海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)防腐與防污方案研究

陳仕貝，吳新平，高彥明，李珍祥，范麗芳，楊 丹

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510635；3.中國科學院海洋研究所，青島 266071）

1 電站環(huán)境

本文所述的海水抽水蓄能電站一般指建設在海島上、利用海洋作為下庫、在島上修建上庫、在傳統(tǒng)抽水蓄能的基礎(chǔ)上利用海水作為工作介質(zhì)的一種新型抽水蓄能電站。海水抽水蓄能電站有較為廣闊的應用前景，目前國內(nèi)外新能源發(fā)展迅速，海水抽水蓄能電站可與海上風電、光伏等新能源進行聯(lián)合運行，發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等作用。

海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)的特點是用材主要為金屬材料、結(jié)構(gòu)復雜精密、管路數(shù)量眾多，而海水介質(zhì)中的各項指標，如含氧量、鹽度、電導率、溫度、pH值、污損生物種類等，均會對電站的金屬設備及管道產(chǎn)生不同程度的影響［1，2］。因此，特殊的海洋工作環(huán)境對水力機械輔助系統(tǒng)提出了兩大技術(shù)難題：

（1）對輔助系統(tǒng)提出防腐要求。海水存在著大量CL-等鹵素離子，CL-的化學性質(zhì)較為活潑，能阻礙或破壞金屬表層形成鈍化膜，造成金屬的腐蝕。水力機械輔助系統(tǒng)的設備、管道將面臨著海水的腐蝕，影響其使用壽命與運維成本。

（2）對輔助系統(tǒng)提出防污要求。與淡水生態(tài)系統(tǒng)不同，海洋生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)更為復雜，物種非常豐富，數(shù)量更加龐大，海水抽水蓄能電站面臨著嚴峻的海生物附著污損問題，而輔助系統(tǒng)的管道一般口徑較小，特別是測量監(jiān)視系統(tǒng)的管路大部分為埋管，且口徑一般只有DN20～DN50，如果發(fā)生污損，將會導致整個系統(tǒng)管路堵塞，影響機組正常運行，堵塞后的維護疏通也異常困難。

因此，必須建立起海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)有效的防腐和防污方案，其防護對象為：技術(shù)供水系統(tǒng)、油系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、廠內(nèi)排水系統(tǒng)、測量監(jiān)視系統(tǒng)、廠內(nèi)起重設備等。水力機械輔助設備防腐與防污應當根據(jù)自身的設計特點，針對不同的環(huán)境條件，采取合適的工程設計，選取相對比較經(jīng)濟合理且可行的方案。

2 水力機械輔助系統(tǒng)防腐要點

水力機械輔助系統(tǒng)防腐方案應該從3 個方面著手：首先是系統(tǒng)設計，輔助系統(tǒng)的設計要根據(jù)電站的特點進行深度優(yōu)化，降低腐蝕風險；其次是合理選材，選取適合工作環(huán)境的材料，其本身具備一定的抗腐蝕能力；再次是防腐措施，工程常用的防腐措施有涂層∕鍍層防腐、陰極保護法。

2.1 系統(tǒng)設計

優(yōu)良的輔助系統(tǒng)設計能有效降低腐蝕風險，有以下需要注意的設計要點［3］：

（1）設計合理的腐蝕裕度。為了防止均勻腐蝕，管道的壁厚選擇非常重要，選擇適當?shù)母g裕度能有效的提高管道使用壽命。

（2）降低沖刷腐蝕和空化腐蝕。盡量設計平穩(wěn)過渡的流道曲線，既能減少水力損失、避免各種振動噪聲，又能減少湍流海水帶來局部沖刷磨損和局部空化腐蝕。

（3）避免間隙腐蝕。設備的間隙是產(chǎn)生間隙腐蝕的首要因素，需要從設計源頭就消除不必要的縫隙。

（4）避免電偶腐蝕。在異種金屬連接時應該慎重考慮其電位差。電位差是產(chǎn)生電偶腐蝕的最主要原因，一般認為兩種材料之間的電位差小于50 mV 就不會產(chǎn)生明顯的電偶腐蝕。有條件應該采取絕緣措施。

（5）減少應力腐蝕。各種設備、管道的應力分布應該均勻化，減少應力集中，從而可以減少腐蝕區(qū)的受力點。

（6）鉚接和焊接時采用正確的工藝，應使用比基體電位稍高的材料做鉚釘或焊條。

2.2 合理選材

選材方面，通過合理的經(jīng)濟技術(shù)比較，選擇適合的材料作為設備、管道的主材。常用的金屬材料有：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、雙相不銹鋼、超級雙相不銹鋼［4］、鈦、鈦合金、鎳及銅合金。常用的非金屬材料有：玻璃鋼、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR。鈦合金與雙相不銹鋼等在海水中耐蝕性能良好，但價格高，主要用于關(guān)鍵部位。在檢修維護方便的部位，可以選取性價比較好的不銹鋼或碳鋼材料。在強度、剛度要求不高的情況下，也可選擇一些非金屬材料作為主材。

2.3 防腐措施

防腐措施方面，前述的非金屬材料由于具備天然的耐海水腐蝕優(yōu)勢，一般不需要額外的防腐措施，如世界唯一的一座海水抽水蓄能電站日本沖繩海水抽水蓄能電站的壓力鋼管采用FRP（Fiberglass Reinforced Plastic Mortar）材料，為玻璃纖維強化塑料砂漿管，從1999年真機試驗投運到2004年，真機運行5年后，對FRP管進行檢查，F(xiàn)RP層無損傷及腐蝕、磨損［5］。

金屬設備及管道的防腐，目前工程上比較成熟的防腐方案有涂層∕鍍層防腐與陰極保護法。

常用的防腐涂層有環(huán)氧漆、氯化橡膠漆、乙烯漆及無機硅酸鹽富鋅底漆等。使用涂層防腐必須保證涂層使用壽命在一個大的檢修周期中不發(fā)生嚴重脫落。

熱噴涂層因不受結(jié)構(gòu)尺寸限制，應用前景很廣闊。常用的熱噴鍍層有熱噴涂鋁、鋅。純鋅層內(nèi)腐蝕較差，純鋁層電化學保護效果較差，鋅-鋁合金鍍層兼具耐腐蝕性和電化學保護性的優(yōu)點，還可與涂料配套使用，一般在海水條件下使用壽命可達10年以上。

另外還可以內(nèi)襯非金屬，如三元乙丙橡膠、襯氯丁橡膠或丁腈橡膠等，內(nèi)襯非金屬的管路內(nèi)溫度不能太高，襯膠損壞時應保證能及時修復，否則容易形成點蝕穿孔。

陰極保護法可分為電流保護法和犧牲陽極陰極保護法。陰極保護法是保護管道的外表面防止海水腐蝕最有效的手段之一，但是必須在全浸區(qū)才有效。

電流陰極保護通常與涂層保護聯(lián)合使用。海水中陰極電流會促使陰極區(qū)生成氫氧根離子，陰極區(qū)海水中的鈣、鎂離子濃度也會增加，由此引起碳酸鈣和氫氧化鈣過飽和，在金屬表面形成致密的石灰質(zhì)覆蓋層。

犧牲陽極陰極保護法，將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強的金屬將作為負極發(fā)生氧化反應而消耗，被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕。常用的犧牲陽極有鋅合金、鋁合金和鎂合金，一般來說，鋁合金作為犧牲陽極較為經(jīng)濟。

水力機械輔助系統(tǒng)埋管一般敷設在混凝土中，而不是在海水中或土壤中，陰極保護法對于水力機械輔助系統(tǒng)埋管來說效果不明顯。

3 水力機械輔助系統(tǒng)防污要點

3.1 常用防污方法

工程常用的防污方法有物理防污、化學防污。

物理防污一般是指采用物理手段來達到防除污損生物的目的。主要有人工清除法、機械清除法、水噴射流法、過濾法、控制水流速度法、超聲波法、光學法等［6，7］。

物理防污一般具有較好的清潔效果，但是要投入很多人力、物力，有些需要較高的技術(shù)水平要求，對于水力機械輔助系統(tǒng)來講，物理防污不具備可行性。

化學防污是指利用特定的化學手段或殺生劑對污損生物及幼體進行趨避、抑制甚至是毒殺，達到抑制或完全阻止附著，從而達到防污效果。主要有加藥法、涂裝防污涂料法、電解防污法和包覆銅合金防污法［1］。

加藥法是指向處理水中投入具有生物毒性的化學物質(zhì)，達到趨避或滅殺污損生物的目的。加藥法一般較多地用于封閉的小型淡水輸水工程，防止淡水殼菜附著于輸水管道［8，9］。

涂裝防污涂料法，一般指涂覆防污涂料在被保護體表面，涂料分為兩大類［10］：一是含有防污劑（毒性化學物質(zhì)）的防污涂料，這類涂料以釋放殺生劑來進行防污；二是不含防污劑的硅系防污涂料，這種防污涂料是以低表面能為特點，本身不具備毒性，海洋生物可以生長其上，但是附著不牢固，在水流作用下污損生物很容易從涂層上被沖掉［11］。涂裝防污涂料法應用廣泛、成本低，具備一定周期的防污效果，缺點是毒性涂料會破壞海洋生態(tài)環(huán)境。

電解防污法，目前使用最為廣泛的為電解海水防污法，利用特制的電極電解海水產(chǎn)生有效氯，有效氯對海洋污損生物及其孢子、幼蟲具有很強的殺傷作用，以此來達到防污目的［12］。電解海水防污法在濱海電廠和核電站已經(jīng)應用多年，被證實為非常有效的防污手段。

包覆銅合金防污，主要是利用銅或者銅合金在海水中電離產(chǎn)生對海生物有毒的Cu2+，能抑制海洋污損生物的附著，由于Cu2+聚集后對生態(tài)污染較重，這種方式不適合大規(guī)模使用。

3.2 水力機械輔助系統(tǒng)防污方案選擇

水力機械輔助系統(tǒng)的特點為設備多，管道復雜，管道尺寸小，埋設多。根據(jù)常規(guī)抽水蓄能電站經(jīng)驗，管道一般在DN600以下，測量監(jiān)視系統(tǒng)管道更小，一般在DN50左右。流道內(nèi)壁的污損幾乎沒有辦法采用物理防污方式進行清除，采用化學防污主要為預防，從源頭上抑制海生物附著。

涂裝防污涂料的防污方式對于機組過流面的防護是有效的，日本沖繩海水抽水蓄能電站的機組過流面采用的是涂料防污，5年的真機運行試驗后檢查發(fā)現(xiàn)，尾水錐管與尾水管內(nèi)表面有稍高密度貝類附著，但涂層未產(chǎn)生傷害。附著對于機組的過流面糙率產(chǎn)生了一定影響，但是結(jié)果仍然在設計范圍之內(nèi)［5］。對于輔助系統(tǒng)來說，防污涂層要應用到輔助系統(tǒng)管路上，存在著以下幾個難點：

（1）涂覆困難，輔助系統(tǒng)的管路口徑小，要在管道內(nèi)壁涂覆防腐涂料和防污涂料，并且達到一定的結(jié)合力，加工難度非常高。

（2）壽命無法保證，防污涂料一般有效時間為3～5年左右［13］，而抽水蓄能電站使用壽命一般在50年以上。涂料超過服役年限后，容易脫落、裂縫、起泡，內(nèi)壁將會變得更加粗糙，反而更加有利于海生物附著。

（3）一旦管內(nèi)出現(xiàn)涂層破損，特別對于埋管來說，幾乎無法進行二次涂覆。

因此，對于輔助系統(tǒng)設備和管路來說，不推薦采用涂裝防污涂料法。

筆者曾經(jīng)調(diào)研過某核電站，其海水循環(huán)系統(tǒng)采用電解海水防污，根據(jù)核電站相關(guān)規(guī)范要求［14］，電解海水產(chǎn)生的有效氯連續(xù)加藥量濃度不低于1 mg∕L，沖擊加藥濃度不低于3 mg∕L，運行多年后，主管和輔助管道內(nèi)均無海生物嚴重附著的情況發(fā)生。電解海水防污產(chǎn)生HClO-、ClO-、Cl2等有效氯，有效氯利用其強氧化性殺死海洋污損生物的幼蟲或孢子，達到防污效果。有效氯是一種不穩(wěn)定的強氧化劑，能在海水中快速衰減，包括揮發(fā)消耗和發(fā)生氧化還原反應消耗［15］。這種快速衰減性，使其不會對電站以外的海生物產(chǎn)生危害，從而有利于保護海洋生態(tài)環(huán)境。

水力機械輔助系統(tǒng)中，對于流體流動性較差的部位，如測量儀表等盲端結(jié)構(gòu)，可以選用銅合金如B30白銅作為設備主材，B30白銅自身具備一定的防腐能力，同時也有優(yōu)異的防污性能。

綜上，海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)以電解海水防污為主要方案。

4 海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)防腐與防污方案

4.1 技術(shù)供水系統(tǒng)防護

水力機械技術(shù)供水系統(tǒng)主要為機組及其他設備、系統(tǒng)供應冷卻水或潤滑水。與常規(guī)抽水蓄能電站所不同，海水抽水蓄能電站所處位置為海島，面臨嚴重海水腐蝕、海生物污損的風險，且海島上淡水資源緊張，技術(shù)供水的方式也需要進行適當?shù)恼{(diào)整。一般來說，因為海水中礦物質(zhì)豐富，海生物、微生物等種類繁多，海水無法作為冷卻水源直供給各冷卻器，容易造成礦物質(zhì)沉淀或海生物附著污損。參考核電站常規(guī)島的技術(shù)供水模式，海水抽水蓄能電站的技術(shù)供水冷卻供水可采用二次循環(huán)冷卻方式，包括淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、海水外循環(huán)與海水直供系統(tǒng)。

（1）淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的主要特點是，介質(zhì)為淡水，腐蝕性很小，幾乎不存在海生物污損可能性，只需要考慮外表面的防腐。淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)設備有：儲水箱、水位控制自動化元件、水泵、濾水器、閥門、測量儀表等。淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的管路和設備材料選用不銹鋼（316 L 以上），外表面做防腐涂層。淡水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)基本無海生物污損風險，僅需要在淡水源頭進行滅活消殺即可。

（2）海水外循環(huán)與海水直供系統(tǒng)。海水外循環(huán)與海水直供管路系統(tǒng)的特點是，流體介質(zhì)為純海水，存在小口徑的埋管（海水取水管與排水管），海水腐蝕風險很高，海生物污損會導致嚴重的管路堵塞。海水外循環(huán)系統(tǒng)的設備有：海水泵、過濾器、換熱器、閥門、測量儀表、預留沖洗接口等。海水直供系統(tǒng)的設備有：海水泵、過濾器、閥門、測量儀表、預留沖洗接口等。壓力、結(jié)構(gòu)強度不高的管道優(yōu)先選用防腐性能好的有機材質(zhì)，如玻璃鋼、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR，無需做其他防腐措施。埋管材料選用雙相不銹鋼，不采用防腐防污涂層。明敷管路材料選用10ClMoAl或不銹鋼（316 L以上）。自動化元件材料選用白銅，表層防腐涂層。海水泵的轉(zhuǎn)輪葉片等轉(zhuǎn)動過流部件選用雙相不銹鋼（或超級雙相不銹鋼），不用做其他防腐措施；泵殼選用等非轉(zhuǎn)動過流面選用碳鋼或高鉻鉬不銹鋼，選用碳鋼時泵殼內(nèi)表面應襯膠防腐，選用不銹鋼應做涂層防腐；泵軸等不直接接觸海水等非過流部件，可選用碳鋼或低合金鋼，做表面涂層防腐。換熱器可選擇管殼式換熱器，材料推薦選用雙相不銹鋼、鈦合金。過濾器、閥門、接口等設備材料選用不銹鋼（316 L 以上），增加涂層防腐。濾網(wǎng)等易腐蝕件選用雙相不銹鋼或鈦合金。防污方案，主要依靠電化學防污，停機時，對系統(tǒng)各管路定時沖洗，達到滅殺附著生物的目的。

4.2 排水系統(tǒng)防護

同常規(guī)抽水蓄能電站，海水抽水蓄能電站排水系統(tǒng)分也為機組檢修排水系統(tǒng)、滲漏排水系統(tǒng)、廠房事故排水。排水系統(tǒng)特點是，介質(zhì)主要是海水，埋管較多，管徑比技術(shù)供水系統(tǒng)稍大（DN200 以上），滲漏排水泵一般為潛水泵，干濕交變。排水系統(tǒng)主要設備有：海水潛水泵、水位控制自動化元件、測量儀表、閥門、預留沖洗接口等。

壓力、結(jié)構(gòu)強度不高的管道優(yōu)先選用防腐性能好的有機材質(zhì)，如玻璃鋼、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR。無需做其他防腐措施。埋管材料選用雙相不銹鋼，不采用防腐防污涂層。明敷管道材料選用10CrMoAl 或不銹鋼（316 L以上）。測量管道與自動化元件等材料選用白銅，涂覆防腐涂層。海水泵的轉(zhuǎn)輪葉片等轉(zhuǎn)動過流部件選用雙相不銹鋼（或超級雙相不銹鋼），不用做其他防腐措施；泵殼選用等非轉(zhuǎn)動過流面選用碳鋼或高鉻鉬不銹鋼，選用碳鋼時泵殼內(nèi)表面應襯膠防腐，選用不銹鋼應做涂層防腐；泵軸等不直接接觸海水等非過流部件，可選用碳鋼或低合金鋼，做表面涂層防腐。閥門、接口等設備材料選用不銹鋼（316 L 以上），增加涂層防腐。防污方案，主要依靠電化學防污，停機時，對系統(tǒng)各管路定時沖洗，達到滅殺附著生物的目的。

4.3 測量監(jiān)視系統(tǒng)防護

測量監(jiān)視系統(tǒng)特點是，介質(zhì)為海水，管徑很?。ā蹹N50），大部分為埋管。測量監(jiān)視系統(tǒng)主要設備有，自動化元件、儀表、小型儀表閥、預留沖洗接口等。測量監(jiān)視系統(tǒng)的埋管腐蝕與污損問題都很突出。小口徑管路的壁厚相對較薄，易遭受點蝕而穿孔。另一方面，管內(nèi)流體不流動，海生物一旦在內(nèi)部附著成功，直接導致管路堵塞失效。測量監(jiān)視系統(tǒng)管路不適合做防腐與防污涂層，所有埋管和測點均應設雙備份，為了便于加氯沖洗，管路還應減少彎頭和分岔。一般抽水蓄能電站的使用壽命在50年以上，小口徑埋管的使用壽命也應該與電站壽命相匹配，管道材質(zhì)應首選耐腐蝕性能優(yōu)異的雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼，不使用防腐涂層及防污涂層，明管部位留有加氯沖洗接頭。自動化元件、儀表、儀表閥等推薦選用抗污損性能好的白銅，防止靜水模式下生物生長附著。防污策略，主要依靠電化學防污，停機時，對系統(tǒng)各管路定時沖洗，達到滅殺附著生物的目的。

4.4 油系統(tǒng)與氣系統(tǒng)防護

油系統(tǒng)與氣系統(tǒng)主要特點是，管內(nèi)介質(zhì)不含海水，不存在生物污損可能，僅需要考慮空氣中高濕度、高鹽霧的影響。氣系統(tǒng)在空氣壓縮機前應加裝除鹽霧裝置，防止鹽霧濃縮，造成設備損壞。油系統(tǒng)主要設備有，齒輪油泵、儲油裝置、液壓裝置、濾油裝置、閥門、儀表。氣系統(tǒng)主要設備有，空氣壓縮機、壓力容器、除鹽霧裝置、空氣干燥過濾器、閥門、儀表。油、氣系統(tǒng)除了需要滿足相應等級的內(nèi)壓強度，需要考慮鹽霧腐蝕。油泵、液壓裝置、空氣壓縮機可選取不銹鋼（316 L 以上），主要防止因工作時溫度過高引起晶間腐蝕。壓力容器、儲油裝置選擇容器鋼Q345R，內(nèi)外表面需要防腐涂層。其余氣管、閥門、儀表等選用不銹鋼（316 L以上），外表面需要防腐涂層。

4.5 電解海水防污系統(tǒng)防護

電解海水防污系統(tǒng)特點是，介質(zhì)為海水及含有次氯酸鈉溶液的海水。電解海水防污系統(tǒng)主要設備有，取水泵、過濾器、電解槽、酸洗箱、儲藥罐、加藥泵、閥門、儀表與自動化元件、預留沖洗接口等。低壓管道（P≤1.6 MPa）可以選用防腐性能好的非金屬材質(zhì)，如FPR 或PVC 復合材料，無需做其他防腐措施。其余管道材料選用10ClMoAl 或不銹鋼（316 L 以上），涂覆防腐涂層及防污涂層，埋管有條件還應做陰極保護。取水管道增加預留沖洗接口，防止生物污損。電解槽槽體選用FPR 或PVC 復合材料，陽極材料為鈦基金屬氧化物陽極，陰極材料為工業(yè)純鈦或哈氏合金［14］。海水泵的轉(zhuǎn)輪葉片等轉(zhuǎn)動過流部件選用雙相不銹鋼（或超級雙相不銹鋼），不用做其他防腐措施；泵殼選用等非轉(zhuǎn)動過流面選用碳鋼或高鉻鉬不銹鋼，選用碳鋼時泵殼內(nèi)表面應襯膠防腐，選用不銹鋼應做涂層防腐；泵軸等不直接接觸海水等非過流部件，可選用碳鋼或低合金鋼，做表面涂層防腐。儲藥罐、酸洗箱選用FPR 或PVC 復合材料。閥門選用不銹鋼（316 L以上），涂層防腐；或選用碳鋼，內(nèi)襯塑料。

4.6 其他輔助系統(tǒng)防護

起重機與其他干式設備都不直接接觸海水，只存在鹽霧腐蝕風險。材料推薦碳鋼或不銹鋼，外表面加防腐涂層。設備基礎(chǔ)可選用碳鋼Q345，外表防腐涂層。螺栓選用鍍鋅或鍍鋁高強度鋼，外表防腐涂層。

5 方案成果

綜合上述分析，對于海水抽水蓄能電站水力機械輔助系統(tǒng)防腐與防污的方案有以下幾點成果總結(jié)。

①電站整體防污方案為電解海水防污，制定適當?shù)臎_洗計劃，對設備及管道進行沖洗，避免生物附著。②從設計時考慮海水與淡水分開設置，降低腐蝕與污損的風險。③輔助系統(tǒng)由于管徑較小、埋管數(shù)量多，不推薦涂刷防腐與防污涂層，建議選用優(yōu)質(zhì)耐腐蝕材料。④重點部位，如泵軸、葉片、密封、換熱管等，應根據(jù)其工作特性進行選材，制定合理的防腐防污方案。⑤在滿足強度、剛度、使用壽命等條件下，優(yōu)先選擇天然耐腐蝕的非金屬材料。 □