淺析凝汽器設計制造中防腐技術的應用

俞 磊

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090)

0 概 述

氧氣是生命和繁衍生息的必需品，但也會使鋼鐵產生腐蝕。在日常生活中，碳鋼的銹蝕現(xiàn)象很常見，究其實質就是金屬被氧化腐蝕的過程。設備被腐蝕是一個重大的問題，因此，研究和采用新穎的防腐工藝，可延長產品的使用周期，防止設備發(fā)生重大事故。

1 金屬腐蝕

金屬的腐蝕是指金屬和周圍介質發(fā)生化學或電化學作用而引起的破壞，有時，還伴隨著機械、物理及生物方面的作用。

金屬電化學腐蝕的機理，就是一個原電池的工作原理。由于金屬表面各成分的電極電位不同，形成電勢差，不同成分的鐵質通過電解質的作用，在兩者之間產生了一個電子通路， 從而構成了1個微小的原電池。在鋼鐵表面生成的微小原電池的示意圖，如圖1所示。

圖1 鋼鐵表面生成的微小原電池示意圖

2 腐蝕分類

按照腐蝕機理分類，金屬腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。金屬的化學腐蝕是指金屬與非電解質直接發(fā)生純化學作用而引起的金屬破壞，在腐蝕過程中沒有電流產生。

金屬的電化學腐蝕是指金屬與電解質發(fā)生電化學作用而引起金屬的破壞。在電化學腐蝕過程中，同時存在兩個相對獨立的反應過程，即陽極反應和陰極反應，并伴有電流產生。

3 凝汽器常用防腐方法

3.1 正確選材

設計時，從原材料的選擇上，就開始考慮防腐問題。根據(jù)凝汽器的運行環(huán)境，選擇該環(huán)境下腐蝕速率較低的材料，以減緩金屬腐蝕的發(fā)生，主要是對凝汽器管子及水側管板材質的選取。

在沿海地區(qū)或內地的某些電廠，常直接抽取附近電導率較高的水或海水，作為設備的冷卻水源。冷卻水經過濾后，被送至凝汽器水側管路內，并與凝汽器內蒸汽進行熱交換，從而達到冷凝蒸汽的目的。因冷卻水的電導率較高，從而對金屬材質提出了較高的耐腐蝕要求。通常，對于防腐要求較高零件，常選取耐腐蝕能力較強的不銹鋼管、不銹鋼+碳鋼的復合板、鈦管、鈦+碳鋼的復合板等材料。

3.2 緩蝕劑

若在流體中加入少量的化學物質，即可使金屬被腐蝕的速率大大降低，這類化學物質稱為緩蝕劑。由于所需添加緩蝕劑的量較少，所以，常被應用在水壓試驗等工序中。

3.3 陰極保護

陰極保護是電化學保護技術中的一種方法，是采用外加電流對陰極進行保護，其原理是向被保護金屬結構的表面施加一個外加電流，讓被保護的金屬結構成為陰極，從而使金屬腐蝕時發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

采用陰極保護時，還可使用犧牲陽極法，其原理是將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構成原電池，還原性較強的金屬將作為負極發(fā)生反應而被消耗，被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕。犧牲陽極保護法的示意圖，如圖2所示。

圖2 犧牲陽極保護法示意圖

凝汽器水室與腐蝕介質直接接觸，通?？稍O置防腐鋅塊作為犧牲陽極，對水室進行防腐。防腐構造較為簡易，防腐效果明顯，故目前主流凝汽器水室內部補充的防腐措施，通常采取該法進行防腐。

3.4 非金屬襯里

當鋼鐵被浸沒在電解溶液時，將產生非常嚴重的腐蝕，但許多非金屬物質卻對這類環(huán)境有著優(yōu)良的耐腐蝕性，所以，對于被電解液浸漬的部件，可采用類似橡膠、塑料、陶瓷等襯里材料，能發(fā)揮特有的防腐效果。

此類技術主要應用于凝汽器水室、循環(huán)水管、管板與水室等結合面，采取襯膠方式可有效隔絕電解液與碳鋼組件的接觸，從而達到防腐的目的。

3.5 涂料

在金屬表面涂敷防腐材料，形成層狀的固態(tài)薄膜，以阻隔電解液黏附在金屬表面，隔絕原電池結構中的電子通路，從而起到防腐作用。涂料防腐在日常的金屬防腐中較為常用，應用范圍也非常廣泛，是目前工業(yè)防腐中主要的防腐措施之一。

在凝汽器外表面上涂敷涂料進行防腐的方式較為常見，根據(jù)設備所處環(huán)境的不同，選擇合適的耐蝕等級，按標準或企業(yè)制定的防腐技術條件，選取油漆類型、厚度、配套工藝，也可達到較好的防腐效果。

由于凝汽器設備體積較大，目前，多數(shù)電廠均采用將散件運至現(xiàn)場進行組裝的方式，為避免散件運抵現(xiàn)場后發(fā)生嚴重的銹蝕情況，通常會涂覆臨時性的水溶性防銹劑，防止設備內件被腐蝕。水溶性防銹劑具有施工方便的優(yōu)勢，可噴涂，可輥涂，也可根據(jù)防腐時間的長短，直接用水進行稀釋，成本較為低廉。在我國引進凝汽器技術的初期，出于對凝汽器內部水質方面的考慮，都要求在凝汽器內表面不得涂覆涂料等防腐物質，即使涂覆，也會要求在運行前去除。因水溶性防銹劑的去除較為方便，且價格低廉，在設備運行前，利用設備的灌水沖洗，水溶性防銹劑就自然會溶于水中，并被帶出設備，省略了去除該物質的工序，所以，國內凝汽器內部的防腐，均采取該法進行防腐處理。近年，在國家層面組織編制的標準中，也有提及采用對水質污染較小的醇酸等涂料進行防腐，但由于醇酸涂料的應用特性，其剝落后呈塊狀，極易堵塞凝汽器底側的濾網(wǎng)。若采用醇酸防腐工藝，在長期處于高濕高溫的內部環(huán)境下，其耐蝕等級較低，所以，很多大型裝備制造企業(yè)均不會考慮使用。

雖然水溶性防銹劑具有諸多優(yōu)勢，但也有較多弊端，如不能在室外露天存放，遇到雨天，工件外表面的防銹劑將被直接沖走。故在早期的核電站凝汽器制造技術中，就有在凝汽器內部部組件上采取涂覆涂料的防腐措施，涂覆涂料是由鎳基粉劑和乙烯基溶劑組成的混合漆，耐腐蝕的效果較好，且耐高溫(約650℃)。該涂料粉化后的顆粒較為細膩，不會堵塞凝汽器過濾網(wǎng)，對水質無明顯的影響。近年來，各大核電站在設計初期，就紛紛采用了該項技術，以期達到延長設備使用壽命的目的，但該涂覆涂料的價格較高。

4 新技術及新工藝的應用

4.1 環(huán)保型環(huán)氧漆

隨著我國綜合國力的提高，國內對新技術的研發(fā)水平也在不斷提高，在防腐技術上，涌現(xiàn)了很多新技術和新工藝。早期對凝汽器水室及循環(huán)水管的防腐，常采用價格低廉易施工的環(huán)氧瀝青進行防腐，對于采用海水介質的冷卻設備，均采用傳統(tǒng)的襯膠工藝作為防腐措施。

近年來，因采用環(huán)氧瀝青工藝對環(huán)境的污染較嚴重，該工藝逐漸被淘汰，取而代之的是耐蝕性能更加優(yōu)異的高固態(tài)改性環(huán)氧產品。該產品添加了鱗片阻隔成份，增強了涂層隔絕介質的能力，易于施工，結合對主劑成分的控制，很多改性的玻璃鱗片漆，可按飲水儲罐的儲放標準進行認證，施工時，幾乎沒有異味，具有很高的環(huán)保性能，可長期在溶液浸沒的狀態(tài)下使用。

新環(huán)保型高固態(tài)玻璃鱗片環(huán)氧漆與常規(guī)襯膠、環(huán)氧瀝青工藝相比，具有施工簡易特點，且不需配置專用的硫化釜等工裝，若出現(xiàn)局部破損，在現(xiàn)場即可修補，環(huán)保性能好。與襯膠工藝相比，施工周期較短，成本低于襯膠的價格。因此，在海水或電導率較高的介質存儲產品中，環(huán)保型環(huán)氧漆的應用前景較為寬廣。

4.2 陶瓷涂層

目前，還出現(xiàn)了很多陶瓷涂層類的高分子環(huán)氧漆，具有很好的耐腐蝕性能。高分子環(huán)氧漆的表面耐磨性能良好，也便于現(xiàn)場施工，但高分子原材料的價格較高，造成工程的總體價格偏高，較多應用于換熱器耐蝕面的局部或整體修復，以延長設備的使用壽命。

4.2.1 陶瓷涂層的耐腐蝕試驗

選用陶瓷涂層樣品，對小樣涂覆后，模擬海水噴淋進行加速腐蝕試驗。擬定的試驗參數(shù)，如表1所示。

表1加速腐蝕試驗參數(shù)

試驗溶液溫度/℃溶液濃度/( g·L-1)(質量比)溶液沖刷流速/( m·s-1)pH值T試驗=22±5ρ溶液=50±5v溶液≥26～7

監(jiān)測的主要項目有：

(1)實驗中溶液溫度。

(2)溶液pH值。

(3)溶液沖刷的流速。

(4)溶液電導率。

(5)試樣板表面變化情況(起皮、脫落、銹蝕)。

(6)試樣板的定期(7d)稱重，檢測質量失重情況。

試驗裝置的配置及模擬噴淋的狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 模擬海水噴淋加速腐蝕試驗

試驗步驟為：使用乙醇將試樣板表面油污用干凈白布擦拭干凈并晾干→試板稱重并記錄→使用天平稱250g NaCl,并用水稀釋至5L→調勻使NaCl充分溶解于水中→將蠕動泵轉速從零緩慢增速至300 r/min,檢查管路是否泄漏，沖刷位置是否偏離→檢查無異常后，將蠕動泵緩慢增速至600 r/min，流速為2.2 m/s→每天記錄溶液溫度、pH值、溶液電導率、試樣板外觀變化情況。

通過31d的耐蝕沖刷試驗，試樣板的測試表面未出現(xiàn)銹蝕、剝落等情況，測試面符合外觀質量要求，基材未顯露。試樣板總質量未明顯變化，耐蝕性能優(yōu)異。測試前后試樣板表面涂層的變化，如圖4所示。

測試前

測試后

圖4 測試前后試樣板表面涂層的變化

4.3 噴涂防腐

噴涂防腐(HOVF)又被稱為超音速火焰噴涂，是國外首創(chuàng)的一種熱噴涂技術。超音速火焰噴涂的核心設備是噴槍，噴槍由燃燒室、Laval噴嘴和等截面長噴管等部件組成?；鹧鎳娡康墓ぷ髟?，是將煤油從小孔引入燃燒室，經霧化后，再與氧氣混合后燃燒，發(fā)生強烈的氣相反應，燃燒產生熱能使氣體劇烈膨脹，膨脹氣體流經Laval噴嘴時，受噴嘴的約束而形成了超音速高溫焰流。焰流加熱了噴涂材料，并隨焰流加速噴至基體表面，從而形成了高質量的防腐涂層。

該種技術可通過對鋼材表面噴涂各類耐蝕金屬，提升低成本碳鋼的耐蝕性能。針對客戶對材質不同的需求，可使鋼材達到耐蝕、耐磨、耐熱、耐酸、耐堿的特殊要求。選擇不同的噴涂金屬棒材，經加工粉化后，再利用噴涂技術噴涂在工件表面上，實現(xiàn)工件表面的改性，提升材料的附加價值。目前，噴涂技術幾乎能夠囊括所有的金屬材料，即所有可加工成棒材的防腐材料，皆可應用該項技術，應用前景較好。

現(xiàn)今，該項技術主要應用在有特殊需求的緊固件上，主要是因為噴涂的成本較高，國內主流的輔機設備，大多都采用低碳鋼進行設計和制造，若噴涂的表面積較大，性價比不是很高，但對于小型部件的局部防腐，具有非常好的效果。

4.4 噴涂螺栓的工藝流程

在噴涂前，將螺紋試片焊在螺栓頭部，盡量使試片螺紋與螺栓螺紋高度一致。手工噴砂清理螺栓上的油污，采用防護膠帶保護不噴砂部位，噴砂顆粒為46號。在夾持部位加銅片防護，避免夾傷螺栓。粉末烘培溫度為120℃，時長2 h。工件轉速為260～300 r/min，噴涂槍的橫移速度，為每轉4～6 mm。噴涂時的工藝參數(shù)，如表2所示。

表2 噴涂時的工藝參數(shù)

5 結 語

鋼材在微觀上已存在著陰極(鐵)和陽極(碳)，防腐的關鍵在于控制電解質溶液與陰、陽極之間的接觸，防止產生電子通路。對于涂裝技術的應用，關鍵在于基材清理，對于基材清理時的環(huán)境條件及涂裝控制，在涂裝的工藝操作中至關重要。因此，做好凝汽器防腐的關鍵，是前期基材的預處理。嚴格的過程控制和操作管理，才能達到預期的防腐效果。