循环水结垢和腐蚀的机理及其控制

循环水结垢和腐蚀的机理及其控制

张晓彤

中国石油天然气股份有限公司华北石化公司质检计量部 河北任丘 062550

摘要：循环水系统的建立和发展虽然能够有效地促进水的循环利用，但是在运行过程中会由于一些物质的出现而导致结垢和腐蚀现象。本文将首先探究循环水结垢和腐蚀的机理，然后再通过循环水中出现的现象来判断循环水中是否出现结垢以及腐蚀现象，从而采取措施去进行控制，延长设备的寿命，保证循环水系统的正常运行。

关键词：循环水；结垢和腐蚀；机理；控制

引言：

在循环水系统中，水垢形成的主要原因是由于循环水中含有化学物质碳酸钙，这种物质具有易沉聚的化学性质，因此在循环水中容易产生结垢；另外，当水垢逐渐向溶解方向发展时，就会具有一定的腐蚀性，从而破环管道壁等物质，对设备造成一定程度上的危害，从而缩短了设备的使用寿命，影响了循环水系统的工作。

一、循环水结垢和腐蚀的机理

我们要想解决循环水中的结垢和腐蚀问题，就需要对其产生的机理进行分析，从而才能寻找到相应的控制方法。循环水在工作过程中会存在众多自来水或者海水中原有的物质，其中多为溶解盐类，换言之就是我们看见的水垢，这些物质由于是固体形态且具有一定的黏着性，因此极易附着在设备或者管道内壁上^[1]。在循环水的工作过程中同样还会出现腐蚀现象，造成设备的使用寿命缩短，影响了系统的正常运行，因此，我们要分析水垢和腐蚀现象的机理。

1. 水垢

循环水中经常会出现一些杂质，例如，碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐、磷酸盐等，而这些杂质中含有的酸根离子极易和其他离子结合，形成具有沉淀性质的聚集物，就像CO₃²⁺和Ca²⁺结合时，就会形成CaCO₃，而这是一种沉淀物质，也是我们日常见到的水垢的组成部分之一。另外，它们还能在以下几种情况时形成水垢。

（1）蒸发浓缩

在循环水系统的工作过程中，由于其机制是需要水分被不断地蒸发然后浓缩，在水分蒸发的过程中，就会使得水中的盐类物质浓度增高，当浓度上升到其水中饱和度时，就会析出一些固体物质，就是我们研究的水垢。

（2）水中CO₂的缺失

在水中，CO₃²⁺和HCO₃^-两种离子存在一定的平衡关系，而它们所能构成的盐类物质之间则存在一定的水解平衡关系：CaCO₃+CO₂+H₂OCa(HCO₃)₂

由于循环水在冷却或者蒸发过程中，其中的二氧化碳极容易散失，根据平衡原理可知，平衡的方向就会逆向移动，从而产生了大量的CaCO₃。根据CaCO₃和Ca(HCO₃)₂和溶解度可知，碳酸钙容易形成沉淀物质，因此，就生成了水垢。

（3）水体的温度升高

在循环水系统的工作过程中，难免会出现水温升高的情况。多数盐类物质的溶解度与温度呈反比关系，往往水温升高时，盐类物质在水中的溶解度反而会降低，从而造成水垢的出现。

（4）水中其他化学反应产生的难溶物质

由于循环水多为自来水或者海水，其中存在着大量的杂质，在循环水系统的工作过程中，这些物质有时会发生化学反应，有些化学反应会生成难溶物质，从而形成水垢，例如，Ag⁺+Cl^-=AgCl。

总而言之，水中的许多物质之间都存在着某种平衡关系，它们之间一旦发生反应，就会产生沉淀或者难溶物质，从而形成水垢，对设备工作造成影响。

2. 腐蚀

在循环水的工作过程中，其中设备表面的金属会同水中的离子发生反应，从而使得金属物质转化为水中的金属离子，对设备表面造成了腐蚀。

（1）电化学腐蚀

我们看到的金属是加工过后的样子，人眼看起来是十分平整的，但是从原子或者分子角度来看，金属表面还是会存在不均匀的现象^[2]。正式由于这些细微的高度差，就会产生电位差，在金属表面形成两个电极，从而使得金属本体和水成为了一个原电池。

由于形成电位差的原因众多，例如，金属表面温度不均匀、溶液浓度的不均匀等因素均会导致电极的形成，因此，对于循环水系统来说，内部普遍都存在着电化学腐蚀的现象。溶液中存在的水和氧气能够加速化学反应的进行，从而使得腐蚀现象更严重，另外也由于水本身就具有良好的导电性，所以就加快了腐蚀的进程。

（2）微生物腐蚀

由于循环水并非是纯净水，所以，其中会多多少少含有一定数量的微生物，微生物也可以参与到腐蚀的过程中。

1.微生物中有一种菌类，它们由于自身结构的原因，喜欢生活在氧气稀少的地方，我们称之为厌氧菌，它们会参与到电化学腐蚀的过程中。

在阳极：４ＦｅＦｅ^2＋+３Ｆｅ²⁺+８ｅ^-

在阴极：８Ｈ_２Ｏ８Ｈ⁺＋8（ＯＨ）^-８Ｈ⁺＋８ｅ^-８Ｈ

2.一些微生物在水中会进行新陈代谢，在代谢过程中会产生一些酸性物质，对设备的表面造成了腐蚀，例如，含有硫酸根的物质就具有较强的腐蚀性。

二、循环水系统结垢和腐蚀的控制

（一）循环水中水垢的控制

目前，我们根据水垢的形成机理，能够大致总结出三种控制水垢产生的方法，原理主要是降低水中碳酸盐离子的浓度、控制温度的变化以及改变平衡方向等，具体如下：

（1）在循环水中加入阻垢剂

阻垢剂，顾名思义，阻碍水垢产生的试剂。阻垢剂的原理主要是打破水垢晶粒的排列顺序，破坏晶体的结构，从而到达除垢的作用^[3]。阻垢剂的类型主要有两种：1.分散剂，例如磷酸酯、聚磷酸钠等；2.整合剂：例如亚氨基二乙酸盐等。

（2）降低循环水中碳酸盐的浓度

水垢的形成正式由于水中碳酸盐的浓度过高，因此，我们需要降低其浓度，从根源上降低水垢的产生量。方法多为降低水中盐的浓度、离子交换以及加入石灰等方法，以此来去除水中存在的Ca²⁺。

3. 腐蚀控制

腐蚀现象普遍存在，因此，我们需要采取措施对腐蚀现象进行控制。在其中一般会采取三种方法。第一，借助热力来降低氧气的含量：氧气含量的降低能够有效地控制水中水解反应和电极反应的发生，从而能够减轻腐蚀程度。第二，投入缓蚀剂：缓蚀剂的投入能够有效地阻止电极反应的发生，通过控制pH值来控制反应，同时缓蚀剂也能够与水中阳离子结合形成带正电的胶体，从而在金属表面形成一层膜，阻止电子的靠近^[4]。第三，在金属表面涂刷漆料：许多工厂都采用给金属表面涂漆的方法来降低反应对金属的腐蚀程度，使金属和水溶液隔开来，对控制腐蚀起到了良好的作用。

三、结束语

随着循环水系统的不断发展，我们在应用它的同时，也不要忘记关注其中存在的问题。通过了解水垢和腐蚀现象产生的机理，将理论和实际情况相结合，从而制定出合适的方法来控制水垢产生的速率以及腐蚀发生的速度。在日常工作中，相关人员就要控制水中碳酸盐的浓度，同时及时对循环水进行排氧和补充二氧化碳的工作，以保证水中的平衡不会受到影响，从而产生沉淀物。再者，在购买设备时，就应当选择表面涂漆的机械，从而能够省去为设备上漆的步骤，同时也能够保证金属和水溶液之间被隔开，使得循环水系统持续运行。

参考文献：

[1]赵明, 李艳荣. 循环水结垢和腐蚀的机理及其控制[J]. 油气储运, 1998(02):32-35+68+5.

[2]刘 博. 循环水结垢和腐蚀的机理及其控制[J]. 建筑工程技术与设计, 2018, 000(019):2961.

[3]郭苗. 中小型热电厂循环水结垢和腐蚀的机理及控制[J]. 卷宗, 2013, 000(011):282-282.

[4]赵明, 李艳荣. 循环水结垢和腐蚀的判别及控制[J]. 油气田地面工程, 1997.