海水抽水蓄能电站水泵水轮机金属材料腐蚀问题现状研究

肖 微，柴建峰

（国网新源控股有限公司技术中心 ，北京市 100161）

海水抽水蓄能电站水泵水轮机金属材料腐蚀问题现状研究

肖 微，柴建峰

（国网新源控股有限公司技术中心 ，北京市 100161）

我国研究开发海水抽水蓄能发电技术，既有资源利用可行性，又有电力需求的必要性。与常规的淡水抽水蓄能电站相比，具有多方面的优势，但同时也存在必须要解决的问题。海水对金属材料的腐蚀问题是关键问题之一。本文就我国海洋环境影响金属材料腐蚀的因素和几种主要金属材料的海水腐蚀机理进行了分析，如何研究出适合我国海洋环境的金属材料和防蚀措施，将是迫切需要开展的课题。

海水抽水蓄能电站； 水泵水轮机； 金属材料腐蚀

1 概述

我国具有广阔的海岸线，且沿海地区又是经济发达地区，电力峰谷差更为严重，研究开发海水抽水蓄能发电技术，不仅会缓减当地的电力供求矛盾，而且还会对整个电网经济安全运行产生积极作用，因此在我国研究开发海水抽水蓄能电站既有资源利用可行性，又有电力需求必要性。

海水抽水蓄能电站与常规的淡水抽水蓄能电站相比，具有选址方便、利用大海作为下水库降低造价、不受水量（海水）限制只要增大上水库就可增加电站容量、水位变化小对水泵水轮机设计非常有利等优势。但同时也面临着金属材料腐蚀、水泵水轮机机组稳定性、防止海水浸透和飞溅、防止海洋生物附着和进/出水口设计等问题。本文就海水抽水蓄能电站中水泵水轮机金属材料腐蚀问题进行分析和探讨[1－3]。

2 水泵水轮机材料腐蚀问题

海水是最丰富的天然电解质，直接与海水接触的各种金属结构物都不可避免地会受到海水的腐蚀。海水腐蚀不仅会使金属结构物发生早期破坏，严重者还会造成重大事故[4]。

同样，海水抽水蓄能电站在水泵水轮机产生的高压/高速水流情况下，与海水接触的所有金属材料也存在腐蚀问题。因此，只有正确认识我国海洋环境对金属材料的腐蚀现状和在该海洋环境下各种金属材料的腐蚀机理，才能根据水泵水轮机的特性研究出能够防止海水腐蚀和电气腐蚀的金属材料和有效的防蚀措施。

2.1 我国海洋环境对金属材料的腐蚀现状

由于地理条件的因素，不同海域的腐蚀性能也是不同的。我国海洋环境中含有大量的盐类、溶解的气体、海洋生物等。此外，还有波浪、潮汐、日照等其他外界的作用。这些因素以不同的形式影响着金属在海水中的腐蚀行为[4]。

2.1.1 海水中盐类及浓度的影响

海水由96%～97%的水和3%～4%的溶解在水中的各种盐类组成。海水中的盐类以氯化物含量最多。由氯化物中解离出来的氯离子不仅能阻止或破坏金属表面钝化状态，加快金属的腐蚀速度，而且还易引起金属发生严重的局部腐蚀。由于盐的浓度决定着海水的电导率，而电导率又决定着金属的腐蚀速度。

2.1.2 溶解氧的影响

海水为中性盐溶液，大多数金属在海水中的腐蚀都属于氧去极化的电化学腐蚀，其腐蚀速度主要受氧扩散到金属表面的速度所控制。对非钝态性金属而言，氧量的增加将加快它们的腐蚀速度；对钝性金属而言，氧量的增加将促使钝化膜的形成，从而降低它们的腐蚀速度。

2.1.3 海水温度的影响

海水温度随纬度、季节、海水深度不同而变化。一般海水温度每上升10℃，金属腐蚀速度将增加1倍。但同时氧量也将降低20%，不过氧量降低对金属腐蚀的影响小于温度升高对金属腐蚀的影响。另外，不同深度海水的温差还可形成温差腐蚀电池。

2.1.4 海水流速的影响

海水的运动可以加快溶解氧扩散到金属表面的速度。因此，海水流速的增加，可加快非钝性金属的腐蚀速度，减慢钝性金属的腐蚀速度。但当海水流速进一步增加时，将会出现“空泡”现象，不仅剥落金属表面的保护膜，而且还可引起金属材料“空泡腐蚀”。例如，海轮螺旋桨在转速较高时发生的空泡腐蚀。如果高流速海水中夹带泥沙，还易引起金属材料的“磨损腐蚀”。

2.1.5 海浪、潮汛的影响

海水的波浪、潮汛运动使金属表面处于干湿交替状态，从而造成某些部位金属的严重腐蚀。当金属受到波浪的冲击和浪花飞溅的影响，金属表面经常处于润湿状态，水膜很薄，氧含量很高，而且氧极易透过水膜扩散到金属表面。此外，波浪的冲击作用不断破坏金属表面的保护层和腐蚀产物层。因此，金属腐蚀速度最大，比全浸在海水中的腐蚀速度大3～10倍。

当金属在高潮时浸在海水中，低潮时则暴露在大气中，属于间歇式沉浸。金属表面由于氧量供应充分，因此可相对的成为全浸在海水中的金属阴极。另外，也由于海水中的钙、镁盐类也易在此区域析出形成覆盖层，因此金属腐蚀速度不太大。

2.1.6 海生物的影响

海洋生物如藤壶、牡蛎、海藻等附在金属表面，在附着处产生缝隙，由于缝隙处氧不易达到，结果与其他氧易到达的区域形成氧浓差电池，缝隙处的金属表面将作为阳极而被腐蚀。此外，当一些海生物从金属表面脱落时，往往将漆膜带下来，使裸露的金属表面与未裸露的金属表面形成腐蚀电池，使得裸露的金属表面成为阳极而被腐蚀。微生物的生理作用产生的氨、氧、二氧化碳、硫化氢等腐蚀性物质，也能加快金属的腐蚀速度。

海生物的附着与海水流速、金属种类、盐浓度有关。海水流速越大，冲刷作用越强，海生物越不易附着。对铜及铜合金不易附着，对钢、钛等金属容易附着。此外，盐浓度降低时，海生物的附着量也明显减少。

2.1.7 海洋污染的影响

随着工业的发展，海水也受到了石油、工业废水及其他三废的污染。由于污染的影响，海水的pH值由原来的7.5～8.5下降到7.5以下，而且有机物的污染产生了大量的硫化氢。除此之外，还有局部海区的工业热废水的热污染。上述污染都在不同程度上加快着金属的腐蚀过程。

2.2 金属材料的海水腐蚀研究现状

基于我国海洋环境对金属材料腐蚀因素分析的基础上，以下重点就几种常用的金属材料的海水腐蚀机理进行分析[5，9]。

2.2.1 不锈钢的海水腐蚀性能

由于海水中含有大量活性极强的氯离子，因此不锈钢在海水中的钝态是不稳定的。不锈钢的钝化膜易被氯离子破坏而发生局部腐蚀。在海水流速较低的情况下，氧的供应不充足，不锈钢的钝性处于不稳定状态。在氯离子作用下，不锈钢的局部腐蚀特别是点腐蚀的速度将加快。加之有海洋生物附着，形成的氧浓差电池，将加速不锈钢的点腐蚀速度。在海水流速较高时，由于氧的供应较为充足，海洋生物受冲刷作用也不易附着，此时不锈钢的钝态比海水流速低时较为稳定，点腐蚀的速度反而要小得多。

不锈钢在海水中的局部腐蚀主要取决于钢的化学成分和热处理状态。不锈钢是易钝金属，其腐蚀规律与碳钢和低合金钢不同，海水中大量的Cr-对依靠钝化防腐蚀的合金破坏极大。当海生物壳体（杜蛎等）牢固地附着在不锈钢表面，周围无空隙，不会引起腐蚀，有些生物附着不严密形成一定空隙，按闭塞电池原理加速局部腐蚀。不锈钢在海水中的耐蚀性通常高Cr钢优于低Cr钢，Ni-Cr钢优于Cr钢，随Ni、Cr含量的提高耐蚀性增加，降低含C量可提高不锈钢耐蚀性，不锈钢中加入Mo能提高钝化膜对CI-的抵抗力[6，7]。

2.2.2 碳钢和低合金钢的海水腐蚀

碳钢和低合金钢的海水腐蚀速度主要受氧的扩散速度控制。由于微阴极面积的增加对氧的扩散并无多大影响，所以低合金钢中的含碳量和合金元素的含量对腐蚀速度影响不大。但海水流速的增加则可加快碳钢和低合金钢的腐蚀速度。这是因为海水流速的加快使得到达阴极的氧量增加的原因。当碳钢及低合金钢表面的氧化皮未除掉时，由于较脆，易产生裂纹而露出基体金属，因此处在海水中时，裂纹中的基体金属就将比其面积大得多的氧化皮构成腐蚀电池，两者的电位差有时可达0.26V。裂纹中的基体金属将作为阳极而被腐蚀。由于阳极面积很小，腐蚀电流很大，使得腐蚀在小面积上向深处发展。其腐蚀速度比碳钢在平静海水中的腐蚀速度（0.08～0.12mm/年）要大得多，一般可达1.5～2mm/年。金属结构物上的焊缝与邻近的钢板有电位差，其值可达20～40mV。焊缝将作为阳极而被腐蚀。由于焊缝面积比邻近钢板的面积小得多，所以受到强烈的腐蚀，有时焊缝处的最大腐蚀速度可达0.77～1.3mm/年。总之碳钢和低合金钢的局部腐蚀速度很大[8]。

2.2.3 铸铁的海水腐蚀性能

具有不同石墨形态的铸铁在静海全浸条件下，平均腐蚀速度随时间增加而减少，与碳钢、低合金钢腐蚀规律相同。由于铸铁中石墨的存在，其海水腐蚀有其自身特点，石墨形态及数量对铸铁均匀腐蚀影响不大。

片状石墨铸铁与球铁的结晶有本质区别，孤立分布的石墨球铁能在最大程度上保持基体的连续性，连续分布的片状石墨则将基体分割成无数个不连续的“小格子”。其点蚀与碳钢、低合金钢不同处在于，片状石墨在基体腐蚀过程中组成无数个丝束阴极，形成杂散电流，使局部腐蚀电流密度有不同程度的减弱，减缓腐蚀速率，相互独立的“微区小格子”金属基体在溶解过程中，随着孔蚀的继续将“微区小格子”的金属消耗完，使阳极反应物得不到及时补充。片状石墨在基体组织中构成像涂层中的互相平行交叉的鳞片状颜料一样，起到“迷宫效应”，一方面延长各种活性粒子的穿过路径，降低透过率，另一方面相互平行或近似平行的石墨片产生电容效应，电容阻止直流可过交流的特性使腐蚀电流不易构成回路而极易杂散，产生阳极极化，减缓点蚀。相反，孤立分布的球状石墨保证基体的连续性，且石墨球不易分散局部腐蚀电流，只要点蚀条件满足，孔蚀将不断继续，直到蚀口被沉积物堵塞，孔内反应产物转移困难，孔蚀生长速度才将减缓。石墨形态显著影响铸铁的局部腐蚀，片状石墨铸铁的点蚀深度0.20～0.70mm，球铁的点蚀深度最大l.47mm。

就海水对金属材料腐蚀方面，目前国内通过长时间的海水腐蚀试验，积累了大量不同海域、不同腐蚀区带的腐蚀数据，并在理论上有所突破和创新。

在清楚认识各金属材料的海水腐蚀机理的基础上，如何正确应用或在现有材料的基础上研究出新材料应用到海水抽水蓄能电站水泵水轮水轮的设备上，这将是需要进一步深入研究的新课题。

2.3 工程案例介绍

世界上首座海水抽水蓄能电站是日本1999年建成并运行的日本冲绳山原抽水蓄能电站。该电站是一个试验性项目，其中主要研究项目之一就是在高压/高速水流作用下海水对金属材料的腐蚀作用。

冲绳山原抽水蓄能电站基于对海水腐蚀的机理和防护技术的研究，以海水为工作介质的水泵水轮机，其使用材料是在同时考虑了耐蚀性与经济性的基础上选定的[1]。在流速较低的部位，采用普通钢再施以防海水用的加强涂层（含有玻璃纤维颗粒的超厚涂层）；在流速高的部位，采用不锈钢。为了防止因涂层损伤引起的点蚀及间隙腐蚀，还设置了电气防蚀装置。

2.3.1 转轮、主轴及活动导叶

转轮与活动导叶采用了以低碳奥氏体系不锈钢（JIS-SCS16A）为基体并添加氮元素提高其耐蚀性的材料。主轴材料采用奥氏体系添加氮元素的锻钢（JISSUS316N）。在主轴上设置了为电气防蚀装置供电用的滑环。主轴与转轮的连接采用与普通机组相同的螺栓连接，全部用橡胶密封进行封水，以防止海水浸入螺栓把合部位。

因活动导叶轴承周围存在狭小间隙，容易被腐蚀，所以在轴部位采用双重密封，并防止海水对轴承的侵蚀。为了易于进行检修保养，采用了无需拆卸顶盖与底环就可以更换密封的结构。

2.3.2 蜗壳、座环、顶盖及底环

蜗壳和座环的材料全部采用热轧钢板（焊接结构用轧制钢材JIS-SM400A），并采用焊接结构。过流面施以含有玻璃纤维颗粒的超厚涂层。顶盖和底环的材料，在过流面部分采用低含碳量奥氏体系不锈钢（JISSUS316L），过流面以外部分考虑到经济性采用热轧钢板（JIS-SM400A），从整体上来讲，是采用把不锈钢与热轧钢板两者搭配起来的焊接结构方式。

2.3.3 主轴封水装置

水泵水轮机主轴的防止漏水用旋转密封装置采用了防腐耐磨的陶瓷密封材料，密封箱部件材料为低碳奥氏体系不锈钢（JIS-SUS316L）。封水装置与主轴之间存在狭小间隙，由于担心产生腐蚀，在该部位采用了牺牲阳极方式的防蚀装置。

2.3.4 电气防蚀

防蚀电极——在顶盖、底环、蜗壳、尾水管等结构（固定）部件上采用了防止电气腐蚀用电极，同时在旋转部件（如转轮）上和主轴上装设电刷并通过固定部分接地，以便防止电气腐蚀。

对水泵水轮机各部位的材料及防蚀涂层，虽然采用了上述防蚀措施，但是为了防止涂层损伤引起点蚀及间隙腐蚀，又设置了电气防蚀装置。由于介质流速越快则腐蚀越易发生，故采用了防蚀电流可调的外加电源方式作为主要的电气防蚀措施。

2.3.5 无油轴承

导叶轴承采用无油式固体润滑轴承，而且采用了一种海水不易进入、从外部又便于清洗的滑动部分结构，可以防止电气腐蚀和间隙腐蚀。

2.3.6 两套部件

热交换器采用海水冷却，为了防止海洋生物附着，备有两套部件，定期更换清洗。

2.3.7 弹性涂料

蜗壳、尾水管等碳素钢板部件的通流表面采用玻璃纤维弹性涂料，以便防蚀。

2.3.8 合成树脂

水管内测采用聚乙烯、乙烯树脂等合成材料制作里衬，以便防蚀。

2.3.9 橡胶里衬

进水阀门里侧采用橡胶里衬。

通过该工程案例可以看出，日本针对海水抽水蓄能电站中水泵水轮机的材料腐蚀问题已具有一定的研究成果，但核心技术和成果并未公开，很难获得。加之由于地理条件的因素，不同海域的腐蚀性能也是不同的。因此，针对我国海洋环境进行海水腐蚀的机理和防护技术的研究将是下一步必须深入研究的课题。

3 结束语

金属材料腐蚀问题是海水抽水蓄能电站建设的关键问题之一，如何经济有效地解决该问题是建设海水抽水蓄能电站的必经面对的关键技术之一。

本文就我国海洋环境对金属材料的腐蚀机理和几种主要金属材料的海水腐蚀机理进行了介绍和分析。世界首座海水抽水蓄能电站——日本冲绳山原抽水蓄能电站在该方面进行了研究并进行了实际运用，可为我国下一步的研究提供重大的参考。如何在山原抽水蓄能电站的基础上研究出适合我国海洋环境的金属材料和防蚀措施，将是迫切需要开展的课题。

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2017-08-20

2017-09-20肖 微（1980—），女，硕士，高级工程师，主要研究方向：流体机械工程。E-mail：xiaoweiyh@126．com

柴建峰（1977—），男，博士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），主要研究方向：水文地质与工程地质。E-mail：623509677@qq．com

Corrosion of Metallic Materials of Pump-turbine for Seat Water Pumped Storage Station

XIAO Wei，CHAI Jianfeng
（Technology Center，State Grid Xinyuan Companyltd ， Beijing 100161，China）

The research and development the water pumped storage technology in our country is both the feasibility of resource and the necessity of electricity demand.Compared with conventional water pumped storage power station，it has many advantages，but also have to solve the problems.Seawater corrosion problem is one of the key issues of metal materials.In this paper the marine environmental impact factors and several main metal materials corrosion of seawater mechanism are studied.How to develop metal materials suitable to China’s marine environment and corrosion protection measures will be urgent need to carry out the subject.

seat water pumped storage station； pump-turbine；metal materials corrosion

TV213

A学科代码：480．6030

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．007