金属和合金的腐蚀 工业冷却水系统的腐蚀和污垢 第2部分：应用中试试验台评估冷却水处理方案 征求意见稿

1GB金属和合金的腐蚀工业冷却水系统的腐蚀和污垢第2部分：应用中试试验台评估冷却水处理方案本文件规定了工业冷却水系统中试试验的原则、试剂和材料、试验装置、测试方法、结果评估及测试报告的要求。本文件描述了一种对开放循环冷却水系统的处理程序性能进行初步腐蚀性评估的方法，主要应用于管程为冷却水热交换器的实验室动态模拟试验，也可以用于现场评估。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ISO8044，金属和合金的腐蚀—基本术语和定义ISO8407，金属和合金的腐蚀—从腐蚀试样中除去腐蚀产物ISO16784-1，金属和合金的腐蚀—工业冷却水系统的腐蚀和结垢—第1部分：开放循环冷却水系统腐蚀和结垢添加剂中试评估指南ISO22449-2，工业冷却系统中水的使用—第2部分：成本分析指南3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1三磷酸腺苷三磷酸腺苷，一种存在于活细菌中的活性化学物质。3.2排水从冷却水回路排出的水，以排出率表示。3.3Cfu菌落形成单位，是衡量冷却水中细菌数量的单位。3.42GB/Txxxxx-20xx冷却塔用于循环冷却水蒸发冷却的塔，通常由木材、金属或陶瓷材料制成。3.5冷却水处理冷却水化学性质的改变，以控制腐蚀和污垢。3.6周期的浓度循环冷却水中特定离子的浓度与补给水中相同离子的浓度之比。3.7排热能力冷却塔所能产生的热量。3.8补给水单位时间内的总水量，用于补偿因蒸发、放空、泄漏和吹散损失而造成的水量损失。3.9表面温度冷却水膜与传热表面之间的界面温度，不论其表面是管壁还是外表面都有污垢沉积。3.10TOC总有机碳。3.11填料冷却塔的一部分，它构成了冷却塔的主要传热表面，当蒸发发生时，水在其上流动。3.12壁温在加热元件和传热管壁内部之间的热电偶所测得的温度。尽量靠近管壁。4总则4.1模拟循环冷却水处理工艺流程，在给定的实验条件下，将金属管样放置于循环冷却水中进行热交换，模拟冷却水现场的流速、水质、流态、换热材质、换热强度、冷却水进出口温度、浓缩倍率、pH、电导率、水处理添加剂浓度等主要工艺参数，综合评定冷却水处理方案的性能。4.2试验用金属管在换热状态下，安装在循环冷却水系统中一段时间。可以是直接与现场的冷却水循环相接触，以保持和现场相同的工况条件；或者在实验室测试时，设计冷却水成分以反映现场环境中水的化学性质，但需要根据拟研究的处理方案进行适当的修改。在实验室中采用合成化学药剂测试，主要GB3是用于高效的比较处理的效果，例如筛选试验，但不能代表使用条件。通过改变一些参数，来评估冷却水处理方案对待测管样的腐蚀的影响。5试验用水测试用的冷却水成分应尽可能反映现场的情况。使用合成水进行实验室测试时，只使用认可的分析纯试剂，以及符合ISO3696中三级要求的水。通常有两种主要的运行环境可以采用。第一种方法是使用现场特定冷却系统中的补充水，并将其浓缩到测试系统中所需的循环倍率。推荐使用附件A所示的表格来记录包括试验条件、补充水和再循环水的组成以及试验结果等。第二种方法是使用合成水来模拟现场循环水所需的循环倍率。合成循环水的使用避免了将合成水浓缩以获得所需浓度的循环。这种方法通过避免使用中试冷却塔，简化了测试试验。合成的循环冷却水中溶解的离子固形物通常比相应的自然水含量高，因此会使合成水具有更强的腐蚀性。5.1水质使用的天然或合成水的特性应如表1所示。如果使用循环水和补充水，应使用此表来记录其成分。浊度、总二氧化硅、细菌和ATP只需要测量现场的水。表1补给水和循环冷却水的组成1pH值-234567Mg2+8Na+9NH4+Al3+GB/Txxxxx-20xx45.2母液配制合成试验水合成测试水通常在使用时在实验室中通过混合母液或混合溶剂配制。一种母液含有碱度，另一种母液中含有测试水所需的硬度和其他盐，这两种溶液的组成是这样计算出来：当溶液以适当的比例混合时，它们可配制循环试验水或适当的补充水。典型的母液如B.1所示。另外，母液可配制成浓缩液，然后用除盐水稀释获得。6试验装置6.1换热器测试组件的核心是热交换器部分。换热管内壁应无麻点、裂纹、锈蚀等明显缺陷，长度应根据需要确定。试验组件由两根或多根金属传热管组成，由现场换热器中使用的相关合金制成，加热方式可采用蒸汽换热方式(见图B.1);或通过电加热，安装方式串联(图B.2)或并联(图b.3)。热的传导和对流发生通过传热管壁进入循环冷却水。测试组件的结构材料的选择应不影响测试水的组成。玻璃、塑料、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)或聚偏氟乙烯(PVDF)]。从冷却水箱，冷却水被以控制的流量泵进入热交换器部分。如果传热管串联安装，只需要一个流量控制器。如果它们是并联安装，每个换热管需要一个流量控制器。通过冷却塔内的水的部分蒸发，吸收的热量随后被释放到环境中。或者，如果不需要冷却塔来浓缩补充水，则使用一个封闭的冷却循环来提取热量。为了确定非传热表面的腐蚀速率，应该使用系统中相关金属的腐蚀片。如果换热管是并联安装的，则可以通过为每根换热管设置不同的表面温度和流量组合来同时进行试验。然而，强烈建议所有的传热管应具有相同的冶金成分。6.2温度测量金属管的管壁温度应由放置在加热元件和传热管内壁之间的热电偶测量，最好尽可能靠近管壁。由于温度梯度，这种测量将不是完全准确的，但将具有指示性。更精确的测定需要在离管壁不同距离处安装三个热电偶，用温度梯度来测定管壁温度。6.3循环率监控循环速率可以通过使用流管内的流量计来测量，可以在热交换管之前或之后。6.4补给、蒸发和排污测量应测量补给水量、蒸发水量和排污水量(包括最小值、平均值和最大值)，并记录在测试报告中。排污率和补给率可以通过流量计和蒸发率来监测。化学进料可以以排污或补充为基础。通常使用循环水的导电性来控制排污。补给由冷却塔盆中的液位控制器控制。6.5冷却塔冷却塔和塔填料的设计和散热能力是可选的，但必须报告。根据系统设计的不同，在冷却塔中可能会发生盐的沉积。该装置的一个例子见B.2。建议在试验结束时对冷却塔内部进行目视检查。冷却水箱容积：一般按每小时循环冷却水消耗量的1/3~1/5计算。液位应恒定，并能自动控制和加冷却塔尺寸：应根据当地空气温度、湿度及工艺温差确定。填料可以是聚丙烯多孔球。风机建议采用全封闭轴流防湿风机，水泵一般采用防腐泵。GB56.6加热系统可采用电加热或蒸汽加热，加热棒应采用耐腐蚀的金属材料制作，加热功率可根据需要确定。当采用常压饱和蒸汽系统时，应选用耐腐蚀金属材料制成的电蒸汽炉，蒸汽冷凝器及连接管道的材料应选用耐腐蚀金属材料。6.7水处理模拟装置作为中试设备的组成部分，可包括模拟的石灰软化装置、离子交换装置、反渗透脱盐装置、电化学处理装置、电磁处理装置。这些模拟装置可能对水质有显著的影响；在无法使用时，也可使用人工合成水代替这些装置的排出物。6.8在线检测装置除上述流量和温度监测装置外，在试验过程中还使用了其他自动控制装置来控制参数和处理数据，如腐蚀速率仪、pH值、电导率值等。7测试方法7.1程序7.1.1试验装置的清洗在开始测试之前，应该对测试装置进行清洗，以防止由于先前测试或不希望出现的微生物污染造成的产品污染。建议使用以下清洁方法：首先用水冲洗，然后采用适当的方法冲洗：如形成黏液时用次氯酸溶液冲洗，铁和/或钙沉积时用氨基磺酸或柠檬酸和EDTA溶液冲洗。如果使用酸性溶液，系统应该先用水冲洗，然后再中和后用水冲洗，直到pH值为中性。7.1.2管样制备及预处理在测试数据表上测量并记录管样的长度。被测金属管材的表面状态对腐蚀和污垢有重要影响。表面处理方法应确保良好的重复性，应从制备过程开始无人工的影响。所用的表面处理方法应遵守供方对待测样品的要求。以下是可选的测试程序，但必须采取标准预处理和制备的管样。b）用压缩空气吹净管样，称取重量，精度不低于0.01g，安装在换热器(6.1)的管中。将每个管样的质量记录在测试数据表上。c）对管样进行检测时，可以进行预处理，也可以不进行预处理。为了定量地确定预处理的作用，通常在两个条件下都进行测试。预处理是通过预膜溶液的连续循环来完成的。预膜溶液由水处理供应商通过管样规定，在室温下至少循环48小时，最大循环72小时，循环流速至少为0.6m/s，且不加热。管样的预处理可以在测试组件中进行，也可以在与测试组件相连的独立回路中进行。7.1.3系统水容量测量并记录系统的冷却水水箱、热交换器和管道的总水量。7.1.4冷却水系统注水程序7.1.4.1采用母液合成的循环试验水(无冷却塔)GB/Txxxxx-20xx6按照5.2所述的混合母液，以达到所需的冷却水水质，其参数如表1所示。按照供应商的说明，用合成水和化学处理添加剂溶液填充冷却水箱。启动循环泵并进行调节，使其达到所需的循环流量(见6.2)。用至少5倍热交换器部分水体积的水冲洗系统，以保证去除表面预处理的人为影响。启动给药装置，将剂量设置为规定值(见7.1.9)。然后让冷却水正常循环，将加热器设置为选定值，并与冷却回路中提取的热量保持平衡。完成之后，将时间记录为测试的开始时间(t=0)。注：在开始适当的试验之前，最好使用模拟的热交换器管样来设置试验台和控制装置，7.1.4.2采用补充水(有冷却塔)在这种情况下，补充水(通过混合合成母液或使用现场获得的补充水)在模型冷却塔中蒸发浓缩，在测试期开始前达到所需的水的成分。按照供应商的说明，用补充水和化学处理添加剂溶液填充冷却水箱。启动循环泵和调整，实现所需循环速率(见6.2)。用至少5倍热交换器部分水体积的水冲洗系统，以保证去除表面预处理的人为影响。将加热器设置为设定值，并监视水的电导率，直到获得合适的浓度。然后启动排污泵，调节到适当的排污率(见6.3)。启动给药装置，将剂量水平设置为规定值(见7.1.9)。然后让冷却水正常循环，将加热器设置为设定值，并记录时间作为测试的开始时间(t=0)。注：在开始适当的测试运行之前，最好使用模拟的热交换器管样来设置试验台和控制器，7.1.5加热管样加热元件的性能和所使用的加热热量应能代表特定的使用条件。如B.3中所描述的一种合适的设备。7.1.6流量再循环流量测量回路中外部换热管部分的流量计(6.2)应设置足够高,以便没有试管的过热发生。，但不是太高,这样过度的湍流水流发生内管(0.6±1m/s的流量已经找到合适。)7.1.7杀菌剂处理如果拟采用的微生物控制方法可能对正在测试的缓蚀处理的有效性有积极或消极的影响，则应根据制造商的说明或适当的标准，控制杀菌剂用量。7.1.8冷却塔补充水在试验过程中，系统冷却水的体积应保持基本恒定，以保证整个试验过程中冷却水的质量保持恒定，最好是实现自动化补水和排污。使用现场的实际水样或合成补给水，使冷却水体积保持在要求的水平。当使用合成补给水，其含盐量等于被测试冷却水的浓度除以浓缩倍率。合成水和实际现场水样的加入量，用液位计来控制，以确保冷却水液位保持不变。根据供应商的说明，添加溶解的化学处理添加剂。剂量应按每一单位时间固定投加，或按试验期间确定的一个或多个控制参数变化加药量。通常在测试开始时使用高剂量的缓蚀剂，用于预涂膜金属表面(参考制造商的说明)。杀菌剂也可与缓蚀剂和阻垢剂一起使用，可连续或冲击使用。一些杀菌剂会干扰缓蚀剂和阻垢剂的作用，因此，杀菌剂的用量应尽可能接近实际情况，并与制造商的说明和现场操作方法应保持一致。试验过程中，加药量可能不变。这可能会导致冷却水成分在试验过程中偏离原来的成分。例如，由于CaCO3的沉积和CO2的析出，因此需要合理模拟冷却塔系统。7.2分析和控制参数的确定GB7在试验过程中，应定期记录所测得的pH值和电导率以及水处理添加剂的浓度。应收集其他资料(见连续记录换热器段进出水的温度，以及各管壁的温度。7.3试验数据所有相关数据和测量结果应在测试数据表上报告，如附件A。注：当在测试期间发生显著的污垢或腐蚀变化时，使7.4测试终止建议实验室试验周期为(500±10)h，即大约21天。测试应继续进行，直到达到渐进污垢(即当壁面温度达到一个准稳定值)或500h，以两者中较低者为准。关掉加热器的电源，让水冷却到室温。取水样进行分析后，排放水、取下管样进行评估。8结果评估8.1水质记录对于每一个分析参数，在测试数据表上记录所有测量值的最高值、最低值和平均值。附录A给出了一个测试数据表的示例。如果化学处理添加剂的剂量取决于控制参数，也要在测试数据表上记录这些控制参数的最小和最大如果在测试过程中，检测到的分析参数值始终超出供应商建议和相关方同意的目标值的公差范围，或者当这些目标值无法达到或根本无法维持时，则应停止测试。8.2管样的处理小心地从测试装置上拆卸所有仍未干的试管。对湿管拍照，用蒸馏水冲洗，然后小心地将其放入干燥炉中，在105℃左右放置24小时，收集在此过程中从管中脱落的沉淀物。8.3沉积和结垢结果的评估储存一半的试管作参考之用。干燥后，仔细称量至O,01g，另一半试管，包括任何粘附或收集的松散污垢产品。将称重后的试管拍照(图1)，并打印出至少1/3真实尺寸的试管。研究照片并记录;如有必要，应提供污垢的详细情况。用钝塑料刀刮掉试管中的沉淀物。测定刮落沉淀物在600℃和900℃下的质量损失(灼烧损失)，并用X射线荧光(XRF)或等效方法对残留的灰渣进行半定量分析。在测试数据表上记录结果(灼烧时的质量损失和MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、S03、Cl、K2O、CaO、Cr203、MnO、Fe2O3、NiO、CuO、ZnO、MoO3的含量)。一个数据表的例子在附件A中给出。然后用适当的溶液进行体外处理，彻底清洗称重后的试管。相关程序见ISO8407。用水冲洗管道，用酒精冲洗，用丙酮和压缩空气干燥，重新称重至0.01g，并将清洗前后的质量损失记录为每个管道的污垢质量。再拍一张称重后的管子的照片(图2)，并再次打印出至少1/3真实尺寸的管子。确定每个管的壁温(T-T)在总测试周期内的上升。确定每个管在温度传感器上的平均温升和最高温升，并将这些记录在测试数据表上。GB/Txxxxx-20xx8注：为了使这些数据可靠，流速、功率和容积水(来自污水池)温度必须保持恒定；然后可分别计算各壁面热电偶的热污垢电阻R.....................................................................(4)式中A为受热面面积，用平方米(m2)表示;q是所施加的能量，用瓦特(W)表示;Tf为试验结束时的最终壁温，用摄氏度(℃)表示;Ti为试验开始时的初始壁温，用摄氏度(℃)表示为了得到每个加热器的平均污垢电阻，可以取计算出的Rp值的平均值。通过计算每个加热表面的平均沉积质量(kg/m2)来定量评估污垢。当计算受热表面积时，使用管的受热段长度。8.4腐蚀结果评估8.4.1腐蚀现象和腐蚀类型在适当的情况下，通过目测评估，描述类型(如均匀、点蚀或斑驳腐蚀)、分布和称重管上局部腐蚀的最大深度。8.4.2点蚀参数用3D显微镜或根据ISO11463评估试片的点蚀。记录点蚀的数量、面积、深度和分布。如果采用了点蚀在线测量装置，应报告测量的数据和结果8.4.3腐蚀速率根据测试前和清洗后的质量计算试管的平均质量损失；在计算时，考虑受热表面截面超过管长。必须认识到，这些情况下的腐蚀速率不是在传热条件下确定的(参见NACERP09测试报告测试报告至少应包含以下信息a)参照本标准；b)所有测试产品信息；c)测试用水的种类，即模拟现场循环水或合成水d)管样的金属类型；e)管样的加热方法和温度测量方法；管样的排列方式，是串联还是并联；管样总长度和总受热长度；冷却水回路；f)换热器和管样的类型和数量包括热流密度和局部热流密度；g)补给、蒸发和放空的水流量，包括最小值、平均值和最大值；h)冷却塔及填料的设计；i)试验过程中控制冷却水水质参数；应特别注意试验运行过程中冷却水水质的偏差；GB9j)被测试产品的供应商详细说明；k)包括化学处理添加剂的总剂量/数量(以克(g)表示)、使用情况和化学处理添加剂的数量(以毫克/升(mg/)表示)、每次放水量；l)用于抑制或激活生物膜形成的化学品、设备和测试方法，包括生物杀灭剂需求、剂量和频率、细菌计数和/或ATP测量；m)对腐蚀和污垢的准确描述：例如：一般腐蚀、点蚀、斑片状腐蚀组成的沉积物和生物量。n)测试的开始和结束日期GB/Txxxxx-20xx试验过程冷却水处理试验记录数据表。管样序号123456材质总长（cm）循环流量（L/h）水流速（m/s）加热功率（kW/m2）进出口水温(℃)系统体积（L）补充水量（L/h）排水水量（L/h）浓缩倍率钝化方式预膜剂：预膜体积：药品1品名和加药量（mg/L）药品2品名和加药量（mg/L）pH值M-碱度（mmol/L）P-碱度（mmol/L）补充水冷却水测量值高低平均值Ca2+Mg2+pH值M-碱度（mmol/L）Cl-PO43-Fe电导率浊度GB管样序号123456失重a）总重量（g）b）测试后重量（g）b）清洗后重量（g）腐蚀腐蚀速率（mm/a）点蚀密度（ISO11463：1995）点蚀大小分级（ISO11463：1995）点蚀深度分级（ISO11463：1995）管样序号123456沉积重量（g）表A.5[b)-c)]单位受热面沉积量（g/m2）表A.5[b)-c)]/受热面面积平均温升(△℃)最高温升(△℃)初始斜率终止斜率污垢指数化合物成分重量百分比含量(%)半定量分析化合物成分重量百分比含量(%)半定量分析MgOCr2O3Al2O3MnOSiO2Fe2O3P2O5NiOSo3CuOClZnOK2OMoO3CaO600℃失重900℃失重晶体化合物检测GB/Txxxxx-20xxB.1母液序号5L水中组分含量辅助溶液1147gCaCl·2H2O29gNaCl33gMgCl2·2H2O50mL辅助溶液AA：1L水中100mgZnCl2500mgNaBr1400mgNH4Cl284gNaHCO310.5gNa2CO3343gNa2SO43gKNO350mL辅助溶液BB：1L水中4.0gAl2(SO4)3·18H2O45gNa2SiO3·9H2O50mL辅助溶液CC：1L水中8.2gK2HPO45o.5gkaolin63.0gC2H5OH(ehtanol)母液和从母液中配制的溶液,在配制时应保持清澈透明，在试验前不得有沉淀。B.2蒸汽加热模拟试验装置以下是用于这种测试方法的仪器的典型设计。B.2.1冷却塔设置冷却塔系统由一个60升的塑料外壳的污水池组成。塔上装有风扇。冷却塔的职责应该与加热器组件的职责相当。为了防止漂移损失，塔内还安装了一个漂移消除器。应通过向冷却塔提供飞溅式填料，最大限度地防止盐在冷却塔内的沉积;不建议使用成膜填料。注：飞溅型填