海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统防腐与防污方案研究

陈仕贝，吴新平，高彦明，李珍祥，范丽芳，杨 丹

（1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；2.南方电网调峰调频发电有限公司，广州 510635；3.中国科学院海洋研究所，青岛 266071）

1 电站环境

本文所述的海水抽水蓄能电站一般指建设在海岛上、利用海洋作为下库、在岛上修建上库、在传统抽水蓄能的基础上利用海水作为工作介质的一种新型抽水蓄能电站。海水抽水蓄能电站有较为广阔的应用前景，目前国内外新能源发展迅速，海水抽水蓄能电站可与海上风电、光伏等新能源进行联合运行，发挥调峰、调频、调相及事故备用等作用。

海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统的特点是用材主要为金属材料、结构复杂精密、管路数量众多，而海水介质中的各项指标，如含氧量、盐度、电导率、温度、pH值、污损生物种类等，均会对电站的金属设备及管道产生不同程度的影响［1，2］。因此，特殊的海洋工作环境对水力机械辅助系统提出了两大技术难题：

（1）对辅助系统提出防腐要求。海水存在着大量CL-等卤素离子，CL-的化学性质较为活泼，能阻碍或破坏金属表层形成钝化膜，造成金属的腐蚀。水力机械辅助系统的设备、管道将面临着海水的腐蚀，影响其使用寿命与运维成本。

（2）对辅助系统提出防污要求。与淡水生态系统不同，海洋生态系统的营养结构更为复杂，物种非常丰富，数量更加庞大，海水抽水蓄能电站面临着严峻的海生物附着污损问题，而辅助系统的管道一般口径较小，特别是测量监视系统的管路大部分为埋管，且口径一般只有DN20～DN50，如果发生污损，将会导致整个系统管路堵塞，影响机组正常运行，堵塞后的维护疏通也异常困难。

因此，必须建立起海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统有效的防腐和防污方案，其防护对象为：技术供水系统、油系统、气系统、厂内排水系统、测量监视系统、厂内起重设备等。水力机械辅助设备防腐与防污应当根据自身的设计特点，针对不同的环境条件，采取合适的工程设计，选取相对比较经济合理且可行的方案。

2 水力机械辅助系统防腐要点

水力机械辅助系统防腐方案应该从3 个方面着手：首先是系统设计，辅助系统的设计要根据电站的特点进行深度优化，降低腐蚀风险；其次是合理选材，选取适合工作环境的材料，其本身具备一定的抗腐蚀能力；再次是防腐措施，工程常用的防腐措施有涂层∕镀层防腐、阴极保护法。

2.1 系统设计

优良的辅助系统设计能有效降低腐蚀风险，有以下需要注意的设计要点［3］：

（1）设计合理的腐蚀裕度。为了防止均匀腐蚀，管道的壁厚选择非常重要，选择适当的腐蚀裕度能有效的提高管道使用寿命。

（2）降低冲刷腐蚀和空化腐蚀。尽量设计平稳过渡的流道曲线，既能减少水力损失、避免各种振动噪声，又能减少湍流海水带来局部冲刷磨损和局部空化腐蚀。

（3）避免间隙腐蚀。设备的间隙是产生间隙腐蚀的首要因素，需要从设计源头就消除不必要的缝隙。

（4）避免电偶腐蚀。在异种金属连接时应该慎重考虑其电位差。电位差是产生电偶腐蚀的最主要原因，一般认为两种材料之间的电位差小于50 mV 就不会产生明显的电偶腐蚀。有条件应该采取绝缘措施。

（5）减少应力腐蚀。各种设备、管道的应力分布应该均匀化，减少应力集中，从而可以减少腐蚀区的受力点。

（6）铆接和焊接时采用正确的工艺，应使用比基体电位稍高的材料做铆钉或焊条。

2.2 合理选材

选材方面，通过合理的经济技术比较，选择适合的材料作为设备、管道的主材。常用的金属材料有：碳钢、低合金钢、不锈钢、双相不锈钢、超级双相不锈钢［4］、钛、钛合金、镍及铜合金。常用的非金属材料有：玻璃钢、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR。钛合金与双相不锈钢等在海水中耐蚀性能良好，但价格高，主要用于关键部位。在检修维护方便的部位，可以选取性价比较好的不锈钢或碳钢材料。在强度、刚度要求不高的情况下，也可选择一些非金属材料作为主材。

2.3 防腐措施

防腐措施方面，前述的非金属材料由于具备天然的耐海水腐蚀优势，一般不需要额外的防腐措施，如世界唯一的一座海水抽水蓄能电站日本冲绳海水抽水蓄能电站的压力钢管采用FRP（Fiberglass Reinforced Plastic Mortar）材料，为玻璃纤维强化塑料砂浆管，从1999年真机试验投运到2004年，真机运行5年后，对FRP管进行检查，FRP层无损伤及腐蚀、磨损［5］。

金属设备及管道的防腐，目前工程上比较成熟的防腐方案有涂层∕镀层防腐与阴极保护法。

常用的防腐涂层有环氧漆、氯化橡胶漆、乙烯漆及无机硅酸盐富锌底漆等。使用涂层防腐必须保证涂层使用寿命在一个大的检修周期中不发生严重脱落。

热喷涂层因不受结构尺寸限制，应用前景很广阔。常用的热喷镀层有热喷涂铝、锌。纯锌层内腐蚀较差，纯铝层电化学保护效果较差，锌-铝合金镀层兼具耐腐蚀性和电化学保护性的优点，还可与涂料配套使用，一般在海水条件下使用寿命可达10年以上。

另外还可以内衬非金属，如三元乙丙橡胶、衬氯丁橡胶或丁腈橡胶等，内衬非金属的管路内温度不能太高，衬胶损坏时应保证能及时修复，否则容易形成点蚀穿孔。

阴极保护法可分为电流保护法和牺牲阳极阴极保护法。阴极保护法是保护管道的外表面防止海水腐蚀最有效的手段之一，但是必须在全浸区才有效。

电流阴极保护通常与涂层保护联合使用。海水中阴极电流会促使阴极区生成氢氧根离子，阴极区海水中的钙、镁离子浓度也会增加，由此引起碳酸钙和氢氧化钙过饱和，在金属表面形成致密的石灰质覆盖层。

牺牲阳极阴极保护法，将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。常用的牺牲阳极有锌合金、铝合金和镁合金，一般来说，铝合金作为牺牲阳极较为经济。

水力机械辅助系统埋管一般敷设在混凝土中，而不是在海水中或土壤中，阴极保护法对于水力机械辅助系统埋管来说效果不明显。

3 水力机械辅助系统防污要点

3.1 常用防污方法

工程常用的防污方法有物理防污、化学防污。

物理防污一般是指采用物理手段来达到防除污损生物的目的。主要有人工清除法、机械清除法、水喷射流法、过滤法、控制水流速度法、超声波法、光学法等［6，7］。

物理防污一般具有较好的清洁效果，但是要投入很多人力、物力，有些需要较高的技术水平要求，对于水力机械辅助系统来讲，物理防污不具备可行性。

化学防污是指利用特定的化学手段或杀生剂对污损生物及幼体进行趋避、抑制甚至是毒杀，达到抑制或完全阻止附着，从而达到防污效果。主要有加药法、涂装防污涂料法、电解防污法和包覆铜合金防污法［1］。

加药法是指向处理水中投入具有生物毒性的化学物质，达到趋避或灭杀污损生物的目的。加药法一般较多地用于封闭的小型淡水输水工程，防止淡水壳菜附着于输水管道［8，9］。

涂装防污涂料法，一般指涂覆防污涂料在被保护体表面，涂料分为两大类［10］：一是含有防污剂（毒性化学物质）的防污涂料，这类涂料以释放杀生剂来进行防污；二是不含防污剂的硅系防污涂料，这种防污涂料是以低表面能为特点，本身不具备毒性，海洋生物可以生长其上，但是附着不牢固，在水流作用下污损生物很容易从涂层上被冲掉［11］。涂装防污涂料法应用广泛、成本低，具备一定周期的防污效果，缺点是毒性涂料会破坏海洋生态环境。

电解防污法，目前使用最为广泛的为电解海水防污法，利用特制的电极电解海水产生有效氯，有效氯对海洋污损生物及其孢子、幼虫具有很强的杀伤作用，以此来达到防污目的［12］。电解海水防污法在滨海电厂和核电站已经应用多年，被证实为非常有效的防污手段。

包覆铜合金防污，主要是利用铜或者铜合金在海水中电离产生对海生物有毒的Cu2+，能抑制海洋污损生物的附着，由于Cu2+聚集后对生态污染较重，这种方式不适合大规模使用。

3.2 水力机械辅助系统防污方案选择

水力机械辅助系统的特点为设备多，管道复杂，管道尺寸小，埋设多。根据常规抽水蓄能电站经验，管道一般在DN600以下，测量监视系统管道更小，一般在DN50左右。流道内壁的污损几乎没有办法采用物理防污方式进行清除，采用化学防污主要为预防，从源头上抑制海生物附着。

涂装防污涂料的防污方式对于机组过流面的防护是有效的，日本冲绳海水抽水蓄能电站的机组过流面采用的是涂料防污，5年的真机运行试验后检查发现，尾水锥管与尾水管内表面有稍高密度贝类附着，但涂层未产生伤害。附着对于机组的过流面糙率产生了一定影响，但是结果仍然在设计范围之内［5］。对于辅助系统来说，防污涂层要应用到辅助系统管路上，存在着以下几个难点：

（1）涂覆困难，辅助系统的管路口径小，要在管道内壁涂覆防腐涂料和防污涂料，并且达到一定的结合力，加工难度非常高。

（2）寿命无法保证，防污涂料一般有效时间为3～5年左右［13］，而抽水蓄能电站使用寿命一般在50年以上。涂料超过服役年限后，容易脱落、裂缝、起泡，内壁将会变得更加粗糙，反而更加有利于海生物附着。

（3）一旦管内出现涂层破损，特别对于埋管来说，几乎无法进行二次涂覆。

因此，对于辅助系统设备和管路来说，不推荐采用涂装防污涂料法。

笔者曾经调研过某核电站，其海水循环系统采用电解海水防污，根据核电站相关规范要求［14］，电解海水产生的有效氯连续加药量浓度不低于1 mg∕L，冲击加药浓度不低于3 mg∕L，运行多年后，主管和辅助管道内均无海生物严重附着的情况发生。电解海水防污产生HClO-、ClO-、Cl2等有效氯，有效氯利用其强氧化性杀死海洋污损生物的幼虫或孢子，达到防污效果。有效氯是一种不稳定的强氧化剂，能在海水中快速衰减，包括挥发消耗和发生氧化还原反应消耗［15］。这种快速衰减性，使其不会对电站以外的海生物产生危害，从而有利于保护海洋生态环境。

水力机械辅助系统中，对于流体流动性较差的部位，如测量仪表等盲端结构，可以选用铜合金如B30白铜作为设备主材，B30白铜自身具备一定的防腐能力，同时也有优异的防污性能。

综上，海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统以电解海水防污为主要方案。

4 海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统防腐与防污方案

4.1 技术供水系统防护

水力机械技术供水系统主要为机组及其他设备、系统供应冷却水或润滑水。与常规抽水蓄能电站所不同，海水抽水蓄能电站所处位置为海岛，面临严重海水腐蚀、海生物污损的风险，且海岛上淡水资源紧张，技术供水的方式也需要进行适当的调整。一般来说，因为海水中矿物质丰富，海生物、微生物等种类繁多，海水无法作为冷却水源直供给各冷却器，容易造成矿物质沉淀或海生物附着污损。参考核电站常规岛的技术供水模式，海水抽水蓄能电站的技术供水冷却供水可采用二次循环冷却方式，包括淡水内循环系统、海水外循环与海水直供系统。

（1）淡水内循环系统。淡水内循环系统的主要特点是，介质为淡水，腐蚀性很小，几乎不存在海生物污损可能性，只需要考虑外表面的防腐。淡水内循环系统设备有：储水箱、水位控制自动化元件、水泵、滤水器、阀门、测量仪表等。淡水内循环系统的管路和设备材料选用不锈钢（316 L 以上），外表面做防腐涂层。淡水内循环系统基本无海生物污损风险，仅需要在淡水源头进行灭活消杀即可。

（2）海水外循环与海水直供系统。海水外循环与海水直供管路系统的特点是，流体介质为纯海水，存在小口径的埋管（海水取水管与排水管），海水腐蚀风险很高，海生物污损会导致严重的管路堵塞。海水外循环系统的设备有：海水泵、过滤器、换热器、阀门、测量仪表、预留冲洗接口等。海水直供系统的设备有：海水泵、过滤器、阀门、测量仪表、预留冲洗接口等。压力、结构强度不高的管道优先选用防腐性能好的有机材质，如玻璃钢、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR，无需做其他防腐措施。埋管材料选用双相不锈钢，不采用防腐防污涂层。明敷管路材料选用10ClMoAl或不锈钢（316 L以上）。自动化元件材料选用白铜，表层防腐涂层。海水泵的转轮叶片等转动过流部件选用双相不锈钢（或超级双相不锈钢），不用做其他防腐措施；泵壳选用等非转动过流面选用碳钢或高铬钼不锈钢，选用碳钢时泵壳内表面应衬胶防腐，选用不锈钢应做涂层防腐；泵轴等不直接接触海水等非过流部件，可选用碳钢或低合金钢，做表面涂层防腐。换热器可选择管壳式换热器，材料推荐选用双相不锈钢、钛合金。过滤器、阀门、接口等设备材料选用不锈钢（316 L 以上），增加涂层防腐。滤网等易腐蚀件选用双相不锈钢或钛合金。防污方案，主要依靠电化学防污，停机时，对系统各管路定时冲洗，达到灭杀附着生物的目的。

4.2 排水系统防护

同常规抽水蓄能电站，海水抽水蓄能电站排水系统分也为机组检修排水系统、渗漏排水系统、厂房事故排水。排水系统特点是，介质主要是海水，埋管较多，管径比技术供水系统稍大（DN200 以上），渗漏排水泵一般为潜水泵，干湿交变。排水系统主要设备有：海水潜水泵、水位控制自动化元件、测量仪表、阀门、预留冲洗接口等。

压力、结构强度不高的管道优先选用防腐性能好的有机材质，如玻璃钢、聚氯乙烯（PVC）、UPVC、聚丙烯（PP）、ABS、PE 及PPR。无需做其他防腐措施。埋管材料选用双相不锈钢，不采用防腐防污涂层。明敷管道材料选用10CrMoAl 或不锈钢（316 L以上）。测量管道与自动化元件等材料选用白铜，涂覆防腐涂层。海水泵的转轮叶片等转动过流部件选用双相不锈钢（或超级双相不锈钢），不用做其他防腐措施；泵壳选用等非转动过流面选用碳钢或高铬钼不锈钢，选用碳钢时泵壳内表面应衬胶防腐，选用不锈钢应做涂层防腐；泵轴等不直接接触海水等非过流部件，可选用碳钢或低合金钢，做表面涂层防腐。阀门、接口等设备材料选用不锈钢（316 L 以上），增加涂层防腐。防污方案，主要依靠电化学防污，停机时，对系统各管路定时冲洗，达到灭杀附着生物的目的。

4.3 测量监视系统防护

测量监视系统特点是，介质为海水，管径很小（≤DN50），大部分为埋管。测量监视系统主要设备有，自动化元件、仪表、小型仪表阀、预留冲洗接口等。测量监视系统的埋管腐蚀与污损问题都很突出。小口径管路的壁厚相对较薄，易遭受点蚀而穿孔。另一方面，管内流体不流动，海生物一旦在内部附着成功，直接导致管路堵塞失效。测量监视系统管路不适合做防腐与防污涂层，所有埋管和测点均应设双备份，为了便于加氯冲洗，管路还应减少弯头和分岔。一般抽水蓄能电站的使用寿命在50年以上，小口径埋管的使用寿命也应该与电站寿命相匹配，管道材质应首选耐腐蚀性能优异的双相不锈钢或超级双相不锈钢，不使用防腐涂层及防污涂层，明管部位留有加氯冲洗接头。自动化元件、仪表、仪表阀等推荐选用抗污损性能好的白铜，防止静水模式下生物生长附着。防污策略，主要依靠电化学防污，停机时，对系统各管路定时冲洗，达到灭杀附着生物的目的。

4.4 油系统与气系统防护

油系统与气系统主要特点是，管内介质不含海水，不存在生物污损可能，仅需要考虑空气中高湿度、高盐雾的影响。气系统在空气压缩机前应加装除盐雾装置，防止盐雾浓缩，造成设备损坏。油系统主要设备有，齿轮油泵、储油装置、液压装置、滤油装置、阀门、仪表。气系统主要设备有，空气压缩机、压力容器、除盐雾装置、空气干燥过滤器、阀门、仪表。油、气系统除了需要满足相应等级的内压强度，需要考虑盐雾腐蚀。油泵、液压装置、空气压缩机可选取不锈钢（316 L 以上），主要防止因工作时温度过高引起晶间腐蚀。压力容器、储油装置选择容器钢Q345R，内外表面需要防腐涂层。其余气管、阀门、仪表等选用不锈钢（316 L以上），外表面需要防腐涂层。

4.5 电解海水防污系统防护

电解海水防污系统特点是，介质为海水及含有次氯酸钠溶液的海水。电解海水防污系统主要设备有，取水泵、过滤器、电解槽、酸洗箱、储药罐、加药泵、阀门、仪表与自动化元件、预留冲洗接口等。低压管道（P≤1.6 MPa）可以选用防腐性能好的非金属材质，如FPR 或PVC 复合材料，无需做其他防腐措施。其余管道材料选用10ClMoAl 或不锈钢（316 L 以上），涂覆防腐涂层及防污涂层，埋管有条件还应做阴极保护。取水管道增加预留冲洗接口，防止生物污损。电解槽槽体选用FPR 或PVC 复合材料，阳极材料为钛基金属氧化物阳极，阴极材料为工业纯钛或哈氏合金［14］。海水泵的转轮叶片等转动过流部件选用双相不锈钢（或超级双相不锈钢），不用做其他防腐措施；泵壳选用等非转动过流面选用碳钢或高铬钼不锈钢，选用碳钢时泵壳内表面应衬胶防腐，选用不锈钢应做涂层防腐；泵轴等不直接接触海水等非过流部件，可选用碳钢或低合金钢，做表面涂层防腐。储药罐、酸洗箱选用FPR 或PVC 复合材料。阀门选用不锈钢（316 L以上），涂层防腐；或选用碳钢，内衬塑料。

4.6 其他辅助系统防护

起重机与其他干式设备都不直接接触海水，只存在盐雾腐蚀风险。材料推荐碳钢或不锈钢，外表面加防腐涂层。设备基础可选用碳钢Q345，外表防腐涂层。螺栓选用镀锌或镀铝高强度钢，外表防腐涂层。

5 方案成果

综合上述分析，对于海水抽水蓄能电站水力机械辅助系统防腐与防污的方案有以下几点成果总结。

①电站整体防污方案为电解海水防污，制定适当的冲洗计划，对设备及管道进行冲洗，避免生物附着。②从设计时考虑海水与淡水分开设置，降低腐蚀与污损的风险。③辅助系统由于管径较小、埋管数量多，不推荐涂刷防腐与防污涂层，建议选用优质耐腐蚀材料。④重点部位，如泵轴、叶片、密封、换热管等，应根据其工作特性进行选材，制定合理的防腐防污方案。⑤在满足强度、刚度、使用寿命等条件下，优先选择天然耐腐蚀的非金属材料。 □