全面腐蚀有关。
3．2   阴极保护方式
       牺牲阳极法和外加电流法阴极保护方式各有优缺点，为确定阴极保护方式进行了模拟试验。在凝汽器模拟试验台上分别进行了两种保护方式的动、静态试验。试验水质电导率为200μS／cm左右，铜管为HAl77—2A管，管板为圆形碳钢，牺牲阳极用镁基阳极，外部电源用直流稳压电源，参比电极为高纯锌，电位和电流用数字万能表测量。
       图3、图4是外加电流式动态试验保护参数的变化情况。大约经过36h后电位负移至-0.01V(Zn)，电位负移量ΔE约为o．6V，外加电流稳定值为11．5mA，保护电流密度为150mA／m²。在同样的ΔE情况下，动态时所需的保护电流较静态时大约1倍，动态时电位的稳定性也不如静态时好，估计是水流的紊乱干扰了电流的分布和电极反应速度，阴极极化程度降低而加大了阴极反应电流，同时，动态下钙质沉积层不易形成(尽管很微量)和电流的屏蔽效应也是动态时保护电流较大的原因。
       选择镁基牺牲阳极试验。牺牲阳极表面积与被保护金属表面积之比及值的大小决定着牺牲阳极的形状和数量。试验中选择了3％和9％两个R值水平。
       图5是静态镁阳极时在两个R值水平时管板管端电位变化情况，表明当R值为3％时ΔE仅为2l10mV，9％时增至440mV，这说明静态时R值必须在9％左右时方能有足够的电位负移。图6是用镁阳极时动态下管板管端电位的变化情况，表明在R值为9％时，电位负移至+o．04V(Zn)，相应的保护电流为5．6mA即电流密度为92mA／m²。试验表明，R为3％时电流的变化明显比9％时平缓，初始电流也相差约57mA／m²，说明R值的增大提高了阳极的输出电流；从ΔE来看，R值必需达到9％时才有足够的保护效果。另外，动态下由于介质紊乱，极化相对较困难，稳定时间及稳定值均较静态时有所增大，保护电流也增大近一倍。外加电流和牺牲阳极这两种方式均能使管板及管端电位降低至o．04V(Zn)，这已比碳钢或铜合金在淡水中的自腐蚀电位低o．3V以上，金属处于保护状态。但牺牲阳极法其R值高达9％且此时输出电流比外加电流法小近一倍，表明低电导介质中凝汽器的阴极保护方式较适合采用外加电流式。在模拟试验中，已初步考虑了碳钢与铜合金的面积比、水流及水室结构、铜管的屏蔽等因素，其结果是有参考意义的。
3．3现场保护系统设计
       牺牲阳极法的驱动电位完全取决于牺牲阳极本身和受保护金属的电化学性能，如果驱动电压小输出电流有限，调节能力和适应性差；同时考虑到凝汽器的结构和运行特性以及冷却水的高电阻率，设计凝汽器阴极保护系统为：外加电流式，保护电位范围为+o．25~+o．1V(Zn)，铜材和碳钢的初始平均保护电流为0．15和0．1A／m²，采用20A／90V的磁饱和式恒电位仪，采用Π型铂铌和直棒型锌两种辅助阳极，高纯锌为参比电极，用耐蚀环氧基涂料。

4   阴极保护系统运行结果及分析
       阴极保护系统安装后即进行了静、动态加电和不加电调试，测试了管板与管端电位随时间的变化情况。结果表明管板与管端自然腐蚀电位在o．65~o．72V(Zn)，前后水室略有不同。动、静态加电后的情况相似，但动态达到稳定的时间较长，恒电位仪输出也高一些。静态稳定后管板及管端电位为+o．23~+0．26V(Zn)、恒电位仪输出为9．5V和0．8~1．oA；动态稳定后为+o．30V(Zn)左右、输出为10V和1．o~1．6A。
       图7是机组阴极保护系统半年的运行曲线，表明保护电位较稳定，恒电位仪运行正常且有余量，说明系统设计是基本合理的。
       阴极保护系统运行效果除进行参数监测外，更重要的是其实际的保护防蚀效果。凝汽器腐蚀的电极过程随不同的条件在不断变化，如自然电位的漂移、阴极过程的加速或减缓等，这些都是不能仪从保护电位上反映出来的(还有测试的影响)，单从运行数据不能完全了解保护效果。试验中在安装阴极保护系统的同时安装了钢材和碳钢两组试片，试片在保护和末保护的情况下随系统运行了近两年，大修时取出以评价保护效果。试片检查情况见表l。碳钢在淡水中常是局部性的孔蚀和溃疡状腐蚀，在贵金属电偶作用下其局部腐蚀将更快发展。失重法所得腐蚀速率仪是平均值，难以反映其局部腐蚀程度。在实际工程中，阴极保护所能提供的保护程度如可阻止金属发生危险的局部腐蚀即认为是适宜的；同时从运行凝结水质和水室涂层的检查结果也表明，机组阴极保护系统运行是正常的。