浅析凝汽器设计制造中防腐技术的应用

俞 磊

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090)

0 概 述

氧气是生命和繁衍生息的必需品，但也会使钢铁产生腐蚀。在日常生活中，碳钢的锈蚀现象很常见，究其实质就是金属被氧化腐蚀的过程。设备被腐蚀是一个重大的问题，因此，研究和采用新颖的防腐工艺，可延长产品的使用周期，防止设备发生重大事故。

1 金属腐蚀

金属的腐蚀是指金属和周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏，有时，还伴随着机械、物理及生物方面的作用。

金属电化学腐蚀的机理，就是一个原电池的工作原理。由于金属表面各成分的电极电位不同，形成电势差，不同成分的铁质通过电解质的作用，在两者之间产生了一个电子通路， 从而构成了1个微小的原电池。在钢铁表面生成的微小原电池的示意图，如图1所示。

图1 钢铁表面生成的微小原电池示意图

2 腐蚀分类

按照腐蚀机理分类，金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。金属的化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生纯化学作用而引起的金属破坏，在腐蚀过程中没有电流产生。

金属的电化学腐蚀是指金属与电解质发生电化学作用而引起金属的破坏。在电化学腐蚀过程中，同时存在两个相对独立的反应过程，即阳极反应和阴极反应，并伴有电流产生。

3 凝汽器常用防腐方法

3.1 正确选材

设计时，从原材料的选择上，就开始考虑防腐问题。根据凝汽器的运行环境，选择该环境下腐蚀速率较低的材料，以减缓金属腐蚀的发生，主要是对凝汽器管子及水侧管板材质的选取。

在沿海地区或内地的某些电厂，常直接抽取附近电导率较高的水或海水，作为设备的冷却水源。冷却水经过滤后，被送至凝汽器水侧管路内，并与凝汽器内蒸汽进行热交换，从而达到冷凝蒸汽的目的。因冷却水的电导率较高，从而对金属材质提出了较高的耐腐蚀要求。通常，对于防腐要求较高零件，常选取耐腐蚀能力较强的不锈钢管、不锈钢+碳钢的复合板、钛管、钛+碳钢的复合板等材料。

3.2 缓蚀剂

若在流体中加入少量的化学物质，即可使金属被腐蚀的速率大大降低，这类化学物质称为缓蚀剂。由于所需添加缓蚀剂的量较少，所以，常被应用在水压试验等工序中。

3.3 阴极保护

阴极保护是电化学保护技术中的一种方法，是采用外加电流对阴极进行保护，其原理是向被保护金属结构的表面施加一个外加电流，让被保护的金属结构成为阴极，从而使金属腐蚀时发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

采用阴极保护时，还可使用牺牲阳极法，其原理是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生反应而被消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。牺牲阳极保护法的示意图，如图2所示。

图2 牺牲阳极保护法示意图

凝汽器水室与腐蚀介质直接接触，通常可设置防腐锌块作为牺牲阳极，对水室进行防腐。防腐构造较为简易，防腐效果明显，故目前主流凝汽器水室内部补充的防腐措施，通常采取该法进行防腐。

3.4 非金属衬里

当钢铁被浸没在电解溶液时，将产生非常严重的腐蚀，但许多非金属物质却对这类环境有着优良的耐腐蚀性，所以，对于被电解液浸渍的部件，可采用类似橡胶、塑料、陶瓷等衬里材料，能发挥特有的防腐效果。

此类技术主要应用于凝汽器水室、循环水管、管板与水室等结合面，采取衬胶方式可有效隔绝电解液与碳钢组件的接触，从而达到防腐的目的。

3.5 涂料

在金属表面涂敷防腐材料，形成层状的固态薄膜，以阻隔电解液黏附在金属表面，隔绝原电池结构中的电子通路，从而起到防腐作用。涂料防腐在日常的金属防腐中较为常用，应用范围也非常广泛，是目前工业防腐中主要的防腐措施之一。

在凝汽器外表面上涂敷涂料进行防腐的方式较为常见，根据设备所处环境的不同，选择合适的耐蚀等级，按标准或企业制定的防腐技术条件，选取油漆类型、厚度、配套工艺，也可达到较好的防腐效果。

由于凝汽器设备体积较大，目前，多数电厂均采用将散件运至现场进行组装的方式，为避免散件运抵现场后发生严重的锈蚀情况，通常会涂覆临时性的水溶性防锈剂，防止设备内件被腐蚀。水溶性防锈剂具有施工方便的优势，可喷涂，可辊涂，也可根据防腐时间的长短，直接用水进行稀释，成本较为低廉。在我国引进凝汽器技术的初期，出于对凝汽器内部水质方面的考虑，都要求在凝汽器内表面不得涂覆涂料等防腐物质，即使涂覆，也会要求在运行前去除。因水溶性防锈剂的去除较为方便，且价格低廉，在设备运行前，利用设备的灌水冲洗，水溶性防锈剂就自然会溶于水中，并被带出设备，省略了去除该物质的工序，所以，国内凝汽器内部的防腐，均采取该法进行防腐处理。近年，在国家层面组织编制的标准中，也有提及采用对水质污染较小的醇酸等涂料进行防腐，但由于醇酸涂料的应用特性，其剥落后呈块状，极易堵塞凝汽器底侧的滤网。若采用醇酸防腐工艺，在长期处于高湿高温的内部环境下，其耐蚀等级较低，所以，很多大型装备制造企业均不会考虑使用。

虽然水溶性防锈剂具有诸多优势，但也有较多弊端，如不能在室外露天存放，遇到雨天，工件外表面的防锈剂将被直接冲走。故在早期的核电站凝汽器制造技术中，就有在凝汽器内部部组件上采取涂覆涂料的防腐措施，涂覆涂料是由镍基粉剂和乙烯基溶剂组成的混合漆，耐腐蚀的效果较好，且耐高温(约650℃)。该涂料粉化后的颗粒较为细腻，不会堵塞凝汽器过滤网，对水质无明显的影响。近年来，各大核电站在设计初期，就纷纷采用了该项技术，以期达到延长设备使用寿命的目的，但该涂覆涂料的价格较高。

4 新技术及新工艺的应用

4.1 环保型环氧漆

随着我国综合国力的提高，国内对新技术的研发水平也在不断提高，在防腐技术上，涌现了很多新技术和新工艺。早期对凝汽器水室及循环水管的防腐，常采用价格低廉易施工的环氧沥青进行防腐，对于采用海水介质的冷却设备，均采用传统的衬胶工艺作为防腐措施。

近年来，因采用环氧沥青工艺对环境的污染较严重，该工艺逐渐被淘汰，取而代之的是耐蚀性能更加优异的高固态改性环氧产品。该产品添加了鳞片阻隔成份，增强了涂层隔绝介质的能力，易于施工，结合对主剂成分的控制，很多改性的玻璃鳞片漆，可按饮水储罐的储放标准进行认证，施工时，几乎没有异味，具有很高的环保性能，可长期在溶液浸没的状态下使用。

新环保型高固态玻璃鳞片环氧漆与常规衬胶、环氧沥青工艺相比，具有施工简易特点，且不需配置专用的硫化釜等工装，若出现局部破损，在现场即可修补，环保性能好。与衬胶工艺相比，施工周期较短，成本低于衬胶的价格。因此，在海水或电导率较高的介质存储产品中，环保型环氧漆的应用前景较为宽广。

4.2 陶瓷涂层

目前，还出现了很多陶瓷涂层类的高分子环氧漆，具有很好的耐腐蚀性能。高分子环氧漆的表面耐磨性能良好，也便于现场施工，但高分子原材料的价格较高，造成工程的总体价格偏高，较多应用于换热器耐蚀面的局部或整体修复，以延长设备的使用寿命。

4.2.1 陶瓷涂层的耐腐蚀试验

选用陶瓷涂层样品，对小样涂覆后，模拟海水喷淋进行加速腐蚀试验。拟定的试验参数，如表1所示。

表1加速腐蚀试验参数

试验溶液温度/℃溶液浓度/( g·L-1)(质量比)溶液冲刷流速/( m·s-1)pH值T试验=22±5ρ溶液=50±5v溶液≥26～7

监测的主要项目有：

(1)实验中溶液温度。

(2)溶液pH值。

(3)溶液冲刷的流速。

(4)溶液电导率。

(5)试样板表面变化情况(起皮、脱落、锈蚀)。

(6)试样板的定期(7d)称重，检测质量失重情况。

试验装置的配置及模拟喷淋的状态，如图3所示。

图3 模拟海水喷淋加速腐蚀试验

试验步骤为：使用乙醇将试样板表面油污用干净白布擦拭干净并晾干→试板称重并记录→使用天平称250g NaCl,并用水稀释至5L→调匀使NaCl充分溶解于水中→将蠕动泵转速从零缓慢增速至300 r/min,检查管路是否泄漏，冲刷位置是否偏离→检查无异常后，将蠕动泵缓慢增速至600 r/min，流速为2.2 m/s→每天记录溶液温度、pH值、溶液电导率、试样板外观变化情况。

通过31d的耐蚀冲刷试验，试样板的测试表面未出现锈蚀、剥落等情况，测试面符合外观质量要求，基材未显露。试样板总质量未明显变化，耐蚀性能优异。测试前后试样板表面涂层的变化，如图4所示。

测试前

测试后

图4 测试前后试样板表面涂层的变化

4.3 喷涂防腐

喷涂防腐(HOVF)又被称为超音速火焰喷涂，是国外首创的一种热喷涂技术。超音速火焰喷涂的核心设备是喷枪，喷枪由燃烧室、Laval喷嘴和等截面长喷管等部件组成。火焰喷涂的工作原理，是将煤油从小孔引入燃烧室，经雾化后，再与氧气混合后燃烧，发生强烈的气相反应，燃烧产生热能使气体剧烈膨胀，膨胀气体流经Laval喷嘴时，受喷嘴的约束而形成了超音速高温焰流。焰流加热了喷涂材料，并随焰流加速喷至基体表面，从而形成了高质量的防腐涂层。

该种技术可通过对钢材表面喷涂各类耐蚀金属，提升低成本碳钢的耐蚀性能。针对客户对材质不同的需求，可使钢材达到耐蚀、耐磨、耐热、耐酸、耐碱的特殊要求。选择不同的喷涂金属棒材，经加工粉化后，再利用喷涂技术喷涂在工件表面上，实现工件表面的改性，提升材料的附加价值。目前，喷涂技术几乎能够囊括所有的金属材料，即所有可加工成棒材的防腐材料，皆可应用该项技术，应用前景较好。

现今，该项技术主要应用在有特殊需求的紧固件上，主要是因为喷涂的成本较高，国内主流的辅机设备，大多都采用低碳钢进行设计和制造，若喷涂的表面积较大，性价比不是很高，但对于小型部件的局部防腐，具有非常好的效果。

4.4 喷涂螺栓的工艺流程

在喷涂前，将螺纹试片焊在螺栓头部，尽量使试片螺纹与螺栓螺纹高度一致。手工喷砂清理螺栓上的油污，采用防护胶带保护不喷砂部位，喷砂颗粒为46号。在夹持部位加铜片防护，避免夹伤螺栓。粉末烘培温度为120℃，时长2 h。工件转速为260～300 r/min，喷涂枪的横移速度，为每转4～6 mm。喷涂时的工艺参数，如表2所示。

表2 喷涂时的工艺参数

5 结 语

钢材在微观上已存在着阴极(铁)和阳极(碳)，防腐的关键在于控制电解质溶液与阴、阳极之间的接触，防止产生电子通路。对于涂装技术的应用，关键在于基材清理，对于基材清理时的环境条件及涂装控制，在涂装的工艺操作中至关重要。因此，做好凝汽器防腐的关键，是前期基材的预处理。严格的过程控制和操作管理，才能达到预期的防腐效果。