电力材料的腐蚀是导致电力设备发生事故与故障根本原因,增强材料的耐蚀能力、改善设备的介质环境、提高设备的可靠性与可用性一直是是国际社会所关注的热点。目前,国际上在电力材料腐蚀与防护领域的研究趋势和热点包括:①超临界、超超临界机组新型耐蚀合金与核电站蒸汽发生器镍基合金的研制;②大型火力发电机组新颖水化学工况的研究与优化控制;③核电站蒸汽发生器先进胺与复合胺水化学工况的研究与应用;④火电与核电机组凝结水精处理技术的改进与提高;⑤锅炉补给水中溶解性有机物新颖去除技术研究;⑥发电机内冷水防腐处理工艺与方式的改进;⑦火力发电机组重要辅机的防腐蚀新技术;⑧变电站接地网的联合保护技术;⑨汽轮机油、变压器油系统的防劣化、防腐蚀新技术。上述研究内容涉及材料科学、表面科学、电化学等学科,一些尖端技术与前沿科学在此得到应用。
该方向完成各类纵向科研项目10项,其中国家重大科技专项“压水堆核电站冷却剂水化学基础研究”,子课题3“高温高压条件下ETA物理化学性能及分析方法研究”一项,湖南省科技厅重点项目1项,横向技术攻关项目22项,经费共643.9万元,获广东电网公司科技进步三等奖一项,江西省电力公司科技进步三等奖一项,获国家专利30项,完成专著5部,发表学术论文19篇。
该方向于2012年10月在湖南省长沙市望城县组织了湖南省第七届腐蚀与防护学术交流会,并于2013年11月在新利luck在线·(中国)有限公司官网国际学术交流中心组织了中国电机工程学会火力发电分会电厂化学专业2013年学术会议。该方向研究人员参加国际国内会议60余人次,并邀请国内外相关专家来校做学术交流报告并聘请为客座教授。
近年来,该方向主要开展了如下几个方面的工作:
(一)现代火电机组发电设备的腐蚀与防护技术研究
现代火电机组具有工作参数高、容量大(目前600MW、1000MW超临界及超超临界为主力机组)、投资高的特点。同时,火力发电厂金属用量大,如一台与600MW机组锅炉本体及其辅助设备的钢材用量在1.6-2.0万吨之间。火力发电厂中机组的参数愈高,其热能利用率也就愈高,发电的经济性也愈好,这是经过理论与实践检验的事实,也是锅炉向超临界、超超临界发展的依据所在。但机组参数越高,对水处理技术要求也越严。因为锅炉参数高,局部热负荷也高,局部浓缩倍率更高,对水中残余杂质更敏感;其次,与之配套的汽轮机中采用的合金材质,在经热处理提高强度后,对蒸汽纯度更敏感,更易引起腐蚀问题;另外,随着蒸汽参数的提高,盐类与腐蚀产物在蒸汽中溶解度大幅升高,汽轮机的积盐与腐蚀问题会更突出。电力安全生产关系到国家和人民生命财产安全,关系到国民经济健康发展。在电力系统安全事故中,由于腐蚀、结垢而造成的破坏事故占相当的比例。据资料统计,近20年中我国共记录了40533次锅炉管子损坏事故,其中80%的炉管故障造成了电厂的事故停机。因此,研究针对超临界、超超临界机组运行特征的化学技术,是保障电力企业安全、经济生产的重大课题,也是本重点实验室的主要研究方向之一。取得的主要创新成果如下:
1)针对广东省的平海(2´1000MW)、台山(2´1000MW)、潮州(2´600MW +2´1000MW)等电厂已经投运的26台超临界、超超临界机组进行了腐蚀、结垢风险评估及诊断,深入研究了锅炉补给水系统运行状态诊断,判断杂质的去除率,凝结水精处理系统状态诊断,判断凝结水处理系统工作效率,评价全厂化学监督仪表、加药设备及机组水汽品质状态,分析、判断盐类及腐蚀产物携带能力,判断机组水汽系统腐蚀、结垢风险,得到了超超临界机组三种给水工况下具体腐蚀、结垢风险点与相应的预防措施,为超超临界机组安全运行提供有益的帮助;提出了一套切实可行的超超临界机组水汽系统监测体系,确定明显的风险指标,提高了超超临界机组运行水平。
2)开展了超临界机组给水关键指标对炉管腐蚀特性与安全防护关键技术研究,深入探讨了氯离子和硫酸根对锅炉水冷壁管(包括20G)的点蚀特性及其对水冷壁管成膜特性的影响,为制定电站锅炉炉水中Cl-和SO42-的控制标准提供理论依据,确保锅炉的安全经济运行;为制定相关标准提供理论依据,指导电站锅炉炉水中Cl-和SO42-的控制,并为水冷壁管防护技术的研究提供理论基础,确保电厂的安全经济运行。
3)开展了中低锅炉有机膦水化学工况与节能减排关键技术研究,首次将羟基亚乙基二磷酸(HEDP)作为阻垢缓蚀剂研究应用于中低压工业锅炉炉水中,该阻垢缓蚀剂具有高度稳定性,使锅炉不会产生二次水垢和维持锅炉内无垢运行状态,得到一种可广泛应用于低压锅炉的有机磷水化学工况;拓展了HEDP在低压锅炉方面的应用范围,并将为中低压工业锅炉创造巨大的价值。
4)针对电厂除氧器水箱与凝汽器补水箱内部防腐进行了深入研究,完成四项企业项目,为企业解决了技术难题。对于除氧器水箱而言,一是运行工况复杂(有水、有汽、且温度与压力都较高),二是锅炉给水品质高(二级除盐水);因此,一般防腐涂料根本就不能使用;本重点实验室研制的除氧器水箱防腐特种涂料具备不脱落、不开裂,耐水耐汽性好,附着力强,经使用该涂料后,锅炉水汽品质得到提高,用于除氧器水箱防腐,不仅可延长其本身服役寿命,还可减少锅炉“四管”爆裂事故的发生。
5)开展了凝汽器防渗防腐研究,完成企业项目5项,对于高氯离子浓度条件下凝汽器材质防腐具有实际指导意义。
(二)输变电设备的腐蚀与防护技术研究
由于高压直流送电在我国才刚刚起步,其中性点接地体作为阳极在高压直流电解作用下腐蚀更快、更严重,这种接地体的防腐蚀是一个全新的具有普遍应用前景和重大经济价值的课题。接地网是隐蔽工程,由于长期处于地下恶劣的环境中,土壤的电化学腐蚀不可避免,同时还要承受地网散流与杂散电流的腐蚀,若接地网因腐蚀而满足不了热稳定性要求,往往造成电网瘫痪等严重事故。前几年美国电网出现大面积停电事故,引起世界各国对电网保护的高度重视。接地网的腐蚀问题,是一个在全国城乡数万座变电站、发电厂普遍存在的问题,也是一个威胁到国家电网安全的重大问题。取得的创新成果如下:
1)开展了输变电设备主要材料的大气环境因子加速腐蚀试验及大气腐蚀模拟试验装置开发,完成企业项目2项。针对目前国内对变电站金属大气腐蚀研究较少问题,迫切需要研制一款新型的大气腐蚀模拟试验装置,通过实验室加速腐蚀试验研究变电站金属铜在H2S、SO2污染大气中腐蚀情况及特性,并建立合适的预测模型,从已知腐蚀数据推测未知的腐蚀数据,不仅可以在发生事故之前采取措施,而且还可以节约成本,保证供电安全,对国民经济快速增长和社会稳定有着重要意义。
2)开展了变电站绝缘设备防污闪氟碳涂料的理化电气试验与施工工艺研究。针对目前防污闪涂料使用寿命不长,附着力差等缺陷,研制出了一种使用寿命长、憎水性优、综合性能好的防污闪改性氟碳涂料,完成了防污闪氟碳涂料的配方、理化电气性能及施工工艺研究。
该成果创新点:①研发了一种使用寿命长、耐候性超强、耐污闪性能优异、附着力强的FEVE复合防污闪涂料,解决了目前常用防污闪涂料存在耐候性差、附着力不强的问题。②国内外首次提出了防污闪氟碳涂料“原位修复”理论,解决了氟碳涂料在使用过程中产生憎水性降低的问题。
项目成果“防污闪改性氟碳涂料的开放研究”获得广电电网公司科技进步三等奖。
(三)核电设备的腐蚀与防护技术研究
从1985年起步的中国核电,到2013年底共建设了17台核电机组,总装机容量为1461万千瓦,占全国总装机容量的1.16%,发电量1121亿千瓦时,占全国总发电量的2.1%。截止2008年4月,世界主要发达国家美国、法国、日本、英国、俄罗斯、德国、加拿大的核电机组数量与发电量比值分别为104(19.8%)、59(75%)、53(34.7%)、35(28.9%)、29(14.4%)、19(31.2%)、14(12.4%),亚洲的韩国也有16台核电机组(发电量占42.8%),因此,大力发展核电事业是改善我国能源结构、减少温室气体排放的紧迫任务。
核电站的一回路系统由于工作介质具有放射性,对水化学工况和材料(主要为镍基合金与不锈钢等)的防腐有更严格的要求。因此,采用合适的水工况,不仅要保证材料的腐蚀最小,更要保证放射性水平严格控制在标准允许的范围内。取得的创新成果如下:在国家重大科技专项“压水堆核电站冷却剂水化学基础研究(2011ZX06004-017)”,子课题3“高温高压条件下ETA物理化学性能及分析方法研究”(2011.01-2013.12,50万)的支持下,深入开展了高温高压下ETA的分配系数分析与测定,高温高压下ETA的离解常数分析与测定,高温高压下ETA的热分解特性测试及分解产物分析,ETA的标准分析方法制定,给定ETA浓度下二回路沿线pH值分布计算等相关研究,掌握高温高压ETA的分配系数、离解常数、热分解特性与分解产物,准确计算在给定ETA浓度时二回路沿线pH值分布特征,推断金属的腐蚀状态;同时确定ETA标准分析方法。为重大专项CAP1400示范工程(山东荣成石岛湾CAP1400示范工程2014年动工兴建)水化学设计提供技术基础,并对在役核电站水化学改进与优化提供技术支持。共完成学术论文5篇,申请国家专利6项。
该研究方向取得了一系列原创性科研成果,具有重要实用价值,为保障国内电力设备的正常运行做出了重要贡献。主要科研成果包括:
(1)科研项目:该研究方向共获得各类纵向科研项目10项、横向技术攻关项目22项,经费共643.9万元,代表性项目有:
①高温高压条件下ETA物理化学性能及分析方法研究(朱志平,国家重大科技专项“压水堆核电站冷却剂水化学基础研究”,子课题,50万元,2011~2013);
②TiO2、CNTS-FEVE氟碳防污闪杂化涂层材料研究(周艺,湖南省科技厅重点项目,20万元,2014~2016);
③1#/2#除氧器水箱及凝汽器补水箱内部防腐技术研究(朱志平,三门峡华阳发电有限责任公司,71.6,2011.1.18-2012.1.30);
④超临界机组腐蚀、结垢风险评估及诊断研究(朱志平,广东电网公司电力科学研究院,64.3,2011.1-2012.12)。
(2)科技奖励:获广东电网公司科技进步三等奖一项,江西省电力公司科技进步三等奖一项。
①朱志平等,防污闪改性氟碳涂料的开放研究,2012广东电网公司科技进步奖三等奖。
②朱志平等,接地网腐蚀状态的电化学方法诊断,2013江西电力公司科技进步三等奖。
(3)出版著作、发表论文、申请专利:完成专著5部,发表学术论文19篇,获国家专利30项,
①《超临界火力发电机组化学技术》(朱志平等,中国电力出版社,2012);
②《电厂化学概论》(朱志平等,中国电力出版社,2013);
③《电厂燃料》(汪红梅等,中国电力出版社,2012);
④一种防污闪常温固化氟碳树脂涂料及其制备方法(朱志平等,发明专利,专利号ZL201010590203.2);
⑤凝汽器铜管硫酸亚铁自动加药装置(朱志平等,实用新型专利,专利号ZL201020252684.1)。