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淺談海水冷卻塔的防腐蝕研究現狀!

更新時間:2022-05-11 11:15:04點擊次數:165次字號:T|T
海水冷卻塔是電廠發電過程中應用到的關鍵結構,海水冷卻塔在服役過程中會受到腐蝕性介質、微生物、紫外線輻照等因素的破壞作用,因此其服役過程中的耐久性是一個極其重要的問題

      海水冷卻塔是電廠發電過程中應用到的關鍵結構,海水冷卻塔在服役過程中會受到腐蝕性介質、微生物、紫外線輻照等因素的破壞作用,因此其服役過程中的耐久性是一個極其重要的問題。為了提升海水冷卻塔的服役壽命,往往需要在其表面涂覆有機防腐涂層。有機防腐涂層在服役過程中長期受到侵蝕破壞而逐漸導致防護失效,因此需要定期對涂層進行維護和更換。為了掌握涂層的維護、更換時間,需要通過涂層的壽命預測技術來提供正確有效的指導。國內外研究人員對海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測進行了大量的研究,但是受限于目前的檢測技術以及實際環境的復雜性,研究上仍有待完善。


海水冷卻塔的腐蝕機理


鋼筋混凝土結構在服役過程中受到外在腐蝕性物質的影響,表現出腐蝕劣化的現象。鋼筋混凝土的腐蝕主要包括鋼筋的腐蝕和混凝土的劣化。
因為覆蓋鋼筋的混凝土中有大量的微孔結構,使得外界腐蝕性離子如氯離子 、硫酸根、碳酸根等容易擴散至鋼筋的表面,導致鋼筋發生腐蝕。鋼筋的腐蝕過程是首先產生點蝕,隨后便出現大面積的腐蝕。鐵轉化成鐵銹,使得其體積增大,導致混凝土因鋼筋膨脹而開裂、起鼓、剝落。腐蝕作用降低了鋼筋的力學性能,容易導致鋼筋突然斷裂或造成事故。
由于含鹽的海水會滲入混凝土微孔當中,與混凝土中的相關物質發生化學反應后,會產生結晶,導致混凝土內部產生應力,直至開裂。除了三種腐蝕性離子對鋼筋混凝土的侵蝕之外,還存在著微生物腐蝕和凍融循環作用等因素對鋼筋混凝土的破壞作用。
總體上來說,海水冷卻塔混凝土的腐蝕破壞是多因素復合作用的結果,其中氯離子 、硫酸根、碳酸根是主要原因。當幾種因素共同作用下,混凝土的腐蝕程度大于單一因素的腐蝕作用。

海水冷卻塔的防護


為了提高海水冷卻塔的服役壽命,需要解決混凝土的耐久性問題,一般的解決途徑有兩種 :
①優化混凝土的配方,提高混凝土的耐海水腐蝕能力 ;
②在混凝土表面涂覆防腐涂層,提高混凝土的阻隔性能。
在實際應用中,一般在采用高性能混凝土的基礎上,在其表面涂裝防護涂層來阻止腐蝕介質的侵蝕,預防和延緩混凝土的腐蝕破壞,提高混凝土的服役壽命。

海水冷卻塔防腐涂層的失效機制


雖然可以通過在冷卻塔表面涂覆有機涂層可以明顯提升冷卻塔的防護能力。但是,涂層結構中存在的微孔、縫隙和裂紋等微觀缺陷為外界腐蝕介質滲入提供了微觀通道。腐蝕介質通過涂層的缺陷進入海水冷卻塔中之后,會不斷對其造成侵蝕,最終導致涂層防護作用的失效。
分析認為,海水冷卻塔防腐涂層的失效過程為 :在開始階段,涂層的防護性較好,雖然涂層中的微觀缺陷為水、氧和其他腐蝕性離子的滲入提供了擴散通道,腐蝕介質通過吸附、擴散和溶滲作用進入涂層,但尚未到達混凝土內部 ;經 過一段時間的傳輸后,腐蝕介質到達混凝土內部,電化學腐蝕反應隨即開始發生。一方面,腐蝕介質促使鋼筋發生腐蝕 ;另一方面,酸性的腐蝕介質與堿性的混凝土發生反應,使得混凝土的理化性質發生變化,最終導致混凝土材料發生溶脹變形,涂層隨即發生變形、脫落。 
此外,涂層在服役過程中,太陽光輻射、海水的沖刷作用等都能進一步加劇涂層的失效。
下圖為浙江某沿海電廠的海水冷卻塔服役一定時間后,有機涂層在腐蝕介質腐蝕、海水沖刷、陽光照射等的共同作用下,涂層出現了不同的程度的破壞,肉眼可見泛黃、失光、剝落、開裂。

圖1 浙江某沿海電廠海水冷卻塔表面上
有機防護涂層服役一定時間后的照片

海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測


作為一種基本的防護材料,海水冷卻塔防腐涂層的使用壽命對被防護的混凝土結構的使用影響重大,直接影響了被保護構件的性能及壽命。在生產實踐中,經常需要對在役的防腐涂層進行檢測和維修,對其性能進行量化評估,為判斷涂層能否繼續使用提供依據。
國內很多學者對混凝土防腐涂層的使用壽命的預測進行了研究。常用的研究方法是結合現場暴露試驗和實驗室人工加速模擬實驗,通過兩者之間的相關性,對防腐涂層的服役壽命進行預測。
人工加速模擬實驗可以根據需要加快腐蝕進程從而縮短實驗周期,具有易實現、可重復性強、周期短等特點,因此成為最普遍采用的腐蝕實驗方法。
海洋混凝土腐蝕實驗關注的環境參數包括溫度、濕度、風力風向、侵蝕離子種類及含量和pH等,室內實驗可以根據研究目標所需要的環境參數,有目的剔除其他的干擾變量,并且在室內可采用的測試手段也更加多樣。
有學者在制作的試樣中預先加入一定量的氯化鈉,并通入電流來加速鋼筋的銹蝕,通過實驗的損傷形態研究涂層的防護性能。
有學者分別模擬大氣區鹽霧與碳化共同作用和潮差區凍融與干濕循環共同作用下混凝土的耐久性實驗,依據國外的相關規范和文獻并結合實驗儀器確定實驗參數變化范圍,制定實驗程序,建立了適用于海洋混凝土的壽命預測模型。
雖然實驗室模擬實驗已經比較成熟和完善,但是即使最先進的模擬設備也難以重現實際的自然環境。因此,建立海洋環境暴露試驗站是獲得與實際自然環境相一致的評價指標最可靠方法,其測試結果可用于修正模擬實驗中的偏差,目前世界上已經建立一些了針對不同氣候環境的暴露試驗站。世界上率先創建的海洋暴露試驗站的國家是美國,位于芬迪灣Treat Island海洋暴露試驗站。隨后,荷蘭、德國、法國和 中國等國家也都陸續在沿海地區建造了海洋暴露試驗站。根據海港地區的氣候特點,我國分別在青島、廈門、榆林和舟山等地建立海水腐蝕試驗站,形成全國海水腐蝕試驗站網。
室內模擬實驗擁有諸多優點,但是僅根據短時間室內實驗數據預測混凝土結構在真實海洋環境下的耐久性略微缺乏說服力 ;室外實驗暴露試驗的數據可靠性較高,但是時間周期較長。因此,考察模擬環境與真實環境中海洋混凝土腐蝕規律的相關性,并依據相關性對涂層的壽命進行預測,成為相關學者的研究重點。
目前對于海水冷卻塔防腐涂層的壽命預測的研究雖然較多。但是其研究方法總體上來說還是以實驗室模擬實驗結合室外暴露實驗的方式進行,通過實驗考察兩者之間的相關性,最終實現對涂層壽命的服役壽命進行預測。但是,對于每種涂層壽命預測的方法還只是側重在一兩個因素,而涂層在服役過程中往往會受到多種因素的相互作用,且其服役環境也會隨著天氣等因素的變化瞬息萬變。因此,目前該領域的研究還存在著很大的局限性,還有很多可以繼續深入研究的地方。 
海水冷卻塔的平穩運行直接影響著電廠的生產效率,因此保證海水冷卻塔的安全意義重大。因為影響海水冷卻塔的腐蝕過程的因素較多,所以目前還沒有一套行之有效的預測其防腐涂層服役壽命的科學方法。借鑒前期研究人員的相關研究成果,結合海水冷卻塔的實際服役環境,通過實驗室加速實驗和現場試驗相結合的方式,才能探索出一套適合預測海水冷卻塔的服役壽命的科學有效的方法。
(編輯:rrkj2017)
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