选择合适的防腐材料

文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:21 发布时间:2018-04-04
海水循环冷却系统的材料防腐性能比较。
选择合适的防腐材料

本文针对海水的腐蚀性问题,对海水循环冷却系统中的循环泵、热交换器所使用材料的耐腐蚀性做了简单介绍,对比了不同材质耐海水腐蚀性的高低;对不同形式的海水冷却塔采用的防腐做法进行了阐述,同时为了解决海水冷却塔的腐蚀问题,新开发的冷却塔技术起到了很好的防腐效果。根据各种管材在目前工程中的使用情况,对比了不同材质管道的优缺点,球墨铸铁管和玻璃钢管的耐腐蚀性优于其他几种管材,在长距离输送海水的工程项目中具有较好的应用价值。

据统计,城市用水中约80%是工业用水,而工业用水中又大约80%是冷却用水,沿海城市大规模直接利用海水作为工业冷却水可大大缓解我国沿海城市淡水资源的紧缺,而淡水价格的日益增加也促使沿海企业不得不考虑利用海水来提高企业效益。大规模直接利用海水替代淡水作为冷却水,将有效地降低沿海高用水企业的用水成本,是提高企业效益的重要举措。

海水循环冷却技术是在海水直流冷却技术和淡水循环冷却技术基础上提出的,实现了以海水代替淡水作为工业循环冷却水,比海水直流冷却减少温排水95%,并降低运行成本50%。海水循环冷却技术具有海水取水量小、排污量小、工程投资和运行费用低等优点,在投资、环保、技术和经济等方面均具优势,是未来海水冷却技术的主要发展方向之一。随着各项科技成果及示范工程的成功,海水循环冷却已开始在我国沿海电力化工、石化等行业产生重大示范、带动和辐射作用。但由于海水较强的腐蚀性,在海水循环冷却系统中,与海水直接接触的设备和管道的耐腐蚀性能,成为一项较为重要的议题。

循环泵防腐

海水循环泵提供海水通过热交换设备、海水冷却塔及管道时的水头损失,泵的外壳和叶轮与海水直接接触,因此水泵的防腐问题是首要考虑的。

目前市场上海水循环泵泵壳的材质主要有低镍铸铁、铜基合金和316L不锈钢等。根据研究结果,含镍量超过7%的铸铁在含砂流动海水中的耐腐蚀性能显著提高,且其腐蚀速率会随镍含量的增加而明显降低,且没有点蚀发生。添加铬虽然能降低腐蚀速率,但局部腐蚀敏感性显著增大。在铜合金中,32#合金的耐腐蚀性明显优于其他铜合金,铜镍合金的耐腐蚀性与其相当,铝青铜次之,锡青铜和硅黄铜较差,紫铜对海水的敏感性太强,不适宜作为海水循环泵的材料。不锈钢材质对海水的耐腐蚀性要比铜镍合金的耐腐蚀性强,但在海水有一定含砂量的情况下,容易导致腐蚀穿孔的发生,使得不绣钢的耐腐蚀性明显下降。

泵叶轮材质主要有铜合金及不锈钢材质。水泵叶轮宜选用双相不锈钢,但由于双相不锈钢对水冷却系统中所有可能使用的金属结构材料都具有非常明显的电偶腐蚀作用,故同时需增加阴极保护处理。当循环水泵采用外加电流的阴极保护时,钌、铱及钛阳极是辅助阳极比较合理的材料。

热交换器防腐

根据经验,在夏季室外平均温度不高的地区,采用热交换器即可满足设备冷却的要求。为了减少海水腐蚀,热交换器宜选用钛材、铜合金和特种不锈钢等耐海水腐蚀材料,并采取合理的防腐结构设计,减少或避免局部腐蚀。目前较多采用钛钢和双相不锈钢材质。

在海水中,不锈钢的均匀腐蚀速度较低,低于0.001 mm/a,但局部腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及应力腐蚀破裂等却容易发生。

钛及其合金由于密度小、比强高及耐腐蚀,越来越受到各个工业领域的重视。钛在热力学上是不稳定的金属,但由于钛及其合金在大气和水溶液中很容易形成保护性极好的氧化膜,使之处于钝化状态,因而成为在许多腐蚀环境中都十分耐蚀的材料。和不锈钢相比,钛的耐蚀性特点是极易钝化、钝化区宽、钝化膜抗氯离子的破坏作用强,以及其比强度高、加工性好,因此极适合在海洋环境中使用。但由于钛及钛合金的价格比钢、铜等常用结构材料高很多,因此在选用钛合金时,一般在腐蚀环境比较苛刻,且设备的关键部位才使用。钛也不是绝对抗腐蚀,当钛与其他金属材料偶合使用时,要解决好电偶腐蚀作用,一般采用控制钛与其他金属的面积比的方法,也可采取绝缘措施和阴极保护的方法来解决。

钛虽有诸如价高、设备制造难度高及焊接性能差、吸氢和缝隙腐蚀等问题,但随着这些问题的逐步解决,钛材将具有广阔的应用前景,成为热交换器材料的一个发展方向。

海水冷却塔防腐

海水冷却塔是海水循环冷却系统的主要组成部分,其技术关键是在满足热力性能的同时,能够有效防海水腐蚀、生物附着和盐雾飞溅。冷却塔的形式有很多,根据结构和组成主要需要考虑钢筋混凝土部分防腐及内部钢构件的防腐。

自然通风冷却塔大部分都是钢筋混凝土结构,其防腐做法参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》,其内容主要包括混凝土结构形式和构造、普通混凝土、高性能混凝土等有关防腐蚀方面的要求和措施,以及海港工程采用混凝土表面涂层保护、硅烷浸渍保护、环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂等特殊防腐蚀措施的有关规定。

机械通风式冷却塔及其他形式冷却塔用于海水循环冷却时,冷却塔外壳及填料都可以采用非金属材质起到防腐作用,主要解决好冷却塔钢构件的防腐问题,包括配水管和吊架等,其材料目前用得最多的是铝黄铜、海军铜、铜镍合金、钛、不锈钢、碳钢和低合金钢。目前,除上述材质外,铝合金、氟塑料等材料也逐步应用在海水冷却塔中。铝合金在不与钢、铜合金偶合使用的情况下,比铜镍合金的耐腐蚀性要强。

除对冷却塔的材质做到防腐外,目前,对于新型式海水冷却塔的开发也在不断进行中。比如逆流式机力通风海水冷却塔、海水冷却塔专用收水器的发明等,对解决耐海水腐蚀、有效地防止盐沉积和盐雾飞溅,以及提高热传导效率等方面有积极的贡献。

在冷却塔及其相连构件上,应尽量采用非金属构件,其防腐蚀性明显优于金属构件。比如托架、栏杆、检修走道、平台、格栅和盖板等均可采用玻璃钢或PVC材质。

输送海水管道选材

海水腐蚀性较强,当长距离输送海水时,管道的安装工作量较大,因此,管材必须具有耐腐蚀性好、连接性能好、施工方便、使用寿命长以及抗冲击能力强等优点。用于输送海水的管材通常为球墨铸铁管、钢管、钢筋混凝土管及玻璃钢管等,以下将对这几种管材的优缺点进行综合比较。

1.球墨铸铁管道

1.1 球墨铸铁管的优点

(1)力学性能较好。球墨铸铁管其抗拉强度及耐压性能与钢管相当,承受土壤静荷载及地面动荷载的能力通常比其它管材强;

(2) 安装简便、综合工程造价较低。由于球墨铸铁管具有一定的强度和韧性,且重量较混凝土管道轻,因此在运输和安装过程中破损率极低,而且采用的柔性接口比焊接接口的安装更为方便。

(3) 可靠性提高。为保证安全供水,球墨铸铁管具有较高的承压能力和一定的延伸率,又采用柔性接口,因此供水的安全性得到提高。橡胶圈密封柔性接口的特点是轴向偏移角为3˚~5˚(S型最大偏移角为7˚ ),因此整条管线具有柔性结构性能,具有较强的抗震和防基础下陷的能力。

(4) 耐腐蚀性能好,使用寿命长。球墨铸铁管比其他材质的铸管具有更好的耐腐蚀性能。在海水中腐蚀速率比钢管要慢一倍。而且,球墨铸铁管的防腐涂层保护,大大提高了管道的防腐性能。

球墨铸铁管的防腐涂层主要有外表面涂层和内表面涂层。球墨铸铁管外表面首先需涂覆锌层,采用的方法为喷涂法,将金属锌或锌合金加热至熔化状态,再用喷枪射出微粒喷在管身外壁。管身外壁喷锌后,应再涂覆与锌基涂层相兼容的终饰层,如沥青漆和合成树脂

为改善铸铁管的水压性能,防止发生腐蚀危害,球墨铸铁管内部需要做水泥砂浆内衬。当输送腐蚀性流体时,这时可以分别或综合采用下述几种方法:增加水泥内衬的厚度;改变水泥的种类;在内衬上增加涂层。
由于海水的强腐蚀性,标准防腐做法不足以抵抗海水及海岸土壤的腐蚀,因此球墨铸铁管需要加强防腐。内表面一般采用高铝水泥或抗硫酸盐水泥,或采用特殊涂层内衬,有聚氨酯涂层和环氧陶瓷内衬。新型的防腐涂层做法也在不断研发和推广应用。外表面采用加强级防腐或涂覆特殊涂层,加强级防腐的做法是在标准防腐层外面套上0.2 mm的聚乙烯保护套,使管道和腐蚀性土壤隔绝开。特殊涂层是在球墨铸铁管道外表面涂覆聚氨酯涂层保护。

天津北疆电厂采用球墨铸铁管道输送淡化海水,采用聚氨酯内防腐涂层,全线长约54 km,输送前后水质保持稳定。香港采用内衬抗硫酸盐混凝土的钢管和球墨铸铁管输送海水已有近50年的历史。

1.2 球墨铸铁管的缺点

2.钢管

钢管相比于其他传统管材,材质较轻、强度高、韧性好,可以承受较高的内压,管材及管件易加工、建设周期短、易于维修,并且能适应复杂或恶劣的地质环境。但钢管在使用中也存在很大的弊端,由于钢管的不耐腐蚀性,造成钢管的内外防腐处理麻烦,而且钢管的整体造价较高,寿命较短。为了解决钢管耐海水腐蚀性差的问题,在《海水输送用合金钢无缝钢管》(GB/T 30070-2013)标准中,规定合金钢采用10 CrMoAl,可以大大提高钢管的耐腐蚀性,促进了钢管在海水输送中的应用。

3 玻璃钢管道

3.1 玻璃钢管道的优点

(1)耐腐蚀性好,可有效保证水质。纤维缠绕玻璃钢管道结构上分内衬层、结构层及外保护层三部分,通过对内衬层和外保护层所用树脂的选择,可使玻璃钢管道在输送液体时具有不同的耐腐蚀性能,从而满足不同的工作需要。而且玻璃钢管道采用非金属材料制成,不会生锈,对水质无二次污染;内壁光滑,长期使用,不会产生水垢和微生物的滋生,可有效保证水质。

(2) 自重轻,强度高,安装、运输方便。玻璃钢管道的比重在1.65~2.0之间,只有钢管的1/4,但玻璃钢管的轴向拉伸强度为160~320 MPa,近似合金钢,其比强度(强度/比重)是合金钢的2~3倍。玻璃钢管道多采用承插连接方式,安装快捷简便。中小口径的玻璃钢管道,一般不需重型机械,提高了安装速度。

(3) 内壁光滑,摩擦阻力小,输送能力高。玻璃钢管道内壁糙率系数n为0.0084,而混凝土管的n值为0.014,铸铁管为0.013。因此,摩擦阻力小,可显著减少介质的沿程水头损失。当水泵扬程一定时,可提高介质输送能力。

(4) 维护费用低。玻璃钢管由于上述的耐腐和抗蚀等性能,因此工程上不需要进行防锈、防污、绝缘等措施,且对埋地管道无需作阴极保护,可节约工程维护费用70%以上。

3.2 玻璃钢管的缺点

(1) 弹性模量低。玻璃钢管的弹性模量比木材大两倍,但比钢小十倍,在产品结构中常感到刚性不足,容易变形。

(2) 长期耐温性差,易老化。

(3) 层间剪切强度低。层间剪切强度是靠树脂来承担的,所以很低。

(4) 施工质量难以保证。采用玻璃钢管的另一个关键问题就是现场接口的处理方面,目前我国玻璃钢管施工项目中,接口质量问题很突出,尤其对于长距离管道,接口数量很多,接口处理的好坏直接影响着整个工程的质量。

4.钢筋混凝土管道

4.1 钢筋混凝土管道的优点

(1) 生产工艺简单,制作速度快,价格便宜;

(2) 施工较简单,由柔性接口和平端接口两种接口形式;

(3) 管材强度高,抗老化性能好,使用寿命长。

4.2 钢筋混凝土管道的缺点

(1) 不耐腐蚀及浸泡。在海水浸泡的沿海地区,管道长期浸泡在腐蚀性的沟槽中,两年后便会使环筋锈蚀、断裂。

(2) 水力性能差、能耗高。预应力钢筋混凝土管的糙率系数在0.013~0.014之间,对于同样输水量,同等管径的管线,沿程阻力较高,需要较大的水泵扬程,相应能耗随之增加。

(3) 管材自重大、管件不配套。预应力钢筋混凝土管自重大,搬运损坏率高,增加运输吊装费用。管件不配套,通常选用铸铁管件,两者的承压能力、使用寿命、耐腐蚀状况不一样,易发生爆裂,因此存在事故隐患。

(4) 管长短,接头多,每公里渗漏的可能性高,且维修困难。

4.3 管材经济性比较

某沿海电厂,采用海水循环冷却系统,循环冷却水量为6 000 m3/h,选用管径为DN1200管道,管线总长度为1 860 m,输送管道压力为0.5 MPa,对比不同管材输送海水时的造价得出结果见表1。

球墨铸铁管和玻璃钢管无需二次防腐和阴极保护,因此表1中两者防腐费和阴极防护费均为0。由表1中结果可知,在输送海水的管材中,球墨铸铁管和玻璃钢管的年折算费用较低,在海水输送中具有明显的经济优势。合金钢管的耐腐蚀性较差,使用寿命较短,且价格较高,不建议采用。混凝土管道的造价适中,但寿命较短,应慎重考虑其在长距离输水工程中的应用。玻璃钢管道造价较低,寿命较长,但管道维护费用较高,在长距离输送海水的管网中会增加后期维护费用和维修难度。

结语

海水循环冷却技术为沿海城市节省淡水资源和保护生态环境提供了可行的方法,具有广阔的应用前景。随之带来的海水对设备和管道的腐蚀不可能完全避免,不过通过合理的选材及有效的防护措施,可大大降低海水对设备和管道的腐蚀。近年来随着新的防腐工艺和新材料的开发与应用,设备和管道耐腐蚀问题得到了较好的解决。相信随着技术的进步、管理方法的提升以及已建工程腐蚀经验反馈的积累,海水腐蚀的问题一定会得到更好的解决,海水循环冷却技术将成为开发海洋资源的又一重要举措。

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