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船舶供水管路在反渗透水中腐蚀机理分析与改进对策研究

时间:2013-08-17来源:易品期刊网 点击:
一、概述 
  水是生命之源,同时也是船舶维持生命力的基础。H2203船长时间在海上航行,对水的需求十分大。据统计,该船出海平均每天消耗饮用水7吨、洗涤水60吨,按出海30天计算,则需消耗饮用水210吨、洗涤水1800吨,总计2010吨,换算成船舶吃水深度为0.717米。而该船按满载出航最多也只能装载淡水3400吨淡水。如此巨大的消耗如得不到及时的补充,那么船舶的稳性将难以保持。为此,海水淡化作为解决该船出海用水紧张的有效手段,其中尤其以反渗透海水淡化技术的广泛使用作为出海长供水的标志。 
  反渗透水解决了该船出海用水紧张这一局面,但随着使用时间的延长,我们发现反渗透水加剧了船舶供水管路的腐蚀,对船舶的安全构成了一定的安全风险。经过多年的使用发现,反渗透水对船舶镀锌管包括不锈钢管在内的船舶管路都具有很强的腐蚀性。为此,如何有效缓解和消除反渗透水对船舶管路的腐蚀应成为我们研究的重点。 
  二、现状分析 
  H2203船于2006年中修改造期间,加装了第一台20T/D反渗透海水淡化装置。出海使用反渗透水后,最直观的表现就是原本纯洁的水变成了黄色。随着使用时间的延长,我们慢慢发现各供水管路的腐蚀加剧了。据统计,从2007年到2009年三年间,该船各类供水管路出现砂眼的次数呈现逐年增长趋势,管路内壁腐蚀严重。 
  三、机理分析 
  输水管道的腐蚀会导致诸如滋生致病细菌,管道抗压能力下降,易爆裂等问题,而铸铁管的腐蚀问题相对其它新型管材更加严重,使用铸铁管输水会带来“黄水”问题并影响水质。为彻底解决问题,我们首先对腐蚀的机理进行了深入的分析。 
  (一)腐蚀原因 
  1.内部因素:是指钢铁本身的成分、组织、结晶方向、残余应力、表面转化膜等导致的不均一性,这种不均一性使金属内部有不同电位的区域存在,进而形成微电池。 
  2.外部因素:是指与钢铁表面接触的介质溶液,也就是说钢铁腐蚀受到环境的支配,如果环境改变,腐蚀的状态、速度就会发生变化。 
  (二)腐蚀加剧因素 
  研究表明:反渗透水中的含氧量、淡水的流速、水体的pH值、溶解成分等决定着反渗透水对碳钢的腐蚀行为。 
  1.含氧量。水中的含氧量是是造成金属腐蚀的主要原因。含氧量越大腐蚀越快,当含氧量为0.2m/L时具有均匀腐蚀的特征,当含氧量为4~15mg/L时具有局部腐蚀的特征。 
  2.流速的影响。试验表明,流速0~6.2m/s时,存在最大腐蚀失重率的临界流速值。流速小于该临界流速值时,腐蚀失重率随流速增加而增加;大于该临界流速值时,腐蚀失重率随流速的增加反而有所下降。 
  3.pH值。pH值愈小,氢的过电位就愈小,阴极反应就愈易进行。所以金属腐蚀的速度也就愈快。实验表明,当pH<7时,碳钢处于活性溶解状态,发生严重的全面腐蚀;当pH为7.46~8.00时,极化后的试件有许多蚀坑;当pH为9.0~10.0时,碳钢有较好的耐蚀性能,碳钢在pH为9~11的水中有较好的抗腐蚀性能,尤以pH=11为佳。 
  4.溶解成分的影响。水中溶解的阴离子一般多有害,如Cl元素是产生孔腐蚀和应力腐蚀的因素之一,实践表明含氯离子的溶液最易引起点腐蚀。水中溶解的阳离子对碳钢的腐蚀一般影响不大,而Ca2+、Zn2+、Fe2+等离子还有缓蚀作用。 
  四、改进措施 
  根据腐蚀机理及加剧腐蚀的因素,并结合我船实际情况,提出以下改进措施: 
  (一)提高产水的水质稳定性 
  水利部水工金属结构质量检验测试中心于2007年开展了“金属材料及防护涂层在淡水环境中的腐蚀试验研究及应用”项目,该项目研究成果表明:水质环境是金属材料腐蚀的主要因素,而影响水质稳定性的最主要因素是pH值,其最佳值范围在7.0~7.5。常用的水质调整方法有脱碳法和加药法两种。 
  1.脱碳法。相关研究表明,反渗透产水一般都呈酸性,其根本原因是:反渗透膜对水中的溶解性二氧化碳的脱除率几乎为0,导致二氧化碳进入产水中,故反渗透水的酸性强弱取决于二氧化碳含量。反渗透系统产水中的游离二氧化碳含量可以达到15mg/L以上。为此,可考虑增加脱碳装置以脱除二氧化碳。脱碳装置主要是采用机械方法,使含有二氧化碳的水在塔内由上而下形成薄雾状或小水滴,流过填料层,空气则由下而上与水形成逆向接触,根据亨利定律,即利用减少水面上的二氧化碳的分压,来排除水中的二氧化碳气体。经该装置处理后,水中残余二氧化碳含量<510mg/L。一般情况下,装置内装填多面空心球状填料。 
  试验表明,该法操作简单、成本低廉,能有效脱除反渗透产水中的二氧化碳,将PH调整至7.0左右。但在海上动态条件下,因船舶处于不断的摇摆颠簸状态,脱碳装置性能有所下降。 
  2.加药法。通过向反渗透产水投放NaOH、CaCl2或碳酸钠等碱性制剂,也是水处理行业常用的pH值调节方法。本项目中的做法是在反渗透膜后面加装投放装置,利用计量泵不间断地向反渗透水中添加碳酸钠,以调节反渗透出水的pH值。 
  为获取pH值调整时的加药量参数,采用以下实验步骤:将10L的反渗透产水(pH值为5.8)装于容器中,然后向容器中缓慢投加碳酸钠饱和溶液并连续搅拌,同时,用PH计连续监测容器中的pH值,当pH值提高到7.0~7.5之间时,停止投加碳酸钠饱和溶液,记录计量泵投加的流量。最后,根据记录的计量泵流量和反渗透装置的额定产水量,设定好计量泵的工作排量。
为提高系统自动化水平,该船设计了加药量的自动控制系统,。该流量自动控制系统采取的方案是单闭环比值控制,是前馈控制的一种特例,以保持流量比的控制手段,实现保持产水pH值的控制目的。 
  加装产水后处理装置后,系统能根据工况变化,自动向产水管路投放碳酸钠溶液,通过实时调整PH值保证了产水稳定性。 
  (二)优化运管策略 
  1.隔离部分膜组运行。相关研究表明,反渗透海水淡化系统的性能受环境变化(温度、海水盐度等)影响较大:在相同操作压力下,水温每相差1℃,产水量就会有3%左右的波动;水温较高时,离子透过膜的动能增加,系统脱盐率会有所下降;膜系统长期超过35℃运行时,可能会加速膜元件老化速度。与陆用反渗透海水淡化系统不同,船用反渗透系统容易在海区环境转换过程中导致脱盐率和产水量下降。在对进水温度控制比较困难的情况下,项目组采取适当降低回收率的方法来调整系统的运行,在装置原有基础上增设部分膜组的隔离阀,可根据环境变化,调节运行工况,隔离部分膜组降负荷运行,有效保证了产水质量,延长了膜组使用寿命。 
  2.反渗透膜在线清洗。因反渗透膜表面的污染不可避免,当反渗透设备的性能下降(具体表现为产水量下降,产水含盐量上升,膜压差上升)时,即需对反渗透膜进行化学清洗。通过清洗装置的灵活设计,省略了反渗透系统常设的膜组清洗专用泵,以高压泵兼顾清洗泵的功能,实现了反渗透膜的在线清洗功能。设置高压泵进口清洗/工作三通阀,当装置正常制水时,该三通阀打在进水与高压泵连通的位置;当需对反渗透膜进行化学清洗时,将该阀打在清洗箱与高压泵连通的位置,即可对反渗透膜进行循环化学清洗。 
  (三)更换管路管材 
  因镀锌管耐腐蚀性较差,将反渗透造水管路管材更换成铜管(特别是装置出口至造水舱之间的管路),使用具有防腐衬里或耐腐蚀性强的不锈钢管材,可以有效防止反渗透水对金属管的腐蚀。反渗透本体的部分管路使用超双相不锈钢,其他金属管内喷衬聚乙烯,这样可以有效防止反渗透水对管路的腐蚀作用。 
  五、应用推广 
  以上改进措施已在H2203船上有效使用,实践表明以上对策提高了系统可靠性和反渗透造水水质的稳定性,减轻了对供水管系的腐蚀,从而增强了该船长时间海上淡水保障能力。同时,采用水质实时检测技术,改善了水质的酸碱度、硬度,有效的减轻了反渗透造水的腐蚀性,并为反渗透系统在船舶上更好的应用提供了一个新方向。 
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