浅谈海水冷却塔的防腐蚀研究现状!

[2022-01-04]

      海水冷却塔是电厂发电过程中应用到的关键结构,海水冷却塔在服役过程中会受到腐蚀性介质、微生物、紫外线辐照等因素的破坏作用,因此其服役过程中的耐久性是一个极其重要的问题。为了提升海水冷却塔的服役寿命,往往需要在其表面涂覆有机防腐涂层。有机防腐涂层在服役过程中长期受到侵蚀破坏而逐渐导致防护失效,因此需要定期对涂层进行维护和更换。为了掌握涂层的维护、更换时间,需要通过涂层的寿命预测技术来提供正确有效的指导。国内外研究人员对海水冷却塔防腐涂层的寿命预测进行了大量的研究,但是受限于目前的检测技术以及实际环境的复杂性,研究上仍有待完善。

 

海水冷却塔的腐蚀机理

 
钢筋混凝土结构在服役过程中受到外在腐蚀性物质的影响,表现出腐蚀劣化的现象。钢筋混凝土的腐蚀主要包括钢筋的腐蚀和混凝土的劣化。
因为覆盖钢筋的混凝土中有大量的微孔结构,使得外界腐蚀性离子如氯离子 、硫酸根碳酸根等容易扩散至钢筋的表面,导致钢筋发生腐蚀。钢筋的腐蚀过程是首先产生点蚀,随后便出现大面积的腐蚀。铁转化成铁锈,使得其体积增大,导致混凝土因钢筋膨胀而开裂、起鼓、剥落。腐蚀作用降低了钢筋的力学性能,容易导致钢筋突然断裂或造成事故。
由于含盐的海水会渗入混凝土微孔当中,与混凝土中的相关物质发生化学反应后,会产生结晶,导致混凝土内部产生应力,直至开裂。除了三种腐蚀性离子对钢筋混凝土的侵蚀之外,还存在着微生物腐蚀和冻融循环作用等因素对钢筋混凝土的破坏作用。
总体上来说,海水冷却塔混凝土的腐蚀破坏是多因素复合作用的结果,其中氯离子 、硫酸根、碳酸根是主要原因。当几种因素共同作用下,混凝土的腐蚀程度大于单一因素的腐蚀作用。
 

海水冷却塔的防护

 
为了提高海水冷却塔的服役寿命,需要解决混凝土的耐久性问题,一般的解决途径有两种 :
①优化混凝土的配方,提高混凝土的耐海水腐蚀能力 ;
②在混凝土表面涂覆防腐涂层,提高混凝土的阻隔性能。
在实际应用中,一般在采用高性能混凝土的基础上,在其表面涂装防护涂层来阻止腐蚀介质的侵蚀,预防和延缓混凝土的腐蚀破坏,提高混凝土的服役寿命。
 

海水冷却塔防腐涂层的失效机制

 
虽然可以通过在冷却塔表面涂覆有机涂层可以明显提升冷却塔的防护能力。但是,涂层结构中存在的微孔、缝隙和裂纹等微观缺陷为外界腐蚀介质渗入提供了微观通道。腐蚀介质通过涂层的缺陷进入海水冷却塔中之后,会不断对其造成侵蚀,最终导致涂层防护作用的失效。
分析认为,海水冷却塔防腐涂层的失效过程为 :在开始阶段,涂层的防护性较好,虽然涂层中的微观缺陷为水、氧和其他腐蚀性离子的渗入提供了扩散通道,腐蚀介质通过吸附、扩散和溶渗作用进入涂层,但尚未到达混凝土内部 ;经 过一段时间的传输后,腐蚀介质到达混凝土内部,电化学腐蚀反应随即开始发生。一方面,腐蚀介质促使钢筋发生腐蚀 ;另一方面,酸性的腐蚀介质与碱性的混凝土发生反应,使得混凝土的理化性质发生变化,最终导致混凝土材料发生溶胀变形,涂层随即发生变形、脱落。 
此外,涂层在服役过程中,太阳光辐射、海水的冲刷作用等都能进一步加剧涂层的失效。
 

海水冷却塔防腐涂层的寿命预测

 
作为一种基本的防护材料,海水冷却塔防腐涂层的使用寿命对被防护的混凝土结构的使用影响重大,直接影响了被保护构件的性能及寿命。在生产实践中,经常需要对在役的防腐涂层进行检测和维修,对其性能进行量化评估,为判断涂层能否继续使用提供依据。
国内很多学者对混凝土防腐涂层的使用寿命的预测进行了研究。常用的研究方法是结合现场暴露试验和实验室人工加速模拟实验,通过两者之间的相关性,对防腐涂层的服役寿命进行预测。
人工加速模拟实验可以根据需要加快腐蚀进程从而缩短实验周期,具有易实现、可重复性强、周期短等特点,因此成为最普遍采用的腐蚀实验方法。
海洋混凝土腐蚀实验关注的环境参数包括温度、湿度、风力风向、侵蚀离子种类及含量和pH等,室内实验可以根据研究目标所需要的环境参数,有目的剔除其他的干扰变量,并且在室内可采用的测试手段也更加多样。
有学者在制作的试样中预先加入一定量的氯化钠,并通入电流来加速钢筋的锈蚀,通过实验的损伤形态研究涂层的防护性能。
有学者分别模拟大气区盐雾与碳化共同作用和潮差区冻融与干湿循环共同作用下混凝土的耐久性实验,依据国外的相关规范和文献并结合实验仪器确定实验参数变化范围,制定实验程序,建立了适用于海洋混凝土的寿命预测模型。
虽然实验室模拟实验已经比较成熟和完善,但是即使最先进的模拟设备也难以重现实际的自然环境。因此,建立海洋环境暴露试验站是获得与实际自然环境相一致的评价指标最可靠方法,其测试结果可用于修正模拟实验中的偏差,目前世界上已经建立一些了针对不同气候环境的暴露试验站。世界上率先创建的海洋暴露试验站的国家是美国,位于芬迪湾Treat Island海洋暴露试验站。随后,荷兰、德国、法国和 中国等国家也都陆续在沿海地区建造了海洋暴露试验站。根据海港地区的气候特点,我国分别在青岛、厦门、榆林和舟山等地建立海水腐蚀试验站,形成全国海水腐蚀试验站网。
室内模拟实验拥有诸多优点,但是仅根据短时间室内实验数据预测混凝土结构在真实海洋环境下的耐久性略微缺乏说服力 ;室外实验暴露试验的数据可靠性较高,但是时间周期较长。因此,考察模拟环境与真实环境中海洋混凝土腐蚀规律的相关性,并依据相关性对涂层的寿命进行预测,成为相关学者的研究重点。
目前对于海水冷却塔防腐涂层的寿命预测的研究虽然较多。但是其研究方法总体上来说还是以实验室模拟实验结合室外暴露实验的方式进行,通过实验考察两者之间的相关性,最终实现对涂层寿命的服役寿命进行预测。但是,对于每种涂层寿命预测的方法还只是侧重在一两个因素,而涂层在服役过程中往往会受到多种因素的相互作用,且其服役环境也会随着天气等因素的变化瞬息万变。因此,目前该领域的研究还存在着很大的局限性,还有很多可以继续深入研究的地方。 
海水冷却塔的平稳运行直接影响着电厂的生产效率,因此保证海水冷却塔的安全意义重大。因为影响海水冷却塔的腐蚀过程的因素较多,所以目前还没有一套行之有效的预测其防腐涂层服役寿命的科学方法。借鉴前期研究人员的相关研究成果,结合海水冷却塔的实际服役环境,通过实验室加速实验和现场试验相结合的方式,才能探索出一套适合预测海水冷却塔的服役寿命的科学有效的方法。

 

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