1　凝汽器防蝕的陰極保護技術
    火力發電廠凝汽器若由于腐蝕造成銅管及管板泄漏,將導致嚴重的后果,威脅著發電機組的安全運行,也直接影響發電廠的經濟效益。因此對凝汽器采用防腐蝕措施是十分必要的。
    目前采用的凝汽器防腐蝕措施,除了在冷卻介質方面進行適當的防垢、防腐處理外,還有的采用陰極保護,即電化學保護技術,和涂料涂裝保護方法等。
    陰極保護技術能有效、經濟、方便地控制和減緩凝汽器腐蝕。陰極保護原理[1]、[2]是基于金屬腐蝕的電化學理論,由外部向介質中被保護的金屬結構提供直流陰極電流,使金屬電位降低(陰極極化),這樣從根本上降低了金屬的腐蝕傾向和腐蝕速率,達到防止和減輕金屬腐蝕的效果。
    根據外部提供陰極電流方式的不同,陰極保護方法可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。犧牲陽極法是用一種更活潑的金屬或合金與被保護金屬連接在一起,依靠該合金不斷地腐蝕溶解產生電流來保護被保護金屬。對于電導率較低的淡水,由于犧牲陽極驅動電壓較小,輸出電流有限且不能調節,保護范圍有限[3],安裝時必須在水室內壁焊接數量較多的固定犧牲陽極塊的安裝架,并且犧牲陽極塊的設計壽命一般不超過3a,需定期更換。因此犧牲陽極保護法一般只用于小型凝汽器,或用于如海水,苦咸水等含鹽量高、電阻率低的介質設備上。外加電流陰極保護是依靠外部的直流恒電位電源提供陰極保護電流,電源正極與安裝于凝汽器內的輔助陽極相連,負極接被保護凝汽器外殼。這種方法輸出電流大,且可調,電位可自動控制,使用壽命長達15～20a。一般在大型凝汽器上需要使用這種陰極保護系統。
    另一種目前使用的采用涂料涂裝來防止管板腐蝕的方法,由于涂料本身的性能及施工工藝的原因,采用涂料防止凝汽器管板腐蝕往往會出現嚴重的局部腐蝕問題。從腐蝕電化學的角度來考察,在涂層表面存在局部微孔的地方,由于微孔處金屬的腐蝕電位較其附近有涂層的金屬腐蝕電位負,這樣便形成了局部腐蝕微電池,這種腐蝕微電池是由大陰極小陽極組成的。這種大陰極小陽極的腐蝕形態是各種腐蝕形態中最危險的,能使金屬在很短的時間內腐蝕形成深坑,從而使凝汽器管板腐蝕損壞更嚴重。

2　凝汽器陰極保護技術應用
2.1　凝汽器概況
    安陽發電廠7號機為100MW凝汽式火力發電機組,凝汽器為對分雙流表面式,所用的銅管牌號為HSn-70-1A型,銅管數量為10336根,冷卻面積為6815m2。冷卻水補充水源污染日益嚴重,導致凝汽器銅管腐蝕。1992年該機組凝汽器更換全部銅管后使用僅兩年即開始發生點蝕穿孔泄漏,至1997年就因銅管泄露停機9次。同時7號機組凝汽器的管板曾于1997年涂刷了涂料,然而僅一年后,管板表面就出現了明顯的局部腐蝕(見圖1)。7號機組的銅管腐蝕泄漏及管板的腐蝕使得機組難以安全連續經濟滿發,成為完成發電計劃的重大障礙。為防止腐蝕繼續擴展,決定對7號機組凝汽器采用外加電流陰極保護技術與耐蝕涂料涂裝的聯合防蝕保護措施。
2.2　凝汽器陰極保護防蝕系統
    凝汽器外加電流陰極保護系統[4]主要由自動控制的恒電位儀、輔助陽極及參比電極等組成。陰極保護系統的恒電位儀采用了武漢大學(武漢水利電力大學)與中國科學院共同研制開發的CPS型自動控制的恒電位儀。
    輔助陽極選用武漢大學與中國科學院共同研制開發的新型貴金屬鉑鈮陽極,這種陽極屬于不溶性陽極,可保證長期使用,具有排流量大,電流發射均勻、覆蓋面積大、消耗量低、可靠性高、重量輕、安裝方便、機械性能穩定等特點。
    參比電極采用了在淡水中電極電位穩定、電位波動小的高純鋅材料。電極設計成有特殊密封結構的直棒型。
    根據凝汽器的結構、冷卻水質和水室中水動力工況等因素,陰極保護系統設計為多點分散控制式。
    為了保障和增強管板、銅管管束端部及脹口的保護,也為了減少陰極保護裝置的功率,在凝汽器中設計了在水室內涂裝耐蝕防沖刷涂層。因此實際上凝汽器的防蝕保護工程是陰極保護技術與涂層涂裝保護的聯合防蝕方法。
2.3　凝汽器陰極保護防蝕系統的保護效果
    7號機組凝汽器陰極保護防蝕系統于1998年11月15日投入運行。
2.3.1　管板及銅管端部的腐蝕被抑制
    在該系統投運后停機檢查,可看到原先在管板上,尤其是在銅管區存在的較嚴重的局部腐蝕坑的發展已被抑制,原先蝕坑中及管板上已無明顯的黃褐色鐵銹蝕產物堆積。銅管端部內壁無點蝕等腐蝕發展,表面無堿式碳酸銅等腐蝕產物痕跡。
2.3.2　降低了銅合金的平均腐蝕速率
    通過監測試片表面狀況和重量的檢查也可說明陰極保護系統投運后有防止凝汽器腐蝕的效果。
    從圖2所示的凝汽器中330d未受保護的黃銅試片的表面狀況可以看到,試片表面有黃褐色的堿式碳酸銅及白色的氫氧化鋅等腐蝕產物附著,表明在未受到外加電流陰極保護時,銅合金材料在機組冷卻水中有明顯的腐蝕。由試片的失重量可測出平均腐蝕速率達到0.022mm/a。
    圖3為在凝汽器中330d受到了外加電流陰極保護的黃銅試片的表面狀況。從照片可以看到,黃銅試片表面光潔,基本無腐蝕產物堆積。表面有一層薄而牢固的紅黑色氧化亞銅和氧化銅層。由試片失重量測得,在受陰極保護的作用下,黃銅材料的平均腐蝕速率降到了0.0015mm/a。7號機組凝汽器在陰極保護工況下對黃銅的平均腐蝕速率減少達93%以上。
2.3.3　抑制了碳鋼的局部腐蝕,降低了碳鋼的平均腐蝕速率
　　從圖4所示的在凝汽器中330d未受外加電流陰極保護的碳鋼試片表面狀況可以清楚地看到,碳鋼試片表面腐蝕嚴重,呈明顯的局部腐蝕——潰瘍性坑蝕形態。蝕坑表面有黃褐色水合氧化鐵類的鐵銹堆積。將表面附著的腐蝕產物除去后,可見其下有較深的蝕坑,坑深已大于1mm。此外,還可見試片邊緣已腐蝕缺損。由試片的失重量可算出在該工況下碳鋼的平均腐蝕速率達0.057mm/a。
    圖5為受到陰極保護的碳鋼試片的表面狀況。從照片可見,試片表面無潰瘍狀局部腐蝕,附著一層疏松的黃褐色沉積物。去除表面附著物后,試片表面平整無坑。此外,試片邊緣無缺損。從試片失重量測定,在受陰極保護的工況下,碳鋼的平均腐蝕速率減小到0.0144mm/a。
    7號機組凝汽器在陰極保護工況下,對碳鋼平均腐蝕速率減少達74.8%。
    碳鋼在淡水冷卻水中的平均腐蝕速率并不大,但常是局部性孔蝕或潰瘍狀腐蝕,這對金屬結構物來說是最危險的腐蝕形態。在凝汽器中因碳鋼管板與銅管直接脹接形成的電偶作用將加劇碳鋼管板局部腐蝕的發展。由試片所得的平均腐蝕速率是不能確切反映這種局部孔蝕或潰瘍性腐蝕的危害程度的。而在實際工程中,如果采取保護措施可以減輕或防止金屬發生這種危險的局部腐蝕形態,使金屬僅以不大的、可以接受的腐蝕速率均勻腐蝕,則表明這種防蝕措施是科學合理的。
    7號機組凝汽器管板的腐蝕檢查和試片表面狀況的評價說明陰極保護對防止管板局部腐蝕已取得了明顯的效果。因此7號機組凝汽器采用陰極保護技術防蝕是很有效的,陰極保護系統的控制是適宜的。

3　凝汽器實施陰極保護的經濟效益分析
    陰極保護技術不是一種表面處理的方法,它是一種從根本上穩定金屬,降低金屬腐蝕的技術。
　　在7號機組凝汽器實施了陰極保護防蝕措施不長的時間里就已經抑制了管板脹口附近及銅管端部的點蝕、脫鋅和電偶腐蝕,這將會推遲銅管發生泄露,延長銅管使用壽命。因此可以節省銅合金管材,減少機組因為凝汽器銅管堵漏而損失的發電量及由此增加的勞務量,同時也因凝汽器減少或不泄露冷卻水而改善或提高了凝結水品質,使鍋爐結垢率降低,提高蒸汽品質,因而可以改善機組運行的經濟性、可靠性,以及延長大修周期,減少臨修次數。
    目前,1臺100MW機組整臺凝汽器的銅管市場價值及換銅管等費用已達240萬元左右。若銅管使用壽命延長1a,相當于獲得年經濟效益12萬元左右。若減少凝汽器銅管泄露檢測和堵漏次數,都將帶來較明顯的經濟效益。因為1臺100MW機組1d的發電量近300萬kW·h,停機1d將會給電廠帶來直接經濟損失40萬元左右,間接損失則更大。如果是因為腐蝕而使銅管損壞至無法修補,其損失更大。
    提高機組運行安全可靠性或減少機組維修等因素也將帶來明顯的經濟效益。
    7號機組凝汽器陰極保護防蝕系統的一次性投資加上運行及維護費用年均不到1.5萬元,與其它防蝕措施的費用比較是相對較少的、節省的。因此在凝汽器中采用陰極保護系統防蝕可以獲得很高的產出投入比回報,并且生產管理簡單,維護工作量極小,因而這項技術有較大的經濟效益,極有推廣應用價值[5]、[6]。