软化水供热系统的腐蚀特性及防腐措施的研究

1、包头某热电厂供热系统的腐蚀特性及防腐措施研究张晶晶，陈莉荣 （内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头 014010）摘要 针对包头某热电厂供热系统存在的软化水腐蚀问题进行了分析研究，研究结果表明：管道内壁的腐蚀为氧腐蚀，主要影响因素为DO，其次为pH值；为了解决腐蚀问题，提出了一种以异抗坏血酸钠为主要成分的复合缓蚀剂，复合配方中的各组分之间存在着协同作用，能很好的抑制具有较强腐蚀性软化水中设备的腐蚀。软化水水质pH值为10并且药剂浓度为150mg/L时，在此条件下碳钢的腐蚀率仅为0.0303mm/a。关键词 异抗坏血酸钠；软化水；供热；防腐；缓蚀剂Study of corrosion cha

2、racteristic and anticorrosion measures for the heat supply system in a thermal power plant in BaotouZhang Jing Jing，Chen li rong（College of Energy and Environment，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou014010，China ）Abstract：This article analyses the problem aiming at the softened

3、 water corrosion on the heat supply system in a thermal power plant in Baotou，Results showed that：corrosion in the inner surface of pipe is oxygen corrosion，the main influence factors for the DO，followed by the pH value；In order to solve the corrosion problem，a new compound corrosion inhibitor with

4、Sodium erythorbate as a main component was studied，synergistic effect exists in the respective components of the composite formula，and it can resist corrosion on the equipment in the softened water with strong corrosion. and the mass concentration of 150mg/L，Under this conditions，the corrosion rate

5、of carbon steel is only 0.0303mm/a . Key words：Sodium erythorbate；softened water；heat-supply system；anticorrosive；corrosion inhibitor包头某热电厂供热系统利用换热装置回收该热电厂的余热为该厂冬季供暖。换热装置由蒸发器、冷凝器及连接导管等组成。首先通过蒸发器从热源中吸热，蒸发变成蒸气后经导管流向冷凝器，在冷凝器中向供暖系统的循环水放热，凝结流回蒸发器。以此循环往复不断地把热量从蒸发器输送到冷凝器，达到高效传热的目的。该供热系统为封闭式热水循环系统，供热的循环水通过热

6、管系统的冷凝器被加热到所需的温度，在冬季被输送到各个厂区取暖。供暖温度由室外最低气温决定，一般供水温度为50-70，严寒时供水温度为80-90。该供热系统中的补充水为锅炉车间供给的软化水，由于该热电厂对补充水未采取任何的除氧措施，使得水中含有大量的溶解氧，对金属具有相当强的腐蚀性。同时，供水温度较高，增加了腐蚀速度和氧的扩散速度，从而加速了金属表面的阴阳极过程，因此加大了该供热系统腐蚀控制的难度1,2。本文主要研究了该热电厂供热系统腐蚀的主要影响因素，针对其腐蚀特性提出了有效的防腐措施。1试验部分1.1试验药剂与试验仪器试验药剂：异抗坏血酸钠和丙酮肟为化学纯试剂，六偏磷酸钠、葡萄糖酸钠、硫酸锌

7、、丙酮、无水乙醇、六次甲基四胺、氨水、氢氧化钠、盐酸，均为分析纯试剂。试验仪器：电子分析天平（上海精密科学仪器有限公司）、恒温试验箱（上海福玛实验设备有限公司）、500mL锥形瓶、电热恒温水浴锅（北京科伟永兴仪器有限公司）、250mL溶氧瓶、JPB-607型溶氧仪（上海精密科学仪器有限公司）、金相砂纸、滤纸、尼龙绳、脱脂棉等。试验材料：试样碳钢A3 I 型，尺寸为50mm×25mm×2mm。1.2 试验方法除氧性能的测定方法在溶氧瓶中加入一定量的异抗坏血酸钠，然后加入试验用水，摇匀水封，将其置于恒温水浴锅中，30min后用JPB-607型溶氧仪测定其溶解氧的含量，由所测溶解

8、氧含量的变化计算除氧率，同时，做未加除氧剂的空白试验。除氧率b按（1）式计算： （1） 式中：-未加除氧剂前软化水中的溶 解氧量，mg/L； -投加除氧剂后软化水中的溶解氧量，mg/L。缓蚀性能的测定方法参照GB/T 18175-2000水处理剂缓蚀性能的测定，采用静态挂片失重法测定腐蚀率和缓蚀率，试验温度50，试验时间72h。试验用水取自包头市某热电厂供热系统软化水。腐蚀率x按（2）式计算： （2） 式中： m一试片质量损失，g； m0一试片酸洗空白试验的质量损失平均值，g； s一试片表面积，cm2； 一试片密度，g/cm3； t一试验时间，h； 8760一与一年相当的小时数，h/a；缓蚀率

9、按（3）式计算： （3） 式中：一试片在未加水处理剂空白试验中的腐蚀率，mm/a； x一试片在加有水处理剂试验中的腐蚀率，mm/a。2 结果与讨论2.1 试验水质分析以包头市某热电厂供热系统软化水为试验原水，其水质分析如表1所示。表1 软化水水质分析结果Table 1 Results of the heating softened water quality analysis 指标数值pH6.8温度/15总碱度/（mg/L）92.6总硬度/（mg/L）4.6Ca2+/（mg/L）3.7SO42-/（mg/L）107.3Cl-/（mg/L）127.1Fe3+/（mg/L）0.011总溶解固体/（

10、mg/L）295DO/（mg/L）10.2采用Ryznar稳定指数（RSI）法4来判断试验用水的腐蚀或结构倾向，其计算公式如（4）所示：RSI=2pHspHa （4）式中 pHs 一在实际水质条件下的饱和pH值 pHa一水的实测pH值当RSI6时，水质有结垢倾向；当RSI=6-7时，水质基本稳定；当RSI7时，水质有腐蚀倾向。根据水质分析的有关数据计算得： pHs=9.18，RSI=11.56对比分析可知：RSI指数远大于7，由此可以判断试验用水属强腐蚀型水质。对照供热采暖系统水质标准（DBJ01-619-2004）的水质要求，由水质分析数据可知，该试验用水中的溶解氧含量超标约100倍，pH值

11、偏低。2.2 腐蚀产物分析采用X射线衍射技术对供热管道内壁的腐蚀产物进行分析，分析结果如图1所示。图1 管道内壁腐蚀产物分析结果 Fig.1 Results of the internal corrosion production with pipe analysis 采用MDI Jade软件分析X-射线衍射图谱，在物相检索前应先建立一个PDF卡片索引，然后限定样品中可能存在的元素或化学成分等条件进行物相检索，将所测样品的图谱与PDF卡片库中的标准卡片一一对照，检索出图谱中的物相。管道内壁腐蚀产物分析结果表明：腐蚀产物的主要成分为Fe3O4、Fe2O3和FeO(OH)。由于管道材质中并没有氧元

12、素而腐蚀产物中出现了铁的氧化物及氢氧化物，表明氧参与了腐蚀的过程。综合以上检测分析结果可知：该供热系统管道内壁的腐蚀为氧腐蚀，主要影响因素为DO，其次是pH值。2.3 除氧试验结果分析采用JPB-607型溶氧仪对异抗坏血酸钠、丙酮肟进行除氧性能评价，主要考察了药剂浓度、pH值及温度对两者除氧性能的影响。2.3.1 药剂浓度对除氧剂除氧性能的影响试验测定了异抗坏血酸钠、丙酮肟的除氧性能，反应时间为30min，温度为40，pH值为6.8。结果如图2、3所示。图2 异抗坏血酸钠浓度与除氧率的关系Fig.2 Relationship between deaerator ratio and concen

13、tration of Sodium erythorbate 由图2可以看出，当异抗坏血酸钠浓度较低时，除氧率随着浓度的增大而增大，异抗坏血酸钠浓度为50mg/L时，除氧率为30.23%，当异抗坏血酸钠浓度为150mg/L时，除氧率达到了61.63%，之后随着其浓度的增加，除氧率基本保持不变。其可能原因是异抗坏血酸钠与溶解氧的反应已达到了反应平衡。异抗坏血酸钠具有较好的除氧性能是因为异抗坏血酸钠不仅本身有很强的除氧效果，其与氧反应的中间产物也有一定的除氧性能。其与氧反应的机理5：异抗坏血酸钠分子中具有烯醇的结构，含有易于脱氢的基团，在水溶液中与氧发生氧化还原反应，使得水中的氧得以去除。 图3 丙

14、酮肟浓度与除氧率的关系 Fig.3 Relationship between deaerator ratio and concentration of Acetone oxime从图3可知，在丙酮肟浓度较低时，其除氧率随着浓度的增加而提高，当其浓度为50mg/L，除氧率为25.58%，当浓度增加到200mg/L，除氧率仅上升至27.91%，丙酮肟浓度为200mg/L时的除氧率还不及异抗坏血酸钠浓度为50mg/L时的除氧率。可见，丙酮肟具有一定的除氧性能，但其除氧性能远不如异抗坏血酸钠的除氧效果好。综上可得，在上述实验条件下，异抗坏血酸钠的最佳投加量为150mg/L，丙酮肟的最佳投加量为50mg

15、/L。2.3.2 pH值对除氧剂除氧性能的影响试验研究了不同pH条件下异抗坏血酸钠、丙酮肟的除氧性能，药剂投加量为上述所得最佳投加量，反应时间为30min，温度为40，用氨水调节溶液的pH值使其变化范围为7-12。试验结果如图4所示。图4 pH值与除氧率的关系Fig.4 Relationship between deaerator ratio and pH values由图4可以看出，在投药量一定时，一定范围内两种药剂的除氧率均随着pH值的增大而提高，当pH值为10时，异抗坏血酸钠的除氧率达到了80.24%；此时，丙酮肟除氧效果不是很理想，其除氧率仍较低仅为37.15%，之后两种药剂的除氧率随

16、着pH值的增大基本保持不变。可见，异抗坏血酸钠的除氧率受pH值的影响较大，增大pH值可以使其除氧率有很大的提高，其原因为增大pH值时，OH-离子在金属表面形成保护膜，从而减缓了氧的腐蚀，使得更多的氧能够与除氧剂发生氧化还原反应，因此除氧率有所高；且异抗坏血酸钠的除氧效果远高于丙酮肟。2.3.3 温度对除氧剂除氧性能的影响试验研究了不同温度下两种药剂的除氧性能，其温度变化为40-80，pH值为6.8，反应时间和投药量同上。试验结果如图5所示。图5 温度与除氧率的关系Fig.5 Relationship between deaerator ratio and temperatures从图5可以看出

17、，丙酮肟的除氧率随着温度的升高而增加，但随着温度的不断增加其除氧率增加速度越来越小，温度为40时，除氧率为25.58%，当温度达到50时，其除氧率为37.21%，比40时的除氧率增大约12，之后随着温度的增加，其除氧率增加的比较慢，基本处于稳定，温度为80时的除氧率为45.53%；异抗坏血酸钠的除氧率随温度的变化比较小，40时，其除氧率为61.63%，当温度达到80时，除氧率仅为72.09%，除氧率约增大了10%。虽然异抗坏血酸钠的除氧率随温度的变化不如丙酮肟的明显，但其除氧性能仍优于丙酮肟。结果表明，异抗坏血酸钠和丙酮肟的除氧率均随着温度的升高而增加，其原因为升高温度提高了反应的活化能分子数

18、，除氧率必然有一定的提高；同时随着温度的升高，氧的扩散速率也会增大，反应速度加快，使得药剂与氧很快反应完全，即达到一定温度后，除氧率基本保持稳定。虽然异抗坏血酸钠的除氧效果远远优于丙酮肟，但其在实践中应用的可行性还需要做缓蚀试验来进一步的验证。温度的升高可以增大除氧率，但是升高温度金属的腐蚀速度也会增大，综合多方面因素考虑，选择在温度50及pH值为10条件下做缓蚀试验。2.4 缓蚀试验结果分析2.4.1 异抗坏血酸钠对碳钢的缓蚀性能试验采用静态挂片失重法对异抗坏血酸钠的缓蚀性能进行评价。试验温度50，pH值10，运行时间72小时，试验结果如图6所示。图6 异抗坏血酸钠浓度与缓蚀效果的关系Fig

19、.6 Relationship between inhibition effect and concentration of Sodium erythorbate 从图6可以看出，异抗坏血酸钠在较低用量时即具有一定的缓蚀性能，随着其浓度的增加，腐蚀速率逐渐降低，缓蚀速率逐渐增大，异抗坏血酸钠的浓度为50mg/L时，缓蚀率为58.35%，腐蚀率为0.0905mm/a，当其浓度在150mg/L时，缓蚀率达到了76.71%，腐蚀率仅为0.0506mm/a，之后随着异抗坏血酸钠浓度的增大，缓蚀效果基本保持稳定。其缓蚀机理主要是异抗坏血酸钠具有钝化、还原作用。异抗坏血酸钠与水中的溶解氧快速发生化学反应，

20、使得水中溶解氧的含量降低，减缓了氧腐蚀的速度，此外，提高pH值也可以减缓氧腐蚀的速度；同时，异抗坏血酸钠还是一种较强的金属钝化剂，能在碳钢表面形成致密的保护氧化膜，从而抑制金属的腐蚀。异抗坏血酸钠具有一定的缓蚀效果，但是为了进一步提高缓蚀效果，减少药剂的投加量，我们经过大量的缓蚀剂配方筛选试验，筛选出以异抗坏血酸钠为主要成分的复合缓蚀剂，复合缓蚀剂的最佳配比为异抗坏血酸钠：六偏磷酸钠：葡萄糖酸钠=6：2：1。考虑到锌盐本身也是一种阴极型缓蚀剂，其成膜速度快，与其它缓蚀剂复合使用时，产生协同效应；因此，在复合缓蚀剂中加入了一定量的锌盐，使溶液中Zn2+离子浓度为2mg/L。2.4.2 复合缓蚀剂

21、对碳钢的缓蚀性能试验根据最佳配比配制一定浓度的复合缓蚀剂，试验条件同上，试验结果如图7所示。图7 复合缓蚀剂浓度与缓蚀效果的关系Fig.7 Relationship between inhibition effect and concentration of compound inhibitor 从图7可以看出，缓蚀效果随着药剂浓度的增大而提高，浓度为50mg/L时，缓蚀率为66.95%，腐蚀率为0.0732mm/a，浓度为100mg/L时，其缓蚀率和腐蚀率分别为77.23%和0.0504mm/a，此时的缓蚀效果与相同条件下浓度为150mg/L时异抗坏血酸钠的缓蚀效果相当；当浓度达到150mg/L时，缓蚀率为86.31%，腐蚀率仅为0.0303mm/a，之后缓蚀效果变化的比较缓慢，由此可知，复合缓蚀剂在软化水中对碳钢具有较好的缓蚀效果，其缓蚀效果优于单体药剂。其原因为异抗坏血酸钠是一种高效除氧剂、金属钝化剂，同时还是一种阳极型缓蚀剂，使阳极极化增大，降低了阳极反应的速度；六偏磷酸钠是一类阴极型缓蚀剂，使阴极极化增大，降低了阴极反应的速度；葡萄糖酸钠是一种含有多个羟基和羧基的吸附膜型缓蚀剂，其吸附膜比较稳定，具有较好的缓蚀效果；锌盐能够弥补六偏磷酸钠、葡萄糖酸钠成膜慢的缺点，增强复合缓蚀剂的缓蚀效果5-7。3 结论（1） 通过水