凝汽器的阴极保护
凝汽器简介：
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凝汽器是将汽轮机排汽冷凝成水的一种换热器，又称冷凝器。按蒸汽凝结方式的不同凝汽器可分为表面式（也称间壁式）和混合式（也称接触式）两类。在表面式凝汽器中，与冷却介质隔开的蒸汽在冷却壁面上（通常为金属管子）被冷凝成液体。冷却介质可以是水或空气。本文主要讨论表面式（间壁式）的阴极保护。
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凝汽器的腐蚀
凝汽器管材主要有以下几种：（1）铜合金，凝汽器主凝结区用的多是黄铜，空冷区和顶部几层用白铜；（2）不锈钢，在淡水、微咸水、咸水中使用的奥氏体不锈钢主要是Fe、Cr、Ni的合金，比如美国AISI300系列不锈钢；（3）工业纯钛，高纯度钛强度低，塑性好，耐腐蚀。工业纯钛含有少量铁、硅、氮、氢、氧等杂质，增大了强度，降低了塑性，凝汽器管多选用ASTM SB 338 Gr.2标准的焊接钛管。
在实际运用中，在凝汽器中除了常见化学腐蚀、各种不同金属的混用，不同金属之间的直接接触，很容易导致严重的电偶腐蚀。另外，由于运行环境条件所限，冷却水的水质好坏直接影响其对凝汽器部件的腐蚀程度。比如附件如果有污水排放，或者含盐量较高，对该凝汽器的冷却水管的腐蚀是非常大的。最后由于腐蚀造成设备提早报废、停产、重新购买材料、安装，期中的耗费时间、费用、人力等损失是非常惊人的。
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凝汽器阴极保护
目前，传统的涂层对凝汽器的保护并不是具有很理想的效果，因为在实际运用中，涂层很难做到100%，而且实际安装过程也很容易破坏涂层。另外，随着时间推移，涂层老化、开裂等直接导致凝汽器防腐蚀的失效。在普通涂层中，分子之间也存在不小的孔隙，冷却水中的离子很容易穿过涂层渗透进入管材，也很难保证凝汽器防腐蚀的有效性。
阴极保护解决了涂层很难做到的防腐蚀难题，因为其有效、经济、省事等优点，在国内外的冷凝器的阴极保护工程中，也取得良好的应用实践。
阴极保护原理是基于金属结构提供阴极电流的方法，使金属电位降低（阴极极化），使得金属不容易失去电子变为氧化物状态。根据阴极保护的方法不同，分为外加电流和牺牲阳极两张阴极保护方法。两种方法都有其优缺点，在淡水中，由于水的电阻率较高，牺牲阳极的驱动电压较小，输出的电流有限，而且输出电流不能调节，随着牺牲阳极表面的反应产物生成、阳极缩小等都会造成防腐蚀的失效，另外牺牲阳极寿命一般为3-5年，超期使用也会导致阴极保护的失效，还有就是某些管件更换牺牲阳极也是很复杂的工作。外加电流的阴极保护方法，有不少优点，电位可以自动或者手动调节，非常方便操作，尤其是接触的水质发生改变的时候，外加电流有着不可比拟的优势，可以更改输出电压来使得受保护的管件在合理正常的阴极保护中。外加电流的使用寿命一般取决于阳极的寿命，使用新型的MMO阳极，使用寿命可以长达15-20年。
当然阴极保护也有其局限之处，就是其保护环境必须是液体的环境，干燥的环境只能使用涂层作为防腐蚀保护。
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凝汽器阴极保护技术的应用案例
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某电厂7号机组凝汽器概况
某电厂7号机组容量为100MW凝汽器式火力发电机组，凝汽器为对分双流表面式，所用的铜管牌号为HSn-70-1A，铜管数量为10336根，冷却表面为6815m2,1992年全部更换为铜管后使用2年即开始发生点蚀穿孔泄露，1997年就因铜管泄露停机9次。同时7号机组凝汽器的管板曾于1997年刷涂涂料，然而仅一年后，管板表面就出现了明显的局部腐蚀，7号机组的铜管泄露与管板的腐蚀使得机组难以连续满载发电，成为完成发电计划的重大障碍。为防止腐蚀继续发展和扩展，在7号凝汽器上采用外加电流式阴极保护技术与耐腐蚀涂料的联合防腐蚀保护措施。
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该电厂7号机组凝汽器阴极保护防腐蚀系统
凝汽器外加电流的阴极保护系统主要由自动控制的恒电位仪、辅助阳极及参比电极等组成。
辅助阳极选用新型金属铂铌阳极，这种阳极属于不溶性阳极，可保证长期使用，具有排流量大、电流发射均匀、覆盖面积大、消耗量低、可靠性高、重量轻、安装方便、机械性能和稳定性能好等特点。
参比电极采用了在淡水中电极电位稳定、电位波动小的高纯锌材料。电极设计为有特殊的密封结构的直棒型。
根据凝汽器的结构、冷却水质和水室中水动力工况等因素，7号机组凝汽器阴极保护设计为多点分散控制式。
为了保障和增强管板及铜管管束末端部位及胀口处的保护，同时减少阴极保护装置的功率，在7号机凝汽器中设计了室内涂装耐腐蚀冲刷涂层。实际上7号机组凝汽器的防腐蚀工程是阴极保护与涂层装保护的联合防腐蚀方法。
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该电厂7号凝汽器阴极保护防腐蚀效果
7号凝汽器阴极保护防腐蚀系统于1998年11月15日投入运行
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管板与铜管顶端的腐蚀被抑制
在该系统投入运行的停机检查中看到原先的管板上，尤其是铜官区存在的较严重的局部腐蚀发展被抑制，原先的蚀坑中及管板上已无明显的黄褐色腐蚀产物的堆积。管板端内壁无点蚀等腐蚀的发展，表面无碱式碳酸铜等产物痕迹。
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降低了铜合金平均腐蚀速率
铜管安装的监测测试片的表面状况和重量的检查也可以说服力的说明阴极保护系统投运后防止凝汽器腐蚀的效果。
在凝汽器中330天未收到保护的黄铜试片的表面状况可以看到，试片表面的黄褐色的碱式碳酸铜及白色的氢氧化锌等腐蚀产物附着，表面在未收到外加电流阴极保护时，铜合金材料在机组冷却水中存在明显腐蚀。由试片的失重量可测出平均腐蚀速率达到0.022mm/a。
在凝汽器中330天受外加电流的阴极保护铜片的表面状况。从照片可以看出，黄铜片表面光洁，基本无腐蚀产物的沉积。表面有一层牢固的红黑色氧化亚铜和氧化铜层。由试片失重量测得，在受到阴极保护作用下，黄铜材料的平均腐蚀速率降到了0.0015mm/a。
7号机组凝汽器在阴极保护工况下对黄铜平均腐蚀速率的减少达到93%以上。
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印制碳钢局部腐蚀倾向，降低碳钢的平均腐蚀速率
在凝汽器中330天未受外加电流阴极保护的碳钢试片的表面状况可以清楚地看出，碳钢试片表面腐蚀严重，呈明显的局部腐蚀—溃疡性腐蚀坑形态。降表面附着的腐蚀产物去掉后，可见较深的腐蚀坑，并已经大于1mm。此外，还可见试片边缘已经腐蚀缺损。由试片失重量可算出在该工况下，碳钢的平均腐蚀速率为0.57mm/a。
试片表面无溃疡状局部腐蚀，附着一层疏松的黄褐色沉淀物。除去表面附着物后，试片表面平整无坑。此外，试片边缘无缺损。从测定是的受阴极保护工况下，碳钢的平均腐蚀速率减小到0.0144mm/a。
7号机组凝汽器阴极保护状态工况下，对碳钢平均腐蚀速率减少达到74.8%。
碳钢在淡水冷却水中平均腐蚀速率不大，但常见的局部性孔蚀溃疡状的腐蚀，这对金属结构最危险的腐蚀形态。在凝汽器中因碳钢管板与铜管直接胀接形成的电偶作用将加剧碳钢管板的局部腐蚀发展。由试片所得的平均腐蚀速率不能直接反映这种局部孔蚀或溃疡状腐蚀程度和危害。而在实际工程中，如果金属仅以不大可以接受的腐蚀速率均匀腐蚀，采用的保护措施可以减轻或者防止金属发生这种危险的局部腐蚀形态，则表明这种防腐蚀措施是有效的。从对7号机组凝汽器管板的腐蚀检查和试片表面状况的评价说明阴极保护对防止管板腐蚀已取得明显的效果。因此，7号凝汽器采用阴极保护防腐蚀是很有效的，阴极保护系统的控制也是适宜的。
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电厂7号机组凝汽器实施阴极保护的经济效益分析
阴极保护不是一种表面处理的方法，它是一种从根本上稳定金属，降低金属在冷却水中腐蚀倾向的技术，它将带来长期的效果，并且是一种十分有效、省事和经济的方法。
在7号机组凝汽器实施的阴极保护防腐蚀措施不长的时间里，就已经抑制了管板胀口附近及铜管端部的点蚀、脱锌和电偶腐蚀，这将推迟铜管发生泄漏，延长机组因凝汽器铜管堵漏而损失的发电量和增加的劳务量，同时也因凝汽器减少或不泄露冷却水而改善而提高了水的品质，保证了给水品质，使锅炉结垢绿降低，提高了蒸汽品质，从而改善了机组运行的安全经济性和可靠性，延长了大修周期，减少了临修次数。
目前，一台100MW机组凝汽器的铜管价值及换铜管费用已经在240万左右。若铜管延长寿命一年，相当于获得了年经济效益12万左右。若减少凝汽器铜管泄露检测和堵漏次数，带来的经济效益是明显的。如果考虑到100MW机组一天的发电量近300万kWh，停电一天会给电厂带来的直接经济损失近40万左右，间接损失则更大。如因腐蚀而是铜管损坏至无法修补，则损失是难以估计的。此外，提高机组运行安全可靠性和减少机组维修等也会带来明显的经济效益。
7号机组凝汽器阴极保护防腐蚀系统一次性投资及维护费用，一年不到1.8万，与其它的防腐蚀措施费用相比是相对较少、节省的。
因此凝汽器中采用阴极保护系统防腐蚀可以获得很高的投入产出回报，并且生产管理简单，维护工作量极小，因而这项技术有较大的经济社会效益，极具推广应用价值。