海边电厂循环冷却水管道材质分析

林新源

（中国机械设备工程股份有限公司）

0 引言

火力发电厂需要大量介质对各种设备，主要是凝汽器等辅机进行冷却，主要的冷却介质是水和空气。空冷机组因为投资大、厂用电高，并需要占用大量土地，因此一般用于干旱地区的小机组，更多的电厂使用水作为冷却介质。河水资源丰富的地方，一般使用河水作为冷却介质，有利于降低投资成本；或者建造冷凝塔，经过冷却后的淡水继续回到电厂进行冷却。对于海滨地区，广袤的大海提供了大量的海水可用于冷却。但是，因海水中含有大量的各种盐，是一种电解质溶液，腐蚀性很强。因此，对于使用海水作为冷却介质的电厂，防海水腐蚀是一个非常重要的课题。本文主要结合海边电厂建造及使用经验，分析循环冷却海水管道的材料选用。

1 海水腐蚀机理

要分析海水管道的应用，首先需要了解海水的腐蚀机理。海水含有大量的各种盐类，浓度达到3%～4%之间，是一种具有很强腐蚀性的电解质溶液，导电性和生物活性也较高。海水的腐蚀过程比较复杂，对于不同的海域，海水的成分及离子浓度千差万别，因此其腐蚀性及腐蚀规律也不尽相同。对于大多数金属来说，其本身防腐蚀的原理是表面形成一层致密的稳定的氧化膜，即钝化膜，使金属与外界介质隔绝而不再受到腐蚀。但是海水中含有大量的氯离子Cl，Cl是一种强还原性阴离子，其与氧化膜中的金属离子结合形成可溶解的氯化物，因此对金属氧化膜的破坏性很大，裸露出来的金属在海水中发生了电化学腐蚀：在电解质溶液的存在下，金属本体与金属中的微量杂质构成了一个短路小电池，即局部电池，金属表面由于局部电池的形成而引起了腐蚀。具体来说，是由于金属成分的不均匀性，导致不同的成分之间发生了吸氧腐蚀（一种电化学腐蚀）：在腐蚀介质中，由于溶解氧的作用而引起的腐蚀。当金属发生吸氧腐蚀时，Fe是局部电池的阳极，金属中的杂质为溶解于水中的氧提供了反应的界面，充当了阴极。反应式如下：

因此，碳钢在海水中的电化学反应通常受氧扩散速度控制，供氧充分，腐蚀速度则快。

2 管道材质分析

下面分析几种电厂里常用的海水输送管道的防腐原理、使用要求及优缺点等。

2.1 316L不锈钢管道

鉴于以上的腐蚀机理，首先想到的是使用不锈钢管道。普通不锈钢，如304，可耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质，其防腐蚀机理是不锈钢表面的铬与氧反应生成了钝化膜Cr2O3。钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态，防止基材进一步地氧化。但是海水中含有的大量氯离子把钝化膜中的氧原子排挤掉，与铬阳离子结合生成可溶性氯化物，钝化膜的动平衡受到破坏，溶解占据了优势，导致在新露出的基材金属上生成小蚀坑，即点蚀。一些海边电厂项目在海水管道中使用了316L不锈钢，依据是316L中增加了2%～3%的Mo，Mo的存在一定程度上有助于抵抗氯离子的侵蚀。Ni和Cr的含量也较高，其防腐性能得到了提高。但是316L防腐机理和304基本是一样的，因此并不耐富含氯离子海水的腐蚀，容易出现孔蚀而产生泄露。这对于间歇性流通海水的管道尤为明显，如岭澳核电站旋转滤网的反冲洗管道使用316L管道，运行不到一年即出现孔蚀泄露，最后不得不更换为其他材料。这是因为在钝化膜被破坏处形成了小蚀孔，生成的金属氯化物在存留的海水中富集，使金属表面活性增加，加上氯化物水解导致PH值降低，进一步加速了腐蚀的进行。而在海南的东方电厂和西部电厂，316L管道被用于输送循环水泵电机冷却海水。海南地区因河流入海口较多，海水含氯离子本来就较低，电机冷却海水管道内海水处于长期流动状态，腐蚀产生的金属氯化物被及时冲走，不易富集在腐蚀区域，腐蚀的进程相对就比较缓慢。因此这两个电厂的316L管道已使用3～5年还处于稳定状态。总的来说，316L实际并不适合使用在海边电厂的冷却海水输送管道，特别是间歇性流通海水的管段。

2.2 双相不锈钢管道

双相不锈钢是指铁素体与奥氏体各约占50%的不锈钢。双相不锈钢2205与316L奥氏体不锈钢相比，含铬量更高，并含有镍氮合金成分，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高，具有优良的耐孔蚀性能。因此双相不锈钢近年来使用范围不断的扩大。这当然也得益于产量的提高和技术的成熟，使其价格不断降低。对于海边电厂来说，与海水接触的设备部件，例如海水泵、阀门等，越来越多使用2205。对于海水冷却管道，得益于2205价格的降低，部分需要高强度的管道管件（例如架空、承受冲击等）或小管径管道，如果输送海水是常流通的且温度不高，也可以使用2205，作为对其他材质海水冷却管道的补充。但是无论从抗腐蚀性还是经济性来说，都不适合作为主要材料大量使用。因为双相不锈钢的防腐蚀机理和316L其实也是一样的，只是抗腐蚀能力比316L更强。

根据西安建筑科技大学的研究，在浓度为3.5%的NaCl中性溶液中（近似于海水中氯离子浓度），把溶液温度从15℃提高到70℃时，2205就会从无明显腐蚀变为逐渐加速出现点蚀，说明了温度对2205的腐蚀性能影响很大。这是因为温度的升高使溶液中的离子和电子活度增加，与2205钝化膜的反应速率增加，导致钝化膜的动平衡被破坏，溶解占据了优势。因此使用2205管道输送的海水温度不能太高。

事实上，有些金属对海水有很强抗腐蚀性，例如钛、哈氏合金C-276等，但因为价格过于昂贵，从经济性考虑，并不适合用于海边电厂循环冷却水管道。

2.3 钢衬胶管道

因为海水中氯离子对金属的强腐蚀性，一味地使用高防腐等级的金属，不但会大大提高成本，还不一定能达到预期的效果。因此可以用抗海水腐蚀的非金属覆盖层把海水与金属管道分隔开来。使用覆盖层防止金属腐蚀时，覆盖层需要结构紧密，完整无孔，不透海水，并且与金属管道有良好的结合力。由此产生了钢衬胶管道：以普通碳素钢管作为基础，使用粘合剂把耐海水腐蚀的橡胶粘贴于钢管内壁作为里层，通过橡胶把海水与碳钢分隔开来，从而达到防腐的要求。通过衬胶，管道既有了钢管的强度，也有了橡胶耐海水的性能，并且在机组启动的时候，抗海水冲击的能力较强。因外壁为钢材，露天布置时，也不会受到紫外线照射而老化，外壁喷涂防腐油漆即可。如果是埋地管，还应增加阴极保护措施。但是钢衬胶管道一般都是由人工把橡胶板粘贴在钢管内壁，因此钢管的直径要求比较大。这限制了钢衬胶管道在海水输送方面的应用。在制作过程中，对橡胶粘贴施工要求高，一旦有细微空洞，管道很快就会腐蚀泄露。而且钢管连通部位需要在施工现场进行焊接，因此需要把焊接部位预留出来，不能衬胶，现场焊接后再补充衬胶，这增大了现场施工量。即便制作及施工质量方面都比较好，内衬橡胶板时间长了还是存在脱落现象，因此钢衬胶管道的使用寿命一般不超过10年，这对于机组30年乃至50年的寿命来说，是不足够的，以后存在更换的问题。

2.4 玻璃钢管道

因为碳钢易受海水腐蚀，耐海水的合金钢价格又太高，因此使用非金属管道是一个良好的选择。玻璃钢管道是一种以耐腐蚀树脂（乙烯基树脂和邻苯型树脂）为基体，通过玻璃纤维增加强度的非金属管道。制作过程是：先制作与所需管道内径尺寸一致的模具，把模具固定在专门的旋转设备上，混合了树脂的玻璃纤维沿着轴线方向不断移动缠绕在模具上，直至所需壁厚。树脂固化后，结构致密光滑，既耐海水腐蚀，海水流动的压降也小。但玻璃钢管道的强度比相同壁厚的碳钢管道要低，不断增加壁厚的话会大大增加管道自身重量，令管道因自重而变形。为了增加管道的强度，同时不增加管道自身重量，并降低成本，每隔一段距离增加缠绕从而形成加强筋，成为加筋玻璃钢管道。玻璃钢管道的管径覆盖范围很大，用于核电厂的管道直径可超过5m，小管道直径可以只有几十毫米。玻璃钢管道长度可达12m，接口采用承插式拼接，大大减少了现场的施工量。玻璃钢管道的成本比钢衬胶管道低，而且因为树脂不受海水腐蚀，使用寿命可达50年，满足发电机组的全寿命要求，免去了后期更换的成本与工作。但是因为树脂经受日晒雨淋老化较快，特别是在低纬度日照充足地区，露天布置的海水输送管道并不适合使用玻璃钢管道。因此玻璃钢管道一般用于埋地布置的海水输送管段。而玻璃钢管道的强度较低，因此对于地基的处理及回填夯实要求较高，对于承受冲击的部位还需建造支墩加固。电厂的布置比较紧凑，而主循环水管道直径动辄二、三米以上，一般都采用埋地布置以节省场地，因此，玻璃钢管道大量用于电厂海水主循环冷却系统。

2.5 聚乙烯（PE）管道

与玻璃钢管类似，聚乙烯（PE）管道是利用聚乙烯树脂的抗海水腐蚀性能制造的非金属管道。聚乙烯是由乙烯单体经聚合而生成的一种饱和分子团结构热塑性树脂，化学稳定性极高。通过挤压加热后的聚乙烯而制成纯PE管道。给水用PE管道柔韧性好，流体压降小，不受海水腐蚀。但是纯PE管由于材质限制，一般承受最高的压力只有1.6MPa，而且径向承受负载能力较低，管径一般最大只有600mm左右，否则因壁厚增加导致自重太大而变形，成本也比较高，因此在电厂海水输送系统中应用较少。为了增加纯PE管道的强度，需要在管道中加入增强材料，钢骨架聚乙烯塑料复合管就是比较常见的增强PE管道。

2.6 钢骨架聚乙烯塑料复合管道

钢骨架聚乙烯塑料复合管是以聚乙烯为基体，钢丝焊接而成的钢丝网为增强体的管道。钢丝在生产设备上连续缠绕焊接成管状钢丝网（网格密度由管道的管径及强度要求确定），加热后的熔融态高密度聚乙烯（混入一定比例的炭黑）在生产线上连续挤出，浇筑在焊接后的钢丝网上成为成品管道。钢丝网包裹在聚乙烯中，提高了管材的刚性、强度、抗开裂等物理性能。根据美国芝加哥BROUTMAN实验室的测试结果，钢骨架塑料复合管的抗蠕变能力和破坏强度大大高于同尺寸的纯塑料管，因此所承受的流体压力也大大提高。例如，对于DN200、壁厚12mm，聚乙烯管道的公称压力为PN1.0MPa，而钢骨架聚乙烯塑料复合管可达1.6MPa。同时，钢骨架塑料复合管拥有塑料管一样的耐海水腐蚀性能，比钢管光滑，输送流体的压降小，不易附着异物，而且无论室内、埋地还是露天布置都可以。室内及埋地布置寿命可达50年以上，露天的话根据日照情况寿命有所缩短，但因加入了炭黑防紫外线，寿命也可达20～30年以上。有一点需要特别注意的是，钢骨架塑料复合管和金属管道相比，管件比较粗大，因此需要更大的布置空间和施工空间，管道上需要安装阀门和测量仪表的话，情况就更为突出，这一点有时候会被布置设计人员忽略，导致部分管段施工困难，甚至不得不更换为金属管道。和聚乙烯管道一样，钢骨架聚乙烯塑料复合管的管径一般最大也只有600mm左右。钢骨架聚乙烯塑料复合管经常被用于海边电站的辅机循环冷却系统，例如：制氯设备、海水淡化设备供水，换热器、各类电机循环冷却等。

3 结束语

因为海水的强腐蚀性，加上电厂的复杂应用条件，海水管路无法简单的只使用一种材质。在设计使用海水作为电厂循环冷却水的管路系统时，首先应进行海水水质的分析，再根据流量需求，布置的位置，场合大小来确定不同管段材质的应用。对于埋地大口径管路，如主循环水管，应首先考虑使用玻璃钢管。如果是露天布置或地质条件较差的大口径管路，则应考虑使用钢衬胶管道，但是寿命较短，价格也比玻璃钢管要高。而对于小口径（DN600及以下）的支管段，应优先考虑使用钢骨架聚乙烯塑料复合管，寿命长而且露天或埋地安装均可。对于小部分受空间限制，较短长度上需安装仪表较多的管路，因非金属管道无法开孔焊接支管，只能通过三通安装，因此无法在较短管路上安装较多的仪表。如果无法更改布置方案，就只能使用金属管道了。材质方面至少需要使用双相不锈钢2205，设计上要便于更换，不是常流通的还应设置疏水支管。

如上所述，电厂的应用条件非常复杂，以上是根据理论分析、实际工程经验和经济性结合得出的使用原则，一些特殊的管路还需根据实际使用条件及要求多方面进行综合考虑。