石灰混凝澄清处理产出水输送管道的腐蚀失效原因_刘德来.pdf
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1、D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 1 9石灰混凝澄清处理产出水输送管道的腐蚀失效原因刘德来1,张建军1,郝洪铎2,方媛媛1,张洪博2,肖海刚2(1.山西焦煤西山煤电集团有限责任公司,古交 0 3 0 2 0 0;2.西安热工研究院有限公司,西安 7 1 0 0 0 0)摘 要:山西某电厂用于输送石灰混凝澄清处理产出水的Q 2 3 5 B碳钢管道在投运后不久就发生了腐蚀泄漏。通过失效管道的理化检验和现场挂片试验,结合L a g e l i e r经验指数对管道的腐蚀失效原因进行了分析。结果表明:在低碱度、高硬度的水质条件下,碳钢在水中的腐蚀反
2、应导致微阴极区p H升高,诱导C a C O3快速成核沉积在碳钢表面,但并没有形成均匀的保护膜,反而由于碳钢表面沉积物的不均匀性形成了氧浓差电池,这是造成碳钢管道腐蚀失效的主要原因。关键词:石灰混凝澄清处理;碳钢腐蚀;钙碱度;硬度;经验指数中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 1 1 4-0 6C o r r o s i o n F a i l u r e C a u s e s o f T r a n s p o r t a t i o n P i p e l i n e f o r P r o d u c e
3、d W a t e r o f L i m e C o a g u l a t i o n a n d C l a r i f i c a t i o n T r e a t m e n tL I U D e l a i1,Z HANG J i a n j u n1,HAO H o n g d u o2,F ANG Y u a n y u a n1,Z HANG H o n g b o2,X I AO H a i g a n g2(1.S h a n x i C o k i n g C o a l X i s h a n C o a l E l e c t r i c i t y G r o
4、u p C o.,L t d.,G u j i a o 0 3 0 2 0 0,C h i n a;2.X i a n T h e r m a l P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,X i a n 7 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A Q 2 3 5 B c a r b o n s t e e l p i p e l i n e f o r c o n v e y i n g p r o d u c e d w a t e r o f l i m e c o a g u l
5、a t i o n a n d c l a r i f i c a t i o n t r e a t m e n t i n a p o w e r p l a n t i n S h a n x i P r o v i n c e c o r r o d e d a n d l e a k e d i n a s h o r t p e r i o d o f t i m e a f t e r o p e r a t i o n.I n t h i s p a p e r t h e c o r r o s i o n f a i l u r e c a u s e s o f t h
6、e p i p e l i n e w e r e a n a l y z e d t h r o u g h p h y s i c a l a n d c h e m i c a l i n s p e c t i o n o f t h e f a i l e d p i p e l i n e a n d f i e l d c o u p o n t e s t s,c o m b i n e d w i t h L a g e l i e r e m p i r i c a l i n d e x.T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h
7、a t t h e c o r r o s i o n r e a c t i o n o f c a r b o n s t e e l i n w a t e r l e d t o t h e i n c r e a s e o f p H i n m i c r o c a t h o d e a r e a,i n d u c i n g t h e r a p i d n u c l e a t i o n a n d d e p o s i t i o n o f C a C O3 o n t h e s u r f a c e o f c a r b o n s t e e l
8、 u n d e r t h e w a t e r c o n d i t i o n o f l o w a l k a l i n i t y a n d h i g h h a r d n e s s.H o w e v e r,u n i f o r m p r o t e c t i v e f i l m d i d n o t f o r m u n d e r s u c h c o n d i t i o n s.I n s t e a d,o x y g e n c o n c e n t r a t i o n d i f f e r e n c e c e l l s
9、 f o r m e d d u e t o t h e h e t e r o g e n e i t y o f s e d i m e n t s o n c a r b o n s t e e l s u r f a c e,w h i c h w a s t h e m a i n c a u s e o f t h e c o r r o s i o n f a i l u r e o f t h e c a r b o n s t e e l p i p e l i n e.K e y w o r d s:l i m e c o a g u l a t i o n a n d c
10、 l a r i f i c a t i o n t r e a t m e n t;c o r r o s i o n o f c a r b o n s t e e l;c a l c i u m a l k a l i n i t y;h a r d n e s s;e m p i r i c a l i n d e x 煤电联营企业在开采煤炭的过程中破坏了矿床的原始状态,地下水、大气降水、地表水、岩溶水以及生活用水等沿着原有裂隙和新产生的裂隙渗入采掘空间形成大量矿井疏干水。火力发电厂用水量大,如以矿井疏干水为部分水源,不仅能降低成本,而且能减少排污量、保护环境1-2。山西某坑口火电厂以
11、其临近四个煤矿的混合疏干水(以下简称为“原水”)为水源。原水硬度、碱度较高,具有较强的结垢倾收稿日期:2 0 2 1-0 1-1 4通信作者:郝洪铎(1 9 9 4-),助理工程师,硕士,从事电厂设备腐蚀与防护的相关工作研究,1 5 8 2 7 2 1 2 6 5 4,h a o h o n g d u o t p r i.c o m.c n向,因此采用石灰混凝澄清处理工艺对原水进行预处理以降低其结垢倾向。该预处理系统在运行约2 a后,用于输送预处理系统产出水(以下简称“清水”)的碳钢管道出现明显腐蚀减薄,局部穿孔并发生泄漏,这对电厂的安全稳定运行产生了威胁。探究现场碳钢管道的腐蚀失效原因对于
12、石灰混凝澄清处理系统的合理调控以及管道的腐蚀防护工作具有重要的指导意义。米子龙等3认为低p H、低碱度、低硬度的水极易造成腐蚀产物的溶解,对金属管道具有较强的腐蚀性;杨培燕等4研究表明,在高碱度、低硬度的水质条件下,碳钢表面难以形成完整的沉淀保护膜,因此该水质条件下的水有较强的腐蚀性。经过石灰混411第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3凝澄清处理的矿井疏干水属于低碱度、高硬度的水质,在该水质条件下,碳钢的腐蚀机理还有待进一步研究。本工作通
13、过失效管道的理化检验和现场挂片试验,结合经验指数对腐蚀介质特性的分析结果,阐明了碳钢管道在现场输送介质条件下的腐蚀形式和机理,并根据试验结果对现场的石灰混凝预处理系统进行了优化调整,对腐蚀机理进行了验证。1 试验1.1 现场调研电厂的原水预处理系统工艺流程如图1所示。由图1可见:原水与药品、泥渣充分混合并进行絮凝反应后,在澄清池的上部沉降、分离;澄清水被引入推流式接触沟,同时加入硫酸以防止水中过饱和的C O2-3与C a2+结晶析出,再经变孔隙滤池过滤后得到清水,并由清水泵输送至辅机循环水系统以及锅炉补给水系统。图1 原水预处理系统工艺流程图F i g.1 P r o c e s s f l
14、o w d i a g r a m o f r a w w a t e r p r e t r e a t m e n t s y s t e m1.2 现场挂片试验为研究供水管道的腐蚀规律,研究人员在现场的原水池和清水池进行为期4 2 d的挂片试验。挂片为Q 2 3 5 B碳钢,与现场供水管道材料相同,具体化学成分(质量分数)为0.5 7%M n,0.2 3%S i,0.1 8%C,0.0 3%C u,0.0 2%S,0.0 2%P,余量为F e;原水池中的水为未经处理的矿井疏干水,清水池中的水为经过石灰混凝澄清处理的清水。1.3 形貌表征使用I N S P E C T-F 5 0型扫描电子
15、显微镜(S EM)对试样表面的腐蚀产物进行观察,并用配套的能谱仪进行微区元素分析;使用R i g a k u-D/m a x 2 0 0 0 P C衍射仪(X R D)对试样表面的腐蚀产物进行物相分析,并利用绝热法计算各物相占比,参数如下:靶材C u靶,电压5 0 k V,电流3 0 0 mA,测试角度(2)为5 5 6,步长0.0 2,扫描速率4()/m i n。2 结果与讨论2.1 腐蚀介质特性分析现场原水和清水各项水质指标如表1所示。由表1可 见,经 过 石 灰 混 凝 澄 清 处 理 后,原 水 中 的HC O-3浓度由4.6 6 mm o l/L下降至0.2 6 mm o l/L,C
16、 a2+浓度由7.3 5 mm o l/L下降至5.9 1 mm o l/L。在石灰混凝澄清处理过程中,向原水中投加了石灰C a(OH)2,水中的HC O-3与OH-反应生成C O2-3,并 与C a2+结 合 生 成C a C O3沉 淀,因 此HC O-3大幅下降;由于原水具有较高的非碳酸盐硬度,而石灰混凝澄清处理对此部分硬度去除效果较差,因此水中C a2+下降幅度较小。最终预处理系统的产出水具有低碱度、高硬度的特点。为探究管道的腐蚀原因,利用L a n g e l i e r经验饱和指数5-7对原水和清水进行腐蚀和结垢倾向分析。L a n g e l i e r指数一般用作水中碳酸盐结垢
17、的定性指标,指水体实际p H与水中C a C O3呈饱和状态时对应p H的差值;而水中C a C O3呈饱和状态时对应的p H=(9.3+总溶解固体系数+温度系数)-(钙硬系数+碱度系数)。各系数取值根据系数换算表得出8。当L a n g e l i e r指数0时,水中的C a C O3为过饱和状态,有C a C O3沉积的倾向;当L a n g e l i e r指数0时,水中的C a C O3为不饱和状态,仍可继续溶解;当L a n g e l i e r指数=0时,水质相对较为稳定9。经过计算可知,2 5 下原水的L a n g e l i e r指数为1.0 3,在结垢临界值以上,这
18、表明原水有一定结垢倾向;而清水的L a n g e l i e r指数为-0.1 2,已降低至结垢临界值以下,这是因为石灰混凝澄清处理去除 了原水中大部分HC O-3,所以清水的L a n g e l i e r表1 原水和清水的主要水质指标T a b.1 K e y p a r a m e t e r s o f r a w-w a t e r a n d c l e a n-w a t e r水样p H电导率/(Sc m-1)浊度/NTUc(HC O-3)/(mm o lL-1)c(C a2+)/(mm o lL-1)(C l-)/(m gL-1)(S O2-4)/(m gL-1)(C O
19、 DC r)/(m gL-1)(全硅)/(m gL-1)(活性硅)/(m gL-1)原水7.8 91 7 9 41.8 64.6 67.3 58 7.4 56 4 9.5 31 7.3 71 0.7 31 0.5 5清水7.3 61 7 0 91.0 50.2 65.9 18 6.5 77 5 0.8 01 6.4 41 0.4 01 0.2 7511刘德来,等:石灰混凝澄清处理产出水输送管道的腐蚀失效原因指数大幅下降,产生溶解C a C O3的倾向。2.2 失效管道分析从失效管道腐蚀穿孔处截取长度为1 0 c m的管段,观察其宏观形貌。由图2可见,管道内表面附着一层厚度不均且表面粗糙不平的棕
20、黄色沉积物(a区域),局部有瘤状物凸起(b区域),瘤状物内部颜色相比沉积物表面更深,沉积物脱落后可见铁灰色的金属基体(c区域)。图2 失效管道的宏观形貌F i g.2 M a c r o m o r p h o l o g y o f f a i l e d p i p e l i n e 对图2中a区域沉积物和b区域瘤状物进行X R D分析,结果分别如图3和图4所示;利用绝热法,对峰面积进行积分得到各物相占比,见表2。结果表明:管道内表面棕黄色附着物和凸起瘤状物主要成 分 均 为 铁 的 腐 蚀 产 物-F e OOH、F e2O3、F e3O4,同时含有C a C O3。其中,b区域瘤状物
21、处的C a C O3含量远低于a区域的棕黄色沉积物处C a-C O3含量,表明失效管道内表面局部有C a C O3沉积的现象。图3 a区域沉积物的X R D谱F i g.3 X R D p a t t e r n o f s e d i m e n t i n a r e a a 将截取的管段切割后取a、c区域的样品进行酸洗,去除表面附着物后管段内表面的宏观形貌如图5所示。由图5可见,失效管道内表面沉积物下有不同程度的腐蚀坑(图中红色方框位置),而管道外表面涂覆的油漆较为完好,将油漆清理干净并酸洗后未见明显腐蚀痕迹,这表明失效管道的穿孔是图4 b区域瘤状物的X R D谱F i g.4 X R
22、D p a t t e r n o f n e o p l a s m i n a r e a b表2 失效管道不同区域各物相占比T a b.2 P r o p o r t i o n o f e a c h p h a s e i n d i f f e r e n t a r e a s o f f a i l e d p i p e l i n e%区域w(-F e OOH)w(F e3O4)w(C a C O3)w(F e2O3)w(F e C O3)a2 04 23 44-b6 51 5767(a)区域a(b)区域c图5 失效管道酸洗后内表面宏观形貌F i g.5 M a c r o
23、 m o r p h o l o g y o f i n n e r s u r f a c e o f f a i l e d p i p e l i n e a f t e r a c i d p i c k i n g:(a)a r e a a;(b)a r e a b由内而外逐步形成的。将b区域的瘤状物清理干净后,管道基体的宏观形貌如图6所示。可见,瘤状物下方有明显的腐蚀坑,管道原壁厚4.5 mm,游标卡尺的测量结果显示腐蚀坑最深处达到2.2 mm。腐蚀坑坑底的微观形 貌如图7所示,可见坑底局部有明显沉积物。选611刘德来,等:石灰混凝澄清处理产出水输送管道的腐蚀失效原因图6 瘤状物下
24、金属基体腐蚀坑宏观形貌F i g.6 M a c r o m o r p h o l o g y o f c o r r o s i o n p i t i n m e t a l m a t r i x u n d e r n e o p l a s m图7 瘤状物下腐蚀坑坑底的微观形貌F i g.7 M i c r o m o r p h o l o g y o f c o r r o s i o n p i t b o t t o m u n d e r n e o p l a s m取腐蚀坑坑底有明显沉积物的两个微区、进行元素分析,结果如表3所示。由表3可见,微区的铁含量低于微区,但在
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