Ăn mòn và bảo vệ chống ăn mòn bên trong hộp nước biển làm mát trong thiết bị bình ngưng của các nhà máy nhiệt điện

Các nhà máy điện sử dụng turbine hơi (Nhà máy Điện Cà Mau 1 & 2, Nhà máy Nhiệt điện Phú Mỹ 3, Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4…) chủ yếu dùng nước biển làm mát cho thiết bị bình ngưng. Thiết bị này bao gồm: giàn ống titan, giá đỡ ống và hộp chứa nước làm mát chế tạo bằng thép carbon. Bài viết phân tích nguyên nhân, cơ chế ăn mòn bên trong của hộp chứa nước biển làm mát của các nhà máy nhiệt điện, từ đó đề xuất các biện pháp kiểm soát ăn mòn hiệu quả.

PETROVIETNAM TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số 11 - 2018, trang 41 - 46 ISSN-0866-854X ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN BÊN TRONG HỘP NƯỚC BIỂN LÀM MÁT TRONG THIẾT BỊ BÌNH NGƯNG CỦA CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Nguyễn Thị Lê Hiền, Phạm Vũ Dũng Viện Dầu khí Việt Nam Email: hienntl@vpi.pvn.vn Tóm tắt Các nhà máy điện sử dụng turbine (Nhà máy Điện Cà Mau & 2, Nhà máy Nhiệt điện Phú Mỹ 3, Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4…) chủ yếu dùng nước biển làm mát cho thiết bị bình ngưng Thiết bị bao gồm: giàn ống titan, giá đỡ ống hộp chứa nước làm mát chế tạo thép carbon Bài báo phân tích ngun nhân, chế ăn mịn bên hộp chứa nước biển làm mát nhà máy nhiệt điện, từ đề xuất biện pháp kiểm sốt ăn mịn hiệu Từ khóa: Ăn mòn tiếp xúc, hộp nước làm mát, thiết bị bình ngưng, nhà máy nhiệt điện, bảo vệ cathode Mở đầu Trong nhà máy nhiệt điện sử dụng turbine hơi, hệ thống tuần hồn bình ngưng phận quan trọng định hiệu thải nhiệt hiệu chu trình nhiệt Tại bình ngưng, nhiệt sau sinh công ngưng tụ thành nước nhờ trao đổi nhiệt với nước làm mát qua thành ống trao đổi nhiệt Nước làm mát thường lấy từ sơng biển có hàm lượng muối cao, lưu thông hệ thống ống trao đổi nhiệt hộp nước làm mát nhiệt độ cao, nên tốc độ ăn mịn mài mịn lớn Ngồi ra, vật liệu ống trao đổi nhiệt, giá ống vật liệu chế tạo hộp nước thường khác nên dẫn đến tượng ăn mòn tiếp xúc (galvanic) Q trình ăn mịn diễn hệ thống tuần hồn bình ngưng phức tạp theo chế ăn mịn điện hóa dạng ăn mịn cục bộ, khơng có biện pháp chống ăn mịn hiệu q trình ăn mịn xảy nghiêm trọng Việc hư hỏng thiết bị bình ngưng, đường ống dẫn nước làm mát… ăn mòn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu chu trình nhiệt, có nguy dẫn đến phải dừng hoạt động nhà máy điện, gây thiệt hại khó lường kinh tế an ninh lượng Bài báo phân tích nguyên nhân, chế ăn mòn đề xuất biện pháp chống ăn mòn cho hộp nước biển làm mát thiết bị bình ngưng sử dụng giàn ống titan Nguyên nhân chế ăn mòn hộp nước làm mát thiết bị bình ngưng nhà máy nhiệt điện 2.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện sử dụng nguồn lượng nước để quay turbine phát điện (Hình 1) Nước cấp sau xử lý loại bỏ tạp chất gia nhiệt thiết bị nồi (boiler), chuyển từ trạng thái lỏng thành nước nhiệt, nước dẫn tới turbine cho phép quay turbine làm chạy máy phát điện Sau qua turbine, nước dẫn tới thiết bị bình ngưng (condenser) ngưng tụ thành nước Nước lại tuần hoàn quay lại hệ thống nồi để hóa lặp lại chu trình Khác Hơi Turbine Nồi Nước cấp Thiết bị bình ngưng Khơng khí Nước nóng Tháp làm mát Khơng khí Nước ngưng Nước lạnh Bơm Bơm Ngày nhận bài: 21/5/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 21/5 - 29/6/2018 Ngày báo duyệt đăng: 4/10/2018 Không khí vào Bơm Nước làm mát Hình Sơ đồ cơng nghệ chung nhà máy nhiệt�ng ăn mịn, cần khắc phục/ hạn chế chênh lệch điện bề mặt kim loại Phương pháp có khả ngăn cản triệt để chênh lệch điện phương pháp bảo vệ cathode Bảo vệ cathode phương pháp hữu hiệu sử dụng phổ biến giới cho phép bảo vệ chống ăn mòn hiệu cơng trình kim loại môi trường điện ly (môi trường dẫn điện) bảo vệ chống ăn mòn tiếp xúc kim loại khác Bảo vệ cathode phương pháp cung cấp trì cho cơng trình cần bảo vệ dịng điện cathode (dịng mang điện tích âm) đủ lớn, biến tồn cơng trình thành vùng cathode kim loại khơng bị ăn mịn Hai phương pháp bảo vệ cathode sử dụng bảo vệ anode hy sinh và/hoặc bảo vệ cathode sử dụng dòng điện ngồi Bảo vệ chống ăn mịn sử dụng anode hy sinh: Gắn cơng trình cần bảo vệ với kim loại có điện âm Kim loại có điện âm gắn vào cơng trình đóng vai trị anode, bị hòa tan/ăn mòn theo phản ứng (1) cung cấp dịng điện tử mang điện tích âm cho cơng trình kim loại gọi anode hy sinh Cơng trình cần bảo vệ đóng vai trị cathode xảy phản ứng (2) bảo vệ khơng bị ăn mịn Vật liệu chế tạo anode hy sinh sử dụng hiệu môi trường nước biển, nước sơng có độ dẫn/hàm lượng muối cao anode nhôm anode kẽm Bảo vệ chống ăn mịn sử dụng dịng điện ngồi (dịng điện cưỡng bức): Dịng điện cathode cung cấp cho cơng trình cần bảo vệ nguồn điện chiều: Cơng trình cần bảo vệ nối với cực âm nguồn điện anode trơ đặt môi trường điện ly với cơng trình nối với cực dương nguồn điện Điện cực anode trơ chế tạo từ vật liệu bền ăn mịn, có khả dẫn điện tốt khơng bị hịa tan anion chất có khả bị oxy hóa mơi trường xảy phản ứng oxy hóa bề mặt anode Trong môi trường nước biển, anode trơ, chủ yếu xảy phản ứng oxy hóa nước phản ứng (3): Tại vùng anode: 2H2O - 4e → 4H+ + O2 (4) 2H2O + 2e → H2 + 2OH- (5) Tại vùng cathode: O2 + 2H2O + 4e → 4(OH)- (3) Lựa chọn phương pháp bảo vệ sử dụng anode hy sinh hay sử dụng dòng điện ngồi cần có nghiên cứu đánh giá cụ thể hiệu kỹ thuật kinh tế PETROVIETNAM 3.3 Lựa chọn biện pháp chống ăn mòn hiệu cho hộp nước làm mát thiết bị bình ngưng Thơng thường kết hợp sơn phủ bảo vệ cathode biện pháp hữu hiệu sử dụng phổ biến nhằm chống ăn mịn cho cơng trình thép làm việc mơi trường nước biển mơi trường có độ dẫn điện cao Trên sở phân tích nguyên nhân ăn mịn thấy tượng ăn mòn diễn hộp nước chứa nước biển làm mát tất yếu Việc sử dụng lớp phủ có tác dụng ngăn cản tiếp xúc kim loại mơi trường nên có khả giảm hạn chế q trình ăn mịn Theo thời gian, lớp phủ bị mài mòn, hư hỏng dẫn đến kim loại tiếp xúc trực tiếp với môi trường điện ly gây ăn mịn điện hóa, đặc biệt khu vực hộp nước tiếp xúc với giàn ống titan có chênh lệch điện lớn, lúc hệ thống bảo vệ cathode phát huy tác dụng bảo vệ triệt để cơng trình kim loại bảo vệ an toàn Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống bảo vệ cathode chống ăn mòn cho hộp nước thép carbon tiếp xúc với giàn ống trao đổi nhiệt titan môi trường nước biển lưu ý để tránh nguy hình thành hydride titan tượng giịn vật liệu hydro [8, 9] Thông thường màng oxide titan tự nhiên hình thành bề mặt ống trao đổi nhiệt bền cho phép bảo vệ chống ăn mòn titan, sử dụng hệ thống bảo vệ cathode, bề mặt titan có nguy xảy phản ứng khử nước tạo khí hydro, phản ứng (4) Khi khí hydro sinh bề mặt titan với hàm lượng đủ lớn hấp phụ tạo hydride titan có nguy thâm nhập qua lớp oxide vào cấu trúc kim loại titan gây giòn nứt ứng suất vật liệu Do đó, hệ thống bảo vệ cathode chống ăn mòn cho hộp nước tiếp xúc với giàn ống titan, điện giới hạn cho giá giàn ống titan phải khống chế không âm (-0,75V) so với điện cực hydro tiêu chuẩn (tương ứng -1V so với điện cực Ag/AgCl) để tránh hình thành nhiều khí hydro bề mặt titan, gây hư hỏng vật liệu [10, 11] Việc lựa chọn bảo vệ cathode sử dụng anode hy sinh dịng điện cưỡng cần tính tốn thiết kế chi tiết để đảm bảo hiệu bảo vệ chống ăn mịn khơng gây q dẫn đến hư hỏng giàn ống titan Tiêu chí lựa chọn phương pháp bảo vệ anode hy sinh bảo vệ dịng điện ngồi vào phân tích ưu điểm hạn chế Bảng Với khả hoạt động linh hoạt, không giới hạn quy mô dễ dàng kiểm soát điện bảo vệ ngưỡng an tồn, khơng gây nguy hư hỏng giàn ống trao đổi nhiệt điều khiển tự động điện bảo vệ, hệ thống bảo vệ cathode dùng dòng điện thường khuyến cáo sử dụng sử dụng chống ăn mòn cho hộp nước bình ngưng Nhà máy Nhiệt điện Phú Mỹ 3, tổng thầu lắp đặt cho Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 4… Ngoài ra, việc kết hợp lựa chọn loại sơn phủ phù hợp yếu tố quan trọng định hiệu kinh tế hệ thống bảo vệ cathode Sơn sử dụng chống ăn mòn bên hộp nước/đường ống dẫn nước làm mát phải đáp ứng yêu cầu sau: - Độ bền ăn mòn điều kiện vận hành, độ bám dính với tốt; - Tương thích với hệ thống bảo vệ cathode, bền mơi trường kiềm, gây nguy bong tróc lớp phủ điện âm Bảng Ưu điểm hạn chế sử dụng phương pháp bảo vệ cathode sử dụng anode hy sinh dịng điện ngồi chống ăn mịn cho thiết bị bình ngưng Bảo vệ cathode anode hy sinh Ưu điểm: - Không cần nguồn điện; - Đơn giản, dễ lắp đặt, dễ kiểm tra; - Yêu cầu bảo dưỡng thấp; - Đầu tư thấp, hiệu kinh tế cao Hạn chế: - Khó điều khiển điện dịng điện u cầu; - Khơng kiểm sốt điện thế, có nguy khử nước tạo khí hydro gây hư hỏng giàn ống titan; - Khối lượng anode yêu cầu lắp đặt lớn gây cản trở dòng chảy Khắc phục hạn chế: - Thiết kế, lắp đặt anode xa giàn ống titan, hạn chế nguy hư hỏng giịn hydro theo phương trình (4); - Thay anode định kỳ sau lần bảo dưỡng tổng thể Bảo vệ cathode sử dụng dịng điện ngồi Ưu điểm: - Điều chỉnh điện dòng điện phạm vi rộng, linh hoạt; - Hiệu bảo vệ cao, cài đặt kiểm sốt điện tự động, tránh nguy gây hư hỏng ống titan Hạn chế: - Yêu cầu nguồn điện; - Chi phí lắp đặt, kiểm tra bảo dưỡng lớn; - Yêu cầu kiểm tra, đánh giá định kỳ cán có trình độ, đào tạo chun ngành DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 45 CƠNG NGHIỆP ĐIỆN Kết luận Việc sử dụng vật liệu khác với điều kiện vận hành khắc nghiệt (nhiệt độ cao, nước biển có lưu lượng lớn hàm lượng ion clo cao…) ngun nhân gây ăn mịn tiếp xúc ăn mịn xói mịn hộp nước thiết bị bình ngưng Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn kết hợp sơn phủ hệ thống bảo vệ cathode biện pháp hiệu sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp bảo vệ chống ăn mòn sử dụng anode hy sinh dịng điện ngồi cần đánh giá kỹ hiệu kỹ thuật hiệu kinh tế, đảm bảo cho cơng trình hoạt động an toàn Giải pháp lắp đặt hợp lý hệ thống bảo vệ cathode sử dụng dòng điện cưỡng khuyến cáo sử dụng cho phép bảo vệ chống ăn mòn bên hộp nước làm mát thiết bị bình ngưng đường ống dẫn nước làm mát cách hiệu quả, áp dụng thành công cho nhiều nhà máy điện giới Việt Nam, đảm bảo trì thiết bị hoạt động ổn định, lâu dài, tiết kiệm thời gian dừng chờ, sửa chữa hàng năm Tài liệu tham khảo S.C.Stultz, J.B.Kitto Steam: Its generation and use (41st edition) The Babcock & Wilcox Company 2005 Kuppan Thulukkanam Heat exchange handbook (2 edition) CRC Press 2013 nd Thomas C.Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp Standard handbook of powerplant engineering (2nd edition) McGraw-Hill Professional 1997 N.Dobrovitch The use of titanium for condenser tube bundles International Atomic Energy Agency (IAEA) 2002; 35(19) A.W.Peabody Peabody’s control of corrosion (2nd edition) NACE International 2001 pipeline Det Norske Veritas (DNV) Recommended practice DNV RP - B401: Cathodic protection design 2017 BS7361 Cathodic protection - Part1: Code of practice for land and marine apllication BSI 1991 Luciano Lazzari, Marco Ormellese, Mariapia Pedeferri CP test on hydrogen embrittlement of titanium alloy in seawater NACE International 2006 Per Olav Gartland, Frode Bjonas, Ronald W.Schutz Prevention of hydrogen damage of offshore titanium alloy components by cathodic protection systems NACE International 1997 10 BS EN 12499 Internal cathodic protection of metallic structures BSI 2003 11 Alireza Bahadori Cathodic corrosion protection systems: A guide for oil and gas Gulf Professional Publishing 2014 INSIDE CORROSION AND PROTECTION FOR SEA-WATER COOLING BOX IN CONDENSER OF THERMAL POWER PLANTS Nguyen Thi Le Hien, Pham Vu Dung Vietnam Petroleum Institute Email: hienntl@vpi.pvn.vn Summary Steam turbine power plants (Ca Mau and 2, Phu My and Vinh Tan Thermal Power Plants) mostly use seawater to cool their condensers These condensers consist of titanium tubes, tube sheets and carbon steel (CS) water boxes This article analyses the inside corrosion problem of sea-water cooling boxes of thermal power stations, and on that basis proposes effective solutions to control the corrosion Key words: Galvanic corrosion, sea-water cooling box, condenser, thermal power station, cathodic protection 46 DẦU KHÍ - SỐ 11/2018 ... cho phép bảo vệ chống ăn mòn bên hộp nước làm mát thiết bị bình ngưng đường ống dẫn nước làm mát cách hiệu quả, áp dụng thành công cho nhiều nhà máy điện giới Việt Nam, đảm bảo trì thiết bị hoạt... động điện bảo vệ, hệ thống bảo vệ cathode dùng dịng điện ngồi thường khuyến cáo sử dụng sử dụng chống ăn mòn cho hộp nước bình ngưng Nhà máy Nhiệt điện Phú Mỹ 3, tổng thầu lắp đặt cho Nhà máy Nhiệt. .. mịn hộp nước thiết bị bình ngưng Biện pháp bảo vệ chống ăn mòn kết hợp sơn phủ hệ thống bảo vệ cathode biện pháp hiệu sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp bảo vệ chống ăn mòn sử