1　凝汽器防蚀的阴极保护技术
火力发电厂凝汽器若由于腐蚀造成铜管及管板泄漏,将导致严重的后果,威胁着发电机组的安全运行,也直接影响发电厂的经济效益。因此对凝汽器采用防腐蚀措施是十分必要的。
目前采用的凝汽器防腐蚀措施,除了在冷却介质方面进行适当的防垢、防腐处理外,还有的采用阴极保护,即电化学保护技术,和涂料涂装保护方法等。
阴极保护技术能有效、经济、方便地控制和减缓凝汽器腐蚀。阴极保护原理[1]、[2]是基于金属腐蚀的电化学理论,由外部向介质中被保护的金属结构提供直流阴极电流,使金属电位降低(阴极极化),这样从根本上降低了金属的腐蚀倾向和腐蚀速率,达到防止和减轻金属腐蚀的效果。
根据外部提供阴极电流方式的不同,阴极保护方法可分为牺牲阳极法和外加电流法两种。牺牲阳极法是用一种更活泼的金属或合金与被保护金属连接在一起,依靠该合金不断地腐蚀溶解产生电流来保护被保护金属。对于电导率较低的淡水,由于牺牲阳极驱动电压较小,输出电流有限且不能调节,保护范围有限[3],安装时必须在水室内壁焊接数量较多的固定牺牲阳极块的安装架,并且牺牲阳极块的设计寿命一般不超过3a,需定期更换。因此牺牲阳极保护法一般只用于小型凝汽器,或用于如海水,苦咸水等含盐量高、电阻率低的介质设备上。外加电流阴极保护是依靠外部的直流恒电位电源提供阴极保护电流,电源正极与安装于凝汽器内的辅助阳极相连,负极接被保护凝汽器外壳。这种方法输出电流大,且可调,电位可自动控制,使用寿命长达15～20a。一般在大型凝汽器上需要使用这种阴极保护系统。
另一种目前使用的采用涂料涂装来防止管板腐蚀的方法,由于涂料本身的性能及施工工艺的原因,采用涂料防止凝汽器管板腐蚀往往会出现严重的局部腐蚀问题。从腐蚀电化学的角度来考察,在涂层表面存在局部微孔的地方,由于微孔处金属的腐蚀电位较其附近有涂层的金属腐蚀电位负,这样便形成了局部腐蚀微电池,这种腐蚀微电池是由大阴极小阳极组成的。这种大阴极小阳极的腐蚀形态是各种腐蚀形态中最危险的,能使金属在很短的时间内腐蚀形成深坑,从而使凝汽器管板腐蚀损坏更严重。

2　凝汽器阴极保护技术应用
2.1　凝汽器概况
安阳发电厂7号机为100MW凝汽式火力发电机组,凝汽器为对分双流表面式,所用的铜管牌号为HSn-70-1A型,铜管数量为10336根,冷却面积为6815m2。冷却水补充水源污染日益严重,导致凝汽器铜管腐蚀。1992年该机组凝汽器更换全部铜管后使用仅两年即开始发生点蚀穿孔泄漏,至1997年就因铜管泄露停机9次。同时7号机组凝汽器的管板曾于1997年涂刷了涂料,然而仅一年后,管板表面就出现了明显的局部腐蚀(见图1)。7号机组的铜管腐蚀泄漏及管板的腐蚀使得机组难以安全连续经济满发,成为完成发电计划的重大障碍。为防止腐蚀继续扩展,决定对7号机组凝汽器采用外加电流阴极保护技术与耐蚀涂料涂装的联合防蚀保护措施。
2.2　凝汽器阴极保护防蚀系统
凝汽器外加电流阴极保护系统[4]主要由自动控制的恒电位仪、辅助阳极及参比电极等组成。阴极保护系统的恒电位仪采用了武汉大学(武汉水利电力大学)与中国科学院共同研制开发的CPS型自动控制的恒电位仪。
辅助阳极选用武汉大学与中国科学院共同研制开发的新型贵金属铂铌阳极,这种阳极属于不溶性阳极,可保证长期使用,具有排流量大,电流发射均匀、覆盖面积大、消耗量低、可靠性高、重量轻、安装方便、机械性能稳定等特点。
参比电极采用了在淡水中电极电位稳定、电位波动小的高纯锌材料。电极设计成有特殊密封结构的直棒型。
根据凝汽器的结构、冷却水质和水室中水动力工况等因素,阴极保护系统设计为多点分散控制式。
为了保障和增强管板、铜管管束端部及胀口的保护,也为了减少阴极保护装置的功率,在凝汽器中设计了在水室内涂装耐蚀防冲刷涂层。因此实际上凝汽器的防蚀保护工程是阴极保护技术与涂层涂装保护的联合防蚀方法。
2.3　凝汽器阴极保护防蚀系统的保护效果
7号机组凝汽器阴极保护防蚀系统于1998年11月15日投入运行。
2.3.1　管板及铜管端部的腐蚀被抑制
在该系统投运后停机检查,可看到原先在管板上,尤其是在铜管区存在的较严重的局部腐蚀坑的发展已被抑制,原先蚀坑中及管板上已无明显的黄褐色铁锈蚀产物堆积。铜管端部内壁无点蚀等腐蚀发展,表面无碱式碳酸铜等腐蚀产物痕迹。
2.3.2　降低了铜合金的平均腐蚀速率
通过监测试片表面状况和重量的检查也可说明阴极保护系统投运后有防止凝汽器腐蚀的效果。
从图2所示的凝汽器中330d未受保护的黄铜试片的表面状况可以看到,试片表面有黄褐色的碱式碳酸铜及白色的氢氧化锌等腐蚀产物附着,表明在未受到外加电流阴极保护时,铜合金材料在机组冷却水中有明显的腐蚀。由试片的失重量可测出平均腐蚀速率达到0.022mm/a。
图3为在凝汽器中330d受到了外加电流阴极保护的黄铜试片的表面状况。从照片可以看到,黄铜试片表面光洁,基本无腐蚀产物堆积。表面有一层薄而牢固的红黑色氧化亚铜和氧化铜层。由试片失重量测得,在受阴极保护的作用下,黄铜材料的平均腐蚀速率降到了0.0015mm/a。7号机组凝汽器在阴极保护工况下对黄铜的平均腐蚀速率减少达93以上。
2.3.3　抑制了碳钢的局部腐蚀,降低了碳钢的平均腐蚀速率
　　从图4所示的在凝汽器中330d未受外加电流阴极保护的碳钢试片表面状况可以清楚地看到,碳钢试片表面腐蚀严重,呈明显的局部腐蚀——溃疡性坑蚀形态。蚀坑表面有黄褐色水合氧化铁类的铁锈堆积。将表面附着的腐蚀产物除去后,可见其下有较深的蚀坑,坑深已大于1mm。此外,还可见试片边缘已腐蚀缺损。由试片的失重量可算出在该工况下碳钢的平均腐蚀速率达0.057mm/a。
图5为受到阴极保护的碳钢试片的表面状况。从照片可见,试片表面无溃疡状局部腐蚀,附着一层疏松的黄褐色沉积物。去除表面附着物后,试片表面平整无坑。此外,试片边缘无缺损。从试片失重量测定,在受阴极保护的工况下,碳钢的平均腐蚀速率减小到0.0144mm/a。
7号机组凝汽器在阴极保护工况下,对碳钢平均腐蚀速率减少达74.8。
碳钢在淡水冷却水中的平均腐蚀速率并不大,但常是局部性孔蚀或溃疡状腐蚀,这对金属结构物来说是最危险的腐蚀形态。在凝汽器中因碳钢管板与铜管直接胀接形成的电偶作用将加剧碳钢管板局部腐蚀的发展。由试片所得的平均腐蚀速率是不能确切反映这种局部孔蚀或溃疡性腐蚀的危害程度的。而在实际工程中,如果采取保护措施可以减轻或防止金属发生这种危险的局部腐蚀形态,使金属仅以不大的、可以接受的腐蚀速率均匀腐蚀,则表明这种防蚀措施是科学合理的。
7号机组凝汽器管板的腐蚀检查和试片表面状况的评价说明阴极保护对防止管板局部腐蚀已取得了明显的效果。因此7号机组凝汽器采用阴极保护技术防蚀是很有效的,阴极保护系统的控制是适宜的。

3　凝汽器实施阴极保护的经济效益分析
阴极保护技术不是一种表面处理的方法,它是一种从根本上稳定金属,降低金属腐蚀的技术。
　　在7号机组凝汽器实施了阴极保护防蚀措施不长的时间里就已经抑制了管板胀口附近及铜管端部的点蚀、脱锌和电偶腐蚀,这将会推迟铜管发生泄露,延长铜管使用寿命。因此可以节省铜合金管材,减少机组因为凝汽器铜管堵漏而损失的发电量及由此增加的劳务量,同时也因凝汽器减少或不泄露冷却水而改善或提高了凝结水品质,使锅炉结垢率降低,提高蒸汽品质,因而可以改善机组运行的经济性、可靠性,以及延长大修周期,减少临修次数。
目前,1台100MW机组整台凝汽器的铜管市场价值及换铜管等费用已达240万元左右。若铜管使用寿命延长1a,相当于获得年经济效益12万元左右。若减少凝汽器铜管泄露检测和堵漏次数,都将带来较明显的经济效益。因为1台100MW机组1d的发电量近300万kW·h,停机1d将会给电厂带来直接经济损失40万元左右,间接损失则更大。如果是因为腐蚀而使铜管损坏至无法修补,其损失更大。
提高机组运行安全可靠性或减少机组维修等因素也将带来明显的经济效益。
7号机组凝汽器阴极保护防蚀系统的一次性投资加上运行及维护费用年均不到1.5万元,与其它防蚀措施的费用比较是相对较少的、节省的。因此在凝汽器中采用阴极保护系统防蚀可以获得很高的产出投入比回报,并且生产管理简单,维护工作量极小,因而这项技术有较大的经济效益,极有推广应用价值[5]、[6]。