海水源热泵防腐 论文.pdf

海水源热泵防腐措施 董德智 曲若萌 (青岛海尔空调电子有限公司，青岛 266000) 摘摘 要要 近年来国内外对海水源热泵的研究及应用进行了广泛的研究，然而如何解决海水的腐蚀问题，对 海水源热泵的前景及广泛应用提出了巨大难题。本文对海水源热泵腐蚀产生的原因进行了详细分析，并对 国内外解决海水源热泵的腐蚀问题进行了综述。 关关键键词词 海水源热泵；腐蚀；防腐 Antierosion for Sea Water-Source Pump ABSTRACT: In recent years, the research and application on sea water-source pump are broadly carried out. However, the fact that how to solve the erosion caused by sea water poses a big problem to the future use of sea water-source pumps. This article, in detail, analyzes the cause of erosion of sea water-source pump; meanwhile, we summarize the solution of sea water-source pump erosion from global academic perspective. Key Words Sea water-source pump; Erosion; Antierosion 1 前言 地表水中的海水约占自然界水总储量的 96.5 %。国外有应用海水作热泵水源的实例，我国一些 沿海城市利用海水作工业冷却水源已有多年历史。 目前我国对于地源热泵及水源热泵的研究已经 较为成熟，土壤、地下水和井水等低位热源作为热 泵系统的冷热源得到了广泛的研究与应用。但是地 源热泵与水源热泵的选择受到当地地质及水源情况 的制约，需根据实际情况慎重选用。对于我国各沿 海城市来说，拥有廉价而丰富的海水，能否将之应 用于热泵技术中，来解决城市的供暖与供冷问题， 将是暖通行业的又一研究课题。 海水对金属尤其是黑色金属有强烈的腐蚀作 用。如何解决海水对材料的腐蚀问题，而且要简单 易行，成为海水源热泵技术的关键。在材料选择上 和换热器结构上要考虑海水的腐蚀性，同时采取相 应防腐措施。 传统的海水机组方式一般为，海水进入换热器 前首先经过机组与海水抽水井间设置的可拆卸的钛 板式换热器以解决海水对换热器腐蚀问题，这样做 虽然解决了腐蚀问题，但是又带来了其他问题。一 方面钛板换热器价格昂贵，其次水路系统复杂；另 外，在中间换热器海水与循环水交换存在温差，在 制热工况， 进入蒸发器的水温降低； 而在制冷工况， 进入冷凝器水温提高，使制热量、制冷量降低，机 组效率下降。所以如何从真正意义上解决海水的腐 蚀问题， 是海水源热泵能否大量应用和推广的关键。 近年来，国内有用海水作热泵水源的研究，但 实用化尚待时日。其中，开式海水换热系统要考虑 与海水连通的所有设备、 部件及管道必须具备过滤、 清理的能力，能有效防堵防蚀；闭式海水换热系统 要考虑与海水接触的所有设备、部件及管道必须具 备防腐、防生物附着的能力。其次，陆地上的地表 水，即江、河、湖、水库水均比海水和地下水矿化 度低，但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类 等有机物较多，含砂量和浑浊度较高，须经必要处 理方可作热泵水源。因此，需根据应用条件综合考 虑系统的可行性。 近年来，国内有用海水作热泵水源的研究，但 实用化尚待时日。其中，开式海水换热系统要考虑 与海水连通的所有设备、 部件及管道必须具备过滤、 清理的能力，能有效防堵防蚀；闭式海水换热系统 要考虑与海水接触的所有设备、部件及管道必须具 备防腐、防生物附着的能力。其次，陆地上的地表 水，即江、河、湖、水库水均比海水和地下水矿化 度低，但含泥沙等固体颗粒物、胶质悬浮物及藻类 等有机物较多，含砂量和浑浊度较高，须经必要处 理方可作热泵水源。因此，需根据应用条件综合考 虑系统的可行性。 2 现在海水源热泵应用的腐蚀因素 海水中溶解的盐类使海水成为一种天然的电解 质溶液， 对铜铁和各种金属材料都有较强的腐蚀性， 而靠海岸的海水易受污染，水中既有悬浮物、胶体 和溶解物质，还含有大量有机物、微生物、细菌、 藻类等污染物质，这些物质对热泵系统也有腐蚀作 用， 可以说海水的腐蚀性比单纯盐溶液要复杂的多。 影响海水对热泵系统腐蚀程度的主要因素: (1)盐类及其浓度 海水浓度的增加会造成海水的比电导增加，使 腐蚀速度增加，同时因为海水含有大量的氯离子， 它会妨碍或者破坏金属钝化。青岛近海海水中盐度 最大值为 31.6 （出现在 6 月份） ， 最小值 26.00 （出现在 8 月份），这是由于蒸发降水和陆地径流 枯竭造成的。 (2)溶解氧 溶解氧量是影响海水腐蚀的另一个重要因素， 因为金属在海水中的腐蚀过程主要是受阴极氧化去 极化过程所控制的。对于许多常用金属，含氧量越 高，侵蚀率越大。海水表面经常与大气接触，所溶 解的氧量较多，可达 12 ppm。海水中的绿色植物的 光合作用、波浪作用等，能提高海水含氧量，而死 生物分解因需消耗氧，将使含氧量降低。 (3)温度 金属在海水中的腐蚀还与海水的温度有关，海 水温度越高，其对金属的腐蚀速度越大，一般认为 海水温度每上升 10 , 其腐蚀速度将增加一倍。 在 青岛浅水海域，水温的季节变化比较大，冬季的海 水温度可低到 0-4 ，而夏季的海水温度可达到 2428 ，可见夏季海水的腐蚀性比冬季海水的腐 蚀性要高 2 倍以上。 (4)海水流速 海水腐蚀借助氧的去极化而进行，腐蚀受氧向 金属表面的扩散速度所控制。很明显海水的运动速 度将是影响腐蚀过程的主要因素之一。借助于冲洗 掉腐蚀产物和增加氧的扩散，水的运动速度的增大 将使金属的腐蚀速度增加，但同时却使表面变得较 为均匀。当水的运动速度很大时，所发生的湍流会 重新引起不均匀腐蚀，并由于金属的部分钝化而产 生小孔。当运动速度更大时，会产生腐蚀性磨蚀， 使海水中金属的破坏达到很大。在污染海水中冲刷 造成的腐蚀要比在清洁的海水中更为强烈，砂、蒸 气空泡的存在会增加冲刷腐蚀的可能性。 (5)海洋生物附着性等 在海水热泵系统中，大量引入海水用于冷却， 海生物的幼虫或胞子粘附在取水管、冷凝器的金属 表面，迅速成长为贝类等大型海生物（如藤壶等）。 海生物在冷凝器内的繁殖，将减小管道截面积，增 加摩擦系数，降低热交换系数，甚至堵塞冷却管道 而使海水热泵系统出现故障。当贝壳类海生物附着 在管壁时，在贝壳与金属的缝隙中氧含量小，形成 缝隙腐蚀，导致冷凝器不锈钢冷却管的早期穿孔腐 蚀。 附着生物腐烂生成的硫化物促进了管道的腐蚀。 且外贝壳类从管壁脱落后流至冷却管的下游而堆积 于管内，又会使局部区域海水流速提高数倍，生成 的剪切应力将会导致急剧的局部腐蚀。 (6)由不同种类的金属相接触而引起的腐蚀（电 偶腐蚀） 海水水源热泵系统中，几乎所有的机器、设备 都有不同金属材料的部件。在海水中不同种类金属 的接触将导致低电位金属更强烈的腐蚀，而高电位 金属的腐蚀则将会降低。 (7)近岸海水的水质 近岸海水比较混浊，水中的杂质主要有泥沙、 海藻及各种海生动植物。 如离生活污水排水口较近， 还会有较多大肠杆菌及其它污物和细菌。泥沙的含 量受天气变化影响很大，在风平浪静的天气，海水 较清， 而在有风浪潮的天气里， 泥沙含量急剧升高， 会有很多的泥土和污物被吸入热泵系统，当这些东 西粘附在泵体内时，必将增大运动部件间的磨损和 密封件的损伤。而密封件的受损，如拉毛、变形、 僵化等将使其失去密封效果，导致水泵漏水和轴承 的损坏，甚至发生泵轴断裂，使整个海水泵报废。 海水中的泥沙和污物沉积在冷凝器管壁上，会降低 换热效果。另外海水中存在的 Ca2+、Mg2+等离子极 易在生产中与 CO2-、SO2-等离子结合生成 CaCO3、 CaSO4、MgCO3、MgSO4等水不溶物（或微溶物）， 会在管线及设备内形成硬疤，也会降低换热效果。 3 海水源热泵防腐措施 3.1 防止海生物附着的手段 防止海生物生长附着的措施有两条，一采用海 生物不易附着生长的管材。据在海滨实地调查，在 ABS 和 PVC 塑料管的管壁上，海蛎子很少附着生 长，但要防止海蛎子在固体壁面上的附着生长还必 须采取第二个措施，即从水中除去海生物，其有效 办法是过滤。其它方法如液氯法是我国目前防止生 物附着生长常用的方法，效果也十分明显，但是液 氯对海体有明显的污染，美、日等国己禁止在大型 海水冷却系统中使用。过滤法一般分为两级，一取 水管头部必须装可靠的底阀，还应该设格网、格栅 或滤头。滤头处的裁留物主要是海藻、海带草、海 白菜及较大的海生动物等。前者形成累积性堵塞， 否则会增加管道的腐蚀。 3.2 海水源热泵机组选用的防腐金属 为利用广阔的海洋资源，国外早在 20 世纪 30、 40 年代就开始研究，并主要集中在合金铸铁、低碳 钢、不锈钢、各种铝合金、铝锌合金在海洋中的腐 蚀行为，如日本、意大利等国核电站中冷却系统使 用的各种口径的阀门绝大部分采用低合金铸铁和球 铁。国内从 20 世纪 70 年代以后，为适应沿海工业 的发展，如石油化工企业、火电、核电站的建立、 海洋石油、矿产的开发及海洋运输等，开始这方面 的研究， 铸铁材料， 尤其合金铸铁优良的铸造性能、 加工性能和价格低，使其成为各种结构复杂阀门、 泵、管道的理想选材。 目前在工程上 ABS 工程塑料管、 聚酯玻璃钢管 以及 PVC 塑料管道也得到广泛选用， 这些非金属材 料耐海水腐蚀的性能较好，耐压高，无毒无味，造 价相对较低，光滑阻力小。在青岛海水游泳馆及海 水理疗工程中， 海水管线及阀门附件均采用 ABS 工 程塑料。 用海水作冷却水的冷凝器，其材料目前用得最 多的是：铝黄铜、海军铜、铜镍（90/10、70/30）、 钛、不锈钢、碳钢和低合金钢。钛材虽然昂贵，但 可以延长使用周期，减少维修费用。我国开发研制 的 OOM05 不锈钢、日本研究的 YUS270 特种不锈 钢等，其耐腐蚀性接近钛材，而成本较低，可以应 用于海水冷却系统中作为设备的结构材料。除合金 铸 铁 外 ， 海 水 泵 泵 体 和 叶 轮 材 料 主 要 采 用 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 锡锌铅镍青铜和 ZCu16Si4 硅黄 铜。这两种合金均具有较好的机械加工性能。 ZCuSn3Zn8Pb6Ni1 具有较好的流动性，收缩率小， 适于制造厚薄不均匀或结构复杂的构件；ZCu16Si4 也具有良好的流动性， 但收缩率较大， 易产生热裂， 常用于制造尺寸变化较小或结构简单的零件。镍铝 青铜具有优异的耐应力腐蚀开裂、耐腐蚀疲劳、耐 空泡腐蚀、耐冲蚀和抗海生物污损等性能。镍铝青 铜在耐海水腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄铜， 比锰青铜还好；镍铝青铜在耐冲蚀方面也远远高于 黄铜，与 B30 合金相近，而且耐空泡腐蚀性能格外 好。镍铝青铜在大型泵用叶片、紧固件、海水管件 等部件上获得了日趋广泛的应用。 而在空调行业新兴的金属材料处理方法也会为 海 水 源 热 泵 的 发 展 带 来 希 望 。 达 克 罗 （DACROMET）又称达克锈、达克膜、迪克龙、 锌铬膜，是一种鳞片状锌铝铬盐防护涂层，是金属 防腐的新工艺， 是当今国际上表面处理的高新技术。 由于它的整套工艺采用全过程闭路循环涂覆的方 式，因此具有生产过程中将产生的污染物完全控制 的特点。所以，达克罗产品又称为环保产品，绿色 产品。达克罗涂层为亚光银灰色，它不仅具有环保 方面的优势，而且具有许多其它涂装工艺不具备的 优异特点。达克罗涂层厚度在 610 m 之间。在 同等条件、同时间进行标准盐雾试验，达克罗涂层 每 100 h 才消耗 1 m 镀层，而电镀锌每 10 h 就消 耗1 m镀层。 达克罗涂层抗盐雾能力可达1000 h， 是同等涂层电镀锌抗蚀能力的 10 倍。 工件的前处理 在密封的抛丸机内进行，不进行酸洗，这就排除了 氢离子侵蚀钢铁基体的可能性。因此，达克罗涂层 特别适用于1000 N/mm2高强度螺栓和弹簧种类 的工件。达克罗涂料是以水作为溶液，所以它的渗 透性好，收紧的弹簧件经过达克罗处理后，拉开再 作盐雾试验，其缝隙处仍可耐盐雾 240 h 以上，说 明达克罗溶液已渗入紧密结合的缝隙处。高温烘烤 后形成的锌、铝及复合盐涂层与钢铁基体有良好的 附着力，（F1 级）达克罗涂层表面可与各种色彩 及各种型号涂料配套使用（必要时）。达克罗涂层 是在 300 条件下形成的。 因此， 涂层在 300 条 件下仍保持它固有耐热性。 经达克罗处理的金属件， 在大气环境条件下可达 70 年不生锈。 它可以经受二 氧化硫、酸雨、烟尘、粉尘的侵蚀。它耐 SO2试验 可达 3 周期。此外，它还具有较好的耐化学药品腐 蚀性，在汽油、机油中，耐蚀性均优。达克罗涂层 经适当处理，可以达到 0.060.12 系数的超低磨擦 性，经一般处理则产生 0.120.18 系数的中等磨擦 性。一般达克罗涂层的厚度均为 610