电厂海水循环水系统及取水设备阴极保护

前言

阴极保护技术包括牺牲阳极和外加电流两种方法，两种方法各有优缺点，对于电厂海水循环水系统，具体选择哪一种方法，往往要根据所需保护电流的大小，可否获得方便的输入电源，是否会引发危险性以及设备结构空间大小等因素决定。一般对小口径管道，海水流速及介质组成变化较大，需提供较大保护电流情况，较适宜采用外加电流阴极保护。近年来，电厂机务部分海水循环水系统越来越多地釆用外加电流阴极保护。

海水管道系统外加电流阴极保护应用

滨海某电厂，300MW发电机组，循环水为天然海水，其主厂房内循环及开式循环水钢质管道系统全部采用外加电流阴极保护，保护系统由辅助阳极、参比电极、恒电位仪、阳极屏及连接电缆等附件组成。该阴极保护系统选用了伯馄和混合金属氧化物（MMO）两类辅助阳极，以Ag/AgCl和高纯锌复合参比电极作为系统控制和检测电极。

2.1 主厂房内循环及开式循环水管道系统组成

主厂房内循环水系统包括φ820×16钢管32m,材质为Q235A；4个90°φ1820弯头；DN180。蝶阀及伸缩器4个；DN180。二次滤网2个，材质为316L；DN1800收球网2个，壳体为碳钢衬胶，其它材质主要是317LN不锈钢；DN1800波纹补偿器4个，主要材质为不锈铜；凝汽器水室衬胶，冷凝管为钛管，管板为钛铜复合板。

开式水系统包括甲820×7钢管66米，材质为Q235A；电动滤水器2台，整体材质为316L不锈钢；φ630X7钢管7米，材质为Q235A；φ529X7钢管6米，材质为10CrMoA1；闭式循环热交换器2个，材质为钛,φ377X6钢管75米，材质为10CrMoA1；电动蝶阀9个;90°DN800热压弯头6个，DN600热压弯头4个，DN500热压弯头2个；DN800X500大小头2个，DN600x500大小头8个，φDN500x350大小头4个；φ325X6钢管45米；φ219X6钢管48米。各种阀门8个；电动滤水器1台；冷油器2台；另有弯头、大小头等。2.2外加电流阴极保护系统设计

由以上可看出，整个海水管道系统由各种口径的管道，包括弯头、大小头等，同时管道又与多个设备相连，系统中所用到的材质有Q235A、镣铭合金、10CrMoAl、316L及317LN不锈钢、钛等，根据以下原则进行了外加电流阴极保护系统的设计：

（1）考虑全局，重点保护，如在考虑管道达到保护的前提下，重点考虑管道与设备相连部分，因为设备与管道材质的差异，易引发严重的电偶腐蚀问题；

（2）应充分考虑海水流速、水温等对腐蚀速率的影响；

（3）应保证钛材不因过保护而吸氢，在电位＜一0.75V(SCE)时，钛材可能吸氢，引起氢脆腐蚀；

（4）辅助阳极数量及设置应充分考虑到系统的整体性，并尽可能避免电流屏蔽，同时要求可检测所有辅助阳极的工作状态，以便于检修；

（5）参比电极设置在有代表性的位置，以保证外加电流保护系统运行的可靠性。

根据以上原则以及所保护对象的具体情况，决定将整个管道系统分为三个部分，釆用三套各自独立的外加电流阴极保护系统。这三个部分为凝汽器部分，闭式循环热交换器部分及冷油器部分：

2.2 各部分的设计结果如下

（1）凝汽器部分

设计安装40支HFF-4型铂铌辅助阳极，4支HFCF-1-1型参比电极，分别布置在进水管路的蝶阀后和管道与凝汽器连接部分，回水管路的蝶阀前和管道与凝汽器连接部分。为了保证阴极汇流线和测量线的连接，设置了5个汇流基座。

（2）闭式循环热交换器部分

设计选用了36支HFLF-1型MMO辅助阳极，能够保证系统中的每一部分均能得到保护。为控制和检测，设计安装4支HFCF—1—2型复合参比电极，分别布置在闭式循环热交换器进、出口管道上各一支，滤水器进水口管道一支及丁820直管段上一支。系统中设置了5个汇流基座。

（3）冷却油器部分

设计安装51支HFLF-2型MMO辅助阳极，均匀布置保证系统保护各部分的平衡。选用5支HFCF-1-2型复合参比电极对系统进行控制及对保护效果进行检测，设置9个汇流基座。

以上三个系统的电源及控制检测仪器均为SF200型恒电位仪(24V/40A)。

2.3 保护效果检测

在整个循环水系统通水后，检査系统连线，确认无误后，按所确定的电流分别对三个系统进行初始极化，表1〜3列出了系统运行8天后的检测结果。

从以上结果可以看出，系统运行基本达到了预期的效果，可为今后类似的设计提供参考。同时，从所测结果可以看出如下问题：

（1）从前面的测试数据可以看出，Ag/AgCI和高纯锌参比电极的差值基本在1000mV左右,大部分在1030mV左右，考虑到实际使用的环境条件，可以说复合参比电极的性能是相当稳定的。另外，系统中多个参比电极共用测量线，这种连接方式与每个参比电极就近配单独的测量线，所测电位结果稍有差异，但对于工程应用来讲，这种连接方式已能满足需要，且可避免线路太多带来的不便。

（2）三系统测试结果均可看出，直管段或者说单纯管道部分的外加电流保护相对容易，所测结果也可以达到常规的要求，但当管道与其它设备相连时，而设备材质与管道不同时，保护效果并不是很理想。这是因为当碳钢与不锈钢或钛材相连时，其所需保护电流要比单纯碳钢大得多。如A2、3号参比所测结果均较正，这两个参比所处位置正是管道与钛管凝汽器二次滤网(材质316L)等设备的相连部位。

（3）根据系统中的不同情况，设置多个参比电极是非常必要的，它可以为我们提供各种情况下的保护电位值，以便对系统进行调整，以得到理想的保护效果。如果只设几个参比电极，则我们无法知道系统的真实保护情况。

外加电流阴极保护设计应注意的问题

外加电流阴极保护系统由控制电源、辅助阳极、参比电极、阳极屏及相应的电缆等组成。对于电厂海水循环水系统，由于各种管道及设备较多，且管道与设备材质一般不同，这都给外加电流阴极保护设计带来了一定的困难。

辅助阳极是外加电流阴极保护的重要部件，目前在海水循环水系统中常用的有伯镉阳极和混合金属氧化物阳极，具体选用何种辅助阳极，可根据情况加以考虑。参比电极是用于系统检测和控制的，它可以告诉我们系统保护的情况，并可以提供数据给恒电位仪，以实现系统的自动控制。

外加电流阴极保护系统有两种基本的控制方式，即恒电位控制和恒电流控制，对于结构简单的单纯管道，我们可以进行恒电位控制，因为在这样的情况下，外加电流保护系统的保护电位均衡性易于实现，辅助阳极及参比电极定位相对容易，但对一个复杂的体系，定位就相当困难了，由前面的应用实例可以看出，无论是釆用哪种参比电极，不同位置的检测电位值都相差很大，到底哪个参比电极可以作为系统恒电位的控制电极呢？这种情况下，我们认为可以根据各部分的极化情况，以极化不足位置的参比电极作为恒电位控制电极，同时根据其它参比电极的数值，对控制电位进行调整，以保证系统保护的整体性，实现这种控制的一个重要前提是保证系统中各部分的辅助阳极布置合理，否则将出现顾此失彼的现象。另外在实际的工程应用中，经常有各种原因导致参比电极失效的现象，因此在复杂的管路系统中，外加电流阴极保护建议釆用恒电流控制。

对于海水循环水系统的外加电流阴极保护，由于系统中要布置的阳极数量一般较多，考虑到施工的方便，建议阳极连线釆用每根阳极都为独立的电缆的方法，在适当位置设置分线箱，分线箱内可以多个阳极再与主电缆连接，这样可以通过分线箱很方便地对每支阳极的工作情况进行检测。

在外加电流阴极保护设计时，对于管道与设备的连接部位应重点考虑，特别是管道与二次滤网、收球网、凝汽器相连的部位，从实际情况来看，这些部位也是腐蚀较严重的部位，应该重点保护。在阴极保护设计时，对于该部分，釆用独立的恒电位仪进行控制，使之成为一个单独的系统，同时在特征的连接部位设置参比电极进行检测，以避免过保护可能弓I起的危害。夕卜加电流阴极保护一般与防腐涂层联合使用，对于较小的管道无法涂刷防腐涂层,设计时根据海水流速及裸钢，选取合适的保护电流密度；同时，由于在小管道中辅助阳极的电流传输距离较短，在小管道保护设计时，应根据管道大小并考虑到管道走向等，合理计算辅助阳极的数量，并在管道系统中合理布置。

我们知道，管道中海水的流速不同，其对金属材料的腐蚀速率也不同。对一般碳钢来说，流速高，腐蚀较重，而流速小，则腐蚀较轻.这是因为碳钢在海水中的腐蚀速度受溶解氧的扩散速度控制，流速越大,扩散层厚度越小，氧的极限扩散电流密度就越大，相应地腐蚀速度也越大.在实际中常选10crMoAI钢作为小管道材料，这种材料的腐蚀速度随流速开始是缓慢增加，然后增长越来越快.而对于1Cr18Ni9Ti和TC4,在高流速情况下，氧的供应快速而充分，有利于表面膜的成长与修复，使材料处于钝化状态，故流速变化对腐蚀速度影响不大，且这种情况下还不易发生点蚀。在阴极保护情况下，海水流速不同，所需保护电流密度也不同，这是由于流速影响了金属材料的电极电位，要维持极小保护电位所需外加电流值将随流速增大而增加。通常海水流速增加，金属材料的腐蚀电位向正方向移动，而在异金属接触腐蚀情况下，海水流速增加，可使偶对中阳极材料的腐蚀加剧。所有这些，我们在进行海水管道系统外加电流阴极保护设计时都必须加以考虑。

外加电流阴极保护施工应注意的问题

保护材料及设备，这些是阴极保护成功的前提，但之后的实现则通过施工来完成。外加电流阴极保护施工应注意以下问题：

（1）施工前对所有电极进行检査，主要是外观检查，表面不得沾有油污等其它杂物，电极体表面是否破损等；另外对连接及绝缘电阻进行检査，以保证连接或绝缘良好。

（2）施工时严格按照设计图进行施工，辅助阳极及参比电极均要求连接良好，且对相应的电缆均要做好标记，以备将来检修使用。

（3）在有条件的情况下，所有阳极周围均应做阳极屏，以使电流分布尽可能均匀。在管道内壁有涂层保护的情况下，可以防腐涂层为阳极屏，对于无涂层保护的情况，阳极周围应做阳极屏，阳极屏材料可选用重防腐涂料、环氧树脂等材料.

（4）阴极保护安装完成后，系统在通电之前应仔细检查，检查连线是否正确，看是否有短路现象，以确保一次性调试成功。

（5）阴极保护系统运行后，应根据各参比电极的反馈数值，对系统进行调整，以使整个系统达到理想保护状态。

阴极保护施工中应注意的问题还有不少，在此不一一罗列。总之，只有严格按照设计，科学施工，才能保证外加电流阴极保护系统有效地进行工作。

结论

根据外加电流阴极保护技术在某电厂海水循环水系统中的应用情况，可以看出，该技术对于海水循环水系统的腐蚀防护是相当有效的，是一项值得推广的、经济有效的防腐蚀技术，同时我们也应认识到只有在全面了解情况的前提下，对系统进行科学合理的设计及施工，才能达到预期的保护效果。