核电厂空气压缩机冷却器结垢原因分析及处理

边春华，刘 忠，苗学良，张 维

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.苏州热工研究院有限公司， 江苏 苏州 215004）

核电厂空气压缩机冷却器结垢原因分析及处理

边春华1，刘 忠2，苗学良1，张 维1

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.苏州热工研究院有限公司， 江苏 苏州 215004）

国内某核电厂外围压空机在运行数年以后，频繁出现跳机现象；将压空机解体发现，传热管表面附着大量黄色物质。针对压空机传热管表面的黄色物质，采用宏观、X射线、水质成分等方法进行了分析。结果表明，传热管表面结垢为水垢，回路中的高频电子除垢仪的除垢作用有限，需要添加阻垢剂对水质处理才能解决传热管结垢问题。

压空机；传热管；水垢；高频电子除垢仪；阻垢剂

核电厂压缩空气生产系统的主要功能是生产动力设施所需要的压缩空气。压缩空气生产系统有3台空气压缩机组成，空气压缩机（简称压空机）在生产压缩空气时会产生大量热量，为了及时排除产生的热量，设计安装了冷却回路。冷却回路采用生活饮用水为冷却介质，冷却方式为冷却塔冷却，属于敞开式循环回路。

巡检人员发现外围压空冷却塔没有喷淋水，同时，压空机经常频繁跳机。维修人员解体空压机冷却器检查发现传热管表面大量结垢，传热管表面结垢会导致管道堵塞，影响管路冷却水流量，同时结垢的存在导致传热管传热效率降低，影响设备性能。

本文以空压机冷却回路为研究对象，回路主要由冷却塔、Y形过滤器、冷却水泵、高频电子除垢仪、冷却器等设备构成，冷却水采用生活饮用水。对结垢物质进行宏观分析，初步判断结垢原因。对水垢成分进行X射线定性和定量分析，分析结垢物质的组成成分和含量，并判断其可能的来源。对水质分析，分析其中离子和杂质含量，结合结垢成分判断结垢成因。

1 实验方法与结果

1.1 宏观分析

传热管表面均匀附着一层黄褐色结垢，质地较硬，结垢厚度大约在1.9 mm左右，从形貌上来看，是典型的换热设备结垢（见图1）。将结垢刮掉以后，传热管表面光亮，无明显腐蚀现象。

图1 传热管表面结垢形貌Fig.1 Appearance of scale on heat transfer tube

1.2 结垢物质成分分析

从管道表面刮取水垢，进行X射线分析，堵塞物质以Mg0.03Ca0.97CO3为主，含量占（93.9±0.5）%，其次是Fe3O4，含量为4.9%，还含有FeO(OH)、SiO2、Ni、Zn等，总计约1.1%左右。

1.3 水质成分分析

压缩空气生产系统冷却器冷却水源为生活饮用水，冷却方式为冷却塔开式循环，在冷却器前安置高频电子除垢仪，为了分析电子除垢仪的作用，分别从高频电子除垢仪前排污阀和冷却器出口管道排污阀取水进行水质分析，并和生活饮用水进行对比。从对比结果可以看出，与生活饮用水质相比，压缩空气生产系统冷却水pH有所增大，电导率有所增大，其他离子浓度变化不大。

冷却器出口管道排污阀与高频电子除垢仪前排污阀水质相比pH变化不大，HCO3-浓度减小，Ca2+、 Mg2+浓度相对减小。

2 分析与讨论

2.1 水质结垢倾向分析

判断水质是否有结垢倾向，一般采用Ling Lier饱和指数（L.S.I指数）判断法（L.S.I＞0为结垢型水质，L.S.I≤0为稳定型水质）[1]：

L.S.I = pH - pHs

pHs=（9.7+A+B）-（C+D）

式中：pH——循环水实际pH值；

pHs——饱和pH值；

A——补水溶解性固体总量系数；

B——循环水温度系数；

C——补水硬度系数;

D——补水碱度系数。

实际补水为生活饮用水，其溶解性固体总量为325；循环水为开式循环，其温度取常温25 ℃；补水硬度为166；补水碱度为108。

查相关数据可知：

pHs=（9.7+0.15+1.98）-（2.24+2.04）

=7.55

L.S.I=7.92-7.55=0.37＞0

由此可以判断此循环水水质为结垢型水质，具有结垢倾向。

当夏季温度较高时，循环水温度可能达到40 ℃，此时：

pHs=（9.7+0.15+1.71）-（2.24+2.04）

=7.28

L.S.I=7.92-7.28=0.64＞0.37＞0

由此说明，夏季温度较高时，循环水仍旧为结垢型水质，而且其结垢倾向增强，更易于产生水垢。

2.2 结垢成因分析

从X射线衍射分析结果看，水垢中含量最多的物质是CaCO3和MgCO3，之所以含有大量的CaCO3、MgCO3，主要的原因有两方面：

1）循环水硬度很大（总硬度为172，属于硬水），同时循环水总碱度很高，含有较多的HCO3

-，当遇到冷却器加热时，会发生反应：

2）循环水的pH大于7.9，呈弱碱性，在碱性水中会发生如下反应：

一般来说，CaCO3溶解度极低，而且随温度升高而降低，CaCO3会以固体形式在传热管表面析出。水垢的导热系数仅为碳钢的1%左右，水垢必然造成换热器的传热效率下降。水垢附着的危害很大，不仅降低换热器的传热效率，影响运行；严重时堵塞管道，影响安全生产。

水垢中含有一定量的Fe3O4和FeO(OH)，这主要因为循环冷却系统为开式循环，水中溶解一定量的氧，氧与管道作用生成Fe3O4和FeO(OH)。同时开式循环可能会从大气和雨水中带入少量杂质，例如SiO2。

与生活饮用水水质相比，压缩空气生产系统冷却水水质相差不大，但pH有所增大，这是因为循环水在受到传热管的加热以后释放出部分CO2，导致pH增大；而因为水分的蒸发，使得离子浓度增大，导致电导率增大。

从以上的分析结果来看，生活饮用水和循环水的水质差别不大，浓缩倍数很小，这说明整个循环系统的排污情况良好；而位于冷却器出口管道排污阀与高频电子除垢仪前排污阀之间的高频电子除垢仪没有起到很好的除垢作用。

2.3 高频电子除垢仪分析

根据国家行业标准——射频物理场水处理设备技术条件（HG/T 3729—2004），开式循环冷却水应符合如下水质要求：

● 总硬度小于等于700 mg/L；

● 水压小于1.6 MPa；

● 总碱度小于等于500 mg/L；

● 电导率小于3 000 μS/cm；

● pH大于等于6.5；

● 全铁小于等于0.5 mg/L；

● 浓缩倍数小于2.5（根据补水水质、环境确定）。

根据水质检测结果来看，实际浓缩倍数为：568/516电导率=1.1。

实际水质满足如上要求，而高频电子除垢仪电源指示灯和工作指示灯均正常，说明高频电子除垢仪本身的除垢能力不达标。

从高频电子除垢仪除垢原理来看，电子除垢仪的除垢率一般很难达到100%[3]，也就是说电子除垢仪只能减缓结垢率，并不能完全消除结垢，运行足够长的时间以后，总会出现结垢现象。

3 结论与建议

3.1 结论

1）传热管表面结垢物质为水垢，主要成分为CaCO3，同时含有少量MgCO3、Fe3O4、SiO2等杂质。

2）循环水水质情况良好，与补水生活用水水质差别不大，浓缩倍数很低，排污正常，满足高频电子除垢仪运行要求。

3）单纯依靠高频电子除垢仪无法彻底解决换热管结垢问题，需要其他除垢、防垢措施辅助进行。

3.2 建议

建议采用添加阻垢剂或者软化水设备进行水质处理。常用的阻垢剂可以分为缩聚磷酸盐、磷酸盐、氨基多羧酸盐、表面活性剂四大类[4]。

1）缩聚磷酸盐——常用的缩聚磷酸盐有长链状阴离子的三聚磷酸钠和六偏磷酸钠。六偏磷酸钠没有固定熔点，在水中的溶解度很大，但不恒定。溶于水时，生成水解产物多磷酸根阴离子聚结体。微量的缩聚磷酸盐加入水中，破坏了碳酸钙等晶体的正常生长过程，从而阻止了碳酸钙水垢的形成。缩聚磷酸盐除用做防止水垢外，也可做缓蚀剂用。

2）有机磷类阻垢剂——有机磷阻垢剂与无机聚磷酸盐相比具有良好的化学稳定性，不易被酸碱破坏，也不易水解和降解，能耐较高水温和抗氧化性。并且在使用中不会因水解生成正磷酸而导致藻类过度繁殖。同时，它有临界值效应，只需用几毫克/升的有机磷酸就可以阻止几百毫克/升的碳酸钙沉淀，而且其租垢性能比缩聚磷酸盐好。

3）聚羧酸阻垢剂——聚羧酸作为阻垢剂和分散剂，使用最多的是丙烯酸的均聚物和共聚物，以及以马来酸为主的均聚物和共聚物。此类化合物对碳酸钙等水垢具有良好的租垢作用，同时也有临界值效应，因此用量也很少。聚羧酸类聚合物最主要的缺点是易与水中的钙离子发生架桥反应，生成聚合物一类的胶凝体，这不仅降低了阻垢剂的活性组分，严重时还会使水变浑浊。

4）两性表面活性剂——表面活性剂的防垢作用源于它们的吸附作用。一方面，由于表面活性剂的吸附，使垢表面的正常聚结状态受到干扰，抑制或部分抑制了垢晶体的继续长大，使垢离子处于饱和状态或形成松散的垢被水冲走；另一方面，由于表面活性剂在垢表面吸附，形成扩散双电层，使垢表面带电，抑制了垢晶体间聚结，导致垢晶体以分散状态存在于溶液中。

核电厂压缩空气生产系统的循环水具有如下性质：

● 浓缩倍数很低，只有1.1倍；

● 水质呈弱碱性，pH=7.9左右；

● 循环水总硬度170左右，为硬水；

● 补水为生活饮用水；

● 循环回路中安装有高频电子除垢仪，无其他租垢、缓蚀、除菌措施；

● 循环水中全铁浓度很低；

● 回路为开式循环。

缩聚磷酸盐易水解产生多磷酸根阴离子聚结体，可能会导致藻类繁殖；聚羧酸阻垢剂会生产胶体，降低阻垢剂活性；表面活性剂和聚合物在实际应用中相对较少；结合以上指标，核电厂压缩空气生产系统水质处理易采用有机磷类阻垢剂。

有机磷类阻垢剂分为两类，分别是有机多元磷酸和磷酸酯类。

磷酸酯类是由醇和磷酸或者五氧化二磷反应制得。采用不同配比可以制得磷酸一酯、磷酸二酯等。一般来说，有机磷酸酯类抑制硫酸钙效果较差。虽比聚磷酸盐难水解，但是比有机磷酸更容易水解成正磷酸。

有机磷酸的种类很多，按分子中含磷酸基团的数目可以分为二磷酸、三磷酸、四磷酸等；按分子结构的类型可以分为亚甲基磷酸型、同碳二磷酸型、羧酸磷酸型等。举例说明：亚甲基磷酸系阻垢剂是应用较为普遍的一类水质稳定剂，不仅具有高效阻垢性，还具有优良的缓蚀性能，已经成功用于高硬度、高pH值冷却水系统的腐蚀与结垢控制。ATMP是有机磷酸中最常用的药剂之一，并且对碳酸钙的阻垢效果非常好。EDTMP在水中能与Ca2+、Al3+、Fe3+等形成稳定的络合物，可以分散在水中使钙垢变软。

[1] 张少峰，刘燕. 换热设备防除垢技术[M]. 北京：化学工业出版社，2003.（ZHANG Shao-feng, LIU Yan. Scaling prevention and elimination techniques for heat exchange equipment [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003.）

[2] Somerscaies E.F.D.，Kundsen J.G. Fouling of Heat Transfer Equipment[M]. Hemisphele Pub. Co.，1981.

[3] HG/T 3729—2004 射频物理场水处理设备技术条件[S].（HG/T 3729-2004 Technical conditions for the RF physical field water treatment equipment [S].）

[4] 严莲荷. 水处理药剂及配方手册[M]. 北京：中国石化出版社，2003.（YAN Lian-he. Water treatment agent and ingredient manual [M]. Beijing: China Petrochemistry Press, 2003.）

[5] 王同善. 应急柴油机充气冷却水系统典型故障的处理[J]. 中国核电，2011，3: 268-272.（WANG Tong-shan. Treatment of typical faults in the aeration cooling water system of the emergency diesel generator [J]. China Nuclear Power, 2011.03:268-272.）

Failure Analysis and Treatment Countermeasures for Scaling of Heat Transfer Tube of Air Compressor in Nuclear Power Plant

BIAN Chun-hua1，LIU Zhong2，MIAO Xue-liang1，ZHANG Wei1
(1.China Nuclear Power Operation and Management Corporation，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China; 2.Suzhou Nuclear Power Research Institute，Suzhou of Jiangsu Prov. 215004，China)

After several years of operation, air compressor suffered from failure frequently in a domestic nuclear power plant.The air compressor were taken apart and it was found that a lot of yellow substance adhered to the heat transfer tube. In this article，appearance and X-ray diffraction of substance on heat transfer tube, the quality of circuiting water are analyzed. The results show that the substance on heat transfer tube is scale and the descaling function of high frequency electronic descaling instrument in the loop is limited. The best way to solve this problem is to put scale inhibitor in the loop.

air compressor；heat transfer tube；scale；high frequency electronic descaling instrument；scale inhibitor

TM623Article character：A

1674-1617(2014)04-0322-04

TM623

：A

1674-1617(2014)04-0322-04

2014-04-24

边春华（1982—），男，浙江海盐人，工程师，硕士，从事核电厂腐蚀与防护工作。