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 抽水蓄能技术是目前应用最广泛的大规模储能技术之一。抽水蓄能电站具有启动快、效率高、运行灵活等特点,在电网运行和电力供应中起到调峰填谷、调频、调相等功能,对整个电力系统运行及能源结构调整有着特殊贡献。传统抽水蓄能电站利用淡水运行,对淡水资源依赖很大,需要依江河湖泊建设。而且抽水蓄能系统建设需要特殊的地理条件,选址困难,需建造水库、厂房和水坝,前期工程费用巨大且周期长,甚至会对周围生态环境造成破坏。

 

    我国拥有广阔的海岸线,海水资源丰富,开发和利用海水资源是目前很重要的任务之一,所以海水抽水蓄能电站具有广阔的发展前景。沿海地区经济发达,电力系统峰谷差更为严重,开发新能源和可再生能源(核能、太阳能、风能等) 急需储能技术。而且在目前淡水资源极度短缺的情况下,研究和开发海水抽水蓄能发电具有一定的前瞻性和需求性。海水抽水蓄能电站与传统淡水抽水蓄能电站相比,具有选址方便、不需建设下库、水量充足、水位变化幅度小、有利于水泵水轮机稳定运行等优势;同时海水抽水蓄能电站可以建在火电、核电、海上风电等大型电源点附近或电力需求相对较大的沿海负荷中心附近,降低了输电成本;也可以建在远离能源基地、淡水资源匮乏的沿海地区和岛屿上,有利于电力系统灵活调峰,对于能源结构的优化调整具有重要作用。

 

    海水抽水蓄能电站虽具有很多优点,但海洋环境复杂多变,十分特殊,海水抽水蓄能电站同时也面临着海水腐蚀、生物污损、海浪侵袭等问题。因此,研究和解决海水抽水蓄能电站的金属腐蚀和选材问题具有重大现实意义。现阶段,国内外研究人员对海水抽水蓄能存在的选址、施工、运行、维护等问题进行了大量的研究。日本[10]建造了世界首座海水抽水蓄能电站,对海水抽水蓄能电站的选材和防腐进行了研究,近年来美国、爱尔兰、葡萄牙、希腊、印度尼西亚、沙特阿拉伯等国也开展了相应的研究工作,我国也逐渐开展了对海水抽水蓄能电站的研究。由于海水抽水蓄能电站技术属于前瞻研究,目前国内外专家学者对海水抽水蓄能电站金属腐蚀和选材问题的研究很少。本文结合前人对抽水蓄能电站和海水腐蚀的相关研究,就海水抽水蓄能电站的金属腐蚀和选材问题进行综合分析。

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    1 海水抽水蓄能电站运行工况下的腐蚀影响因素

 

    近年来,世界各国极为重视对海洋的开发和利用,在沿海地区的工矿企业也常直接使用海水作为工业水源。海水成分极为复杂,是高腐蚀性的天然电解质,所以与海水直接接触的金属材料都会在海水环境中发生消耗或破坏。海水抽水蓄能电站直接使用海水作为水源,采用高水头以达到高效率低水耗,其设备也同样承受着高压高速海水的腐蚀。

 

    海水抽水蓄能机组主要有停机稳态、发电、抽水、发电调相、抽水调相5 种运行工况。海水抽水蓄能机组处于停机稳态工况时,海水中的附着生物更易附着在电站压力管道、水泵水轮机机组、尾水隧洞的内壁上,对金属材料造成生物污损;海水携带的泥沙沉积在水泵水轮机机组的底部,在金属的表面容易发生点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。海水抽水蓄能电站处于发电和抽水工况时,抽水蓄能机组由空载状态变为满载状态,电站的压力管道、蜗壳、尾水管道等部位受到高流速海水的冲击作用,金属材料产生磨损腐蚀,腐蚀速率急剧增加;同时电站工作压力的增加也会加剧金属结构在海水中的腐蚀。海水抽水蓄能电站处于发电调相和抽水调相工况时,金属结构的外部容易产生拉伸应力,应力腐蚀敏感的金属在工作应力、工作温度和海水共同作用下易发生应力腐蚀破裂;在周期应力持续作用下,电站的管道和振动部位如导叶、泵轴、拦污栅等都易发生腐蚀疲劳。海水抽水蓄能电站运行工况下的金属腐蚀问题十分严重,腐蚀过程复杂多变,海水中含有的盐类、溶解气体、海生物及其他物理因素综合影响着金属材料在海水抽水蓄能电站中的腐蚀行为。

 

    1.1 盐度

 

    海水含盐量高,在32%~38%之间,盐度随着深度的增加而递增,但变化非常小。海水中的Cl-等卤素离子能够阻碍和破坏金属的钝化,使腐蚀速率加快。其作用包括破坏钝化膜、吸附作用、络合作用和电场效应,都能减少阳极极化阻滞,造成海水对金属的高腐蚀性。蒋志国等通过直读光谱仪、光学显微镜、扫描电镜(SEM) 和X射线衍射仪(XRD) 对泄露失效的304 不锈钢管道的化学成分、显微组织、腐蚀形貌及腐蚀产物进行了分析,结果表明:该管道失效的主要原因是Cl-浓缩所造成的点蚀穿孔。海水抽水蓄能电站运行工况下,易钝化金属的氧化膜由于Cl-的存在而遭到局部破坏,在金属的表面发生严重的点蚀和缝隙腐蚀,影响金属材料的使用寿命。

 

    1.2 含氧量

 

秒速飞艇网址     海水的含氧量是影响海水腐蚀的重要因素,绝大多数金属和合金在海水中的腐蚀都是氧去极化过程。海水的含氧量越高,氧扩散到金属表面的含量及氧的阴极去极化速率增加,导致金属的腐蚀速率加快。解利昕等[21]利用动电位极化扫描和电化学阻抗测试等实验方法,研究了海水溶解氧浓度对铝合金腐蚀行为的影响。结果表明:随着海水溶解氧浓度的提高,铝合金的腐蚀电位负移,钝化膜电阻、电荷转移电阻均减小,腐蚀电流密度升高。海水抽水蓄能电站运行工况下,海水的溶解氧含量高,扩散快,从而使金属的腐蚀速率加快。

 

    1.3 温度

 

    海水温度也是影响材料在海水中腐蚀行为的一个重要因素。海水温度上升,腐蚀加速,温度升高同时也会使氧在海水中的溶解度降低,腐蚀减轻。廖柯熹等采用电化学方法研究了温度对X65 管线钢在模拟海水环境中腐蚀行为的影响,结果表明:随温度升高,腐蚀电流密度增大,但增加幅度逐渐减小;到临界温度时,腐蚀电流密度最大,然后腐蚀电流密度随温度的继续升高而降低。海水抽水蓄能电站的工作温度基本与海水温度一致,海水温度的升高和降低都将影响电站金属结构的腐蚀速率,在电站的某些部位工作温度较高,金属的腐蚀也较严重。

 

    1.4 流速

 

    海水流速对材料的腐蚀也有一定影响,很多金属材料对海水的流速较为敏感。海水抽水蓄能电站的海水常常处于高流速状态,加剧了金属的腐蚀。 对于碳钢、低合金钢等难钝化材料,高流速的海水会加速溶解氧的运输,加快溶解氧向阴极的扩散速率,增加金属的腐蚀速率;而且由于流动海水的冲刷作用使金属表面的锈层难以堆积,金属不断露出新鲜表面而继续腐蚀。对于不锈钢、钛合金、铜合金等易钝化的金属,一定流速的海水能促进金属表面钝化膜的生成而腐蚀较轻,但是超过临界流速的海水会加速腐蚀。在海水抽水蓄能电站运行工况下,金属受到电化学与机械力的双重作用,发生磨损腐蚀、冲击腐蚀和空泡腐蚀等局部腐蚀,使腐蚀速率急剧增加。

 

    1.5 海洋生物

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    海洋环境中存在多种海生物和微生物,它们附着于船底、海水管道及其他工程材料表面,影响材料在海水中的腐蚀行为。在海水中的材料常受到生物污损和微生物腐蚀的破坏。海生物常常附着在船底、海水管道及海工设施材料的表面,附着的海生物在材料表面形成完整致密的覆盖层,对金属结构会有一定的保护作用。但是海生物的附着并非是完整均匀的,污损生物虽然会阻止氧的扩散,降低均匀腐蚀速率,但是材料内外会形成氧浓差电池,造成局部腐蚀,如缝隙腐蚀等;附着层内部形成缺氧环境,也会促进硫酸盐还原菌等厌氧性微生物的腐蚀破坏作用[24]。海水抽水蓄能电站运行工况下,海洋生物随着海水进入电站内部,附着在拦污栅、机组内壁、管道内壁上,造成生物污损,影响机组的正常运行,甚至会影响整个海水抽水蓄能电站的稳定运行。

 

 

    2 海水抽水蓄能电站运行工况下金属的腐蚀

 

    材料在海水抽水蓄能电站运行工况下不仅会发生均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀,还会产生海水冲刷腐蚀以及承受高静水压力带来的应力腐蚀等。所以研究海水抽水蓄能电站运行工况下材料的腐蚀状况和腐蚀机理,可以综合评价材料在海水蓄能电站运行工况下的耐蚀性能,对解决海水抽水蓄能电站结构的腐蚀和选材问题具有实际参考价值。

 

    2.1 海水抽水蓄能电站金属腐蚀的实验方法

 

    海水抽水蓄能电站的运行环境十分苛刻,虽然将待测的金属材料制成的设备放在现场实际运行工况下进行腐蚀实验能够比较全面、准确地提供金属在实际使用中的耐蚀性和腐蚀行为,但是实验周期长,前期投入费用大,进行重复实验难度大。所以可以通过实验室实验和实海实验来进行金属在海水抽水蓄能电站运行工况下的腐蚀研究。

 

    2.1.1 实验室实验

 

    实验室实验是指在实验室内有目的地将制备的小型金属试样放在模拟的海水抽水蓄能运行环境中进行腐蚀实验,可以采用极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)、电化学噪声(EN) 和循环极化曲线等电化学测试技术准确测试金属的腐蚀速率,并通过光学显微镜、SEM、透射电镜(TEM)、场指纹法(FSM)、XRD和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段观察腐蚀前后金属表面的微观结构变化。还可以通过数值模拟计算与实际研究相结合的方法,建立海水抽水蓄能电站不同运行工况下的流体腐蚀动力学模型;并结合模拟腐蚀实验,研究金属在海水抽水蓄能电站运行环境中的腐蚀机理。通过上述实验研究,可对金属在海水抽水蓄能电站运行工况下的腐蚀规律和机理进行综合性分析,预测海水抽水蓄能电站金属结构在长期服役期间的腐蚀行为。但是实验室实验不能完全模拟海水抽水蓄能电站的运行环境,可以在进行实验室实验的同时,开展实海实验。

 

    2.1.2 实海实验

 

    实海实验是指将专门制备的金属试片置于现场实际应用的海水环境中进行腐蚀实验。实海实验结果可靠,实验操作简单。但是实海实验周期较长,试片与实际金属结构状态也存在较大差异,实验的可靠性较差。因此,想要得到更真实、可靠的数据,可以将实验室实验与实海实验相结合,同时体现二者的优势。

 

    2.2 海水抽水蓄能电站金属材料的腐蚀机理

 

    对于海水抽水蓄能电站金属材料的腐蚀问题,日本已有一定的研究成果,其他国家也正在积极地进行研究,但是至今尚无公开发表的文献。海水抽水蓄能电站的运行环境十分复杂,不同的海域对金属的腐蚀也不尽相同,材料的不同组成和结构也使其腐蚀性能不同。在此介绍金属材料在海洋环境中常见的腐蚀类型及其机理,并介绍海水抽水蓄能电站主要结构在电站运行工况下会出现的腐蚀问题。

 

    2.2.1 点蚀

 

    金属材料在某些环境介质中,经过一定时间后,在金属表面极为局部的区域内出现向纵深发展的腐蚀小孔,而其余大部分表面不腐蚀或腐蚀轻微,这种腐蚀称为孔蚀,也称点蚀。

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    Vazdirvanidis 等通过光学显微镜、SEM 和能量色散X射线能谱法(EDS) 分析循环冷却不锈钢水泵的失效机制。结果表明:点蚀是造成不锈钢水泵部件失效的主要机制;当温度超过一定范围时,介质中存在氯化物和硫酸盐将会参与到金属腐蚀的电化学反应中,加速腐蚀进程,从而加剧点蚀的发生。证明氯化物和硫酸盐会促进点蚀的发生。Li 等通过电化学测试和表面分析技术研究了一种腐蚀性海洋细菌绿脓杆菌对S32654 超级奥氏体不锈钢腐蚀行为的影响。结果表明:绿脓杆菌生物膜促进了不锈钢的腐蚀速率,不锈钢在绿脓杆菌环境中产生点蚀的深度比其在非生物环境中的点蚀深度要深得多。其原因是绿脓杆菌生物膜促进了不稳定化合物CrO3的生成,从而加速钝化膜的破坏,导致严重的麻点腐蚀。

 

    不锈钢和镍合金等材料依赖于其表面的保护性钝化膜而腐蚀轻微,但是在海水抽水蓄能电站运行工况下这层耐蚀性薄膜特别容易受到局部破坏,如Cl-、附着生物能够穿透钝化膜,高速海水的冲刷和水锤压力的冲击都能破除钝化膜,使金属结构发生孔蚀并发展。在海水抽水蓄能电站运行的过程中,压力管道、拦污栅、水泵水轮机、闸门等金属结构不可避免地会发生点蚀。

 

    2.2.2 缝隙腐蚀

 

    当金属表面存在异物或结构上存在缝隙时,由于缝内溶液中有关物质迁移困难所引起缝隙内金属的腐蚀,总称为缝隙腐蚀。Machuca 等研究了在30 ℃的海水环境中O2和生物膜对UNS S31803 不锈钢和UNS N08825 镍合金缝隙腐蚀的影响,结果表明两种材料在无氧条件下的缝隙腐蚀比暴露在空气中的腐蚀要严重的多,生物膜只有在金属表面存在阳极溶解时才会促进缝隙腐蚀,生物膜对缝隙腐蚀的影响受到O的制约,在厌氧条件下生物膜将会严重加剧缝隙腐蚀。含氧量和生物膜是影响缝隙腐蚀的重要因素。Zhang 等[28]利用微电极原位测量技术和EN技术研究5083 和6061铝合金在3.5%(质量分数)NaCl 溶液中的缝隙腐蚀行为,结果表明5083 铝合金的缝隙腐蚀与Cl-的聚集和缝隙内溶液酸化有关,自催化加速腐蚀;而6061铝合金因合金成分的电位差构成微电偶发生点蚀。

 

    在海水抽水蓄能系统中,海生物附着在压力管道、水泵水轮机、尾水隧洞等金属部位时,与金属表面之间形成缝隙;在电站的螺栓结合处和金属与非金属的接触处,也会形成缝隙。几乎所有的腐蚀性介质都可能引起金属缝隙腐蚀,在Cl-等活性离子丰富的海水环境中最容易引起该类腐蚀。

 

    2.2.3 应力腐蚀

 

    应力腐蚀是金属结构在拉应力和特定的化学介质的持续作用下产生的脆断现象,不论是韧性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀断裂。超过临界值的拉应力和腐蚀介质共同作用在金属上产生裂纹,随着作用时间的延长,裂纹逐渐扩展,当应力腐蚀开裂扩展至某一深度时,材料就会因此断裂,甚至有的材料可以在不发生任何形变的情况下断裂,对结构的危害性极大。

 

    Al-Nabulsi 等用实时荧光定量核酸扩增检测系统(qPCR)、SEM和EDS 来研究C86300 铜合金在海洋中应力腐蚀失效的机制。结果表明,C86300铜合金的环境裂纹是由硝酸盐还原菌代谢产生的氨引起的,在氨气环境下,金属表面的局部腐蚀造成应力集中,是金属应力腐蚀开裂的起始点。Yang 等模拟深海环境,研究静水压力对X70 管线钢应力腐蚀行为的影响并对应力腐蚀开裂的机理进行分析。

 

    结果表明,静水压力和H+浓度的升高都会使应力腐蚀开裂的阈值压力降低,从而促进应力腐蚀开裂,静水压力促进了麻点的生成从而引发了应力腐蚀断裂的微裂纹;静水压力会使金属裂纹中氢浓度增加,促进腐蚀。表明阳极溶解和氢诱导开裂是深海环境下材料应力腐蚀开裂的主要原因。在海水抽水蓄能电站运行工况下,工作温度、工作介质和残余应力共同作用,使金属结构的抗应力腐蚀开裂能力大大降低,容易发生应力腐蚀。

 

    2.2.4 磨损腐蚀

 

    磨损腐蚀是由物理、力学、化学和电化学综合作用而产生的破环。磨损腐蚀会对海水抽水蓄能电站的金属材料造成严重的破坏,金属表面的腐蚀产物在摩擦过程中被剥离,暴露出的新的金属面又发生新的化学反应,腐蚀和磨损交替出现而使材料损失。磨损腐蚀的过程十分复杂,介质流速、颗粒物大小、冲刷角、材料自身的组成及结构都影响其腐蚀速率。海水抽水蓄能电站材料长期处于高压高流速的海水中,在泵体、叶轮、阀的过流部件、管道内壁面及拦污栅处最容易受到磨损腐蚀,其中以电站运行过程中出现的双相流造成的腐蚀磨损破坏最为严重。在海水抽水蓄能电站中磨损腐蚀可分为冲击腐蚀和空泡腐蚀。

 

    海水抽水蓄能电站运行工况下,高压高流速的海水中可能会携带大量的悬浮固体物质,对金属结构突出部位的冲击作用会加剧腐蚀过程,形成冲击腐蚀。在拦污栅的栅条、泵的出口处、水轮机的叶片和压力管道的弯管部位常发生这种现象。海水在高速流动中,由于气泡的产生和破灭,对所接触的金属结构产生水锤作用,其瞬间压力可达数千大气压,能将材料表面的腐蚀产物保护膜和衬里破除,使之不断暴露新鲜表面而造成空泡腐蚀。在水泵水轮机的叶片部位最易发生空泡腐蚀,造成叶片碎裂失效。

 

    对于防止磨损腐蚀最有效的方法之一就是选用抗冲刷腐蚀能力较好的金属,通过合理提高合金中Mo,Ni 和Cr 等元素的含量,增强金属表面的钝化能力,形成更稳定的钝化膜,从而改善材料在海水中的抗磨损腐蚀的能力。

 

    2.2.5 腐蚀疲劳

 

秒速飞艇网址     腐蚀疲劳是指在介质的腐蚀作用和交变循环应力作用下金属材料发生开裂或断裂而过早破损的现象。海水抽水蓄能电站的压力管道、拦污栅和一些振动部件都容易发生腐蚀疲劳。

 

    在腐蚀环境和交变应力的共同作用下,腐蚀疲劳损伤达到临界值,开始萌生裂纹,腐蚀疲劳裂纹最易发生在能产生孔蚀的环境中,孔蚀起到了应力集中的作用。然后腐蚀疲劳裂纹在腐蚀损伤和机械损伤的相互促进下开始扩展,周期应力使钝化膜反复局部破裂,裂口处裸露金属遭受不断腐蚀,两种损伤相互促进直至结构断裂。

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    与应力腐蚀破裂不同的是,腐蚀疲劳对腐蚀环境没有选择性,氧含量、温度、pH值和溶液成分都影响腐蚀疲劳,阳极溶解会加快腐蚀疲劳,阴极极化会减缓腐蚀疲劳。

 

    3 海水抽水蓄能电站的选材

 

    由于海水抽水蓄能电站以高压、高流速的海水作为工作介质,海水腐蚀、生物污损等问题会使金属结构物发生早期破坏,甚至引起重大事故,电站的结构材料都有不同于一般抽水蓄能电站的特殊要求。

 

    海水抽水蓄能电站的选材应从材料的力学性能、耐蚀性能、成本和维护等方面综合考虑,采用金属、非金属和复合材料等广泛应用于海工设施的耐蚀材料作为电站重要结构的备选材料。国内外学者对耐蚀材料在不同海洋环境下的腐蚀进行了较多的研究工作。了解各种耐蚀材料及其在海洋环境中的耐蚀性对海水抽水蓄能电站的选材具有重要参考价值。

 

    3.1 碳钢和低合金钢

 

    海洋工程中使用的金属材料80%以上是碳钢和普通的低合金钢,因为这些材料价格低廉,使用方便,加工性能好。碳钢和低合金钢的强度、韧性、耐蚀性能较好,适用于作为压力管道、海水泵、阀的材料。碳钢和低合金钢在海洋环境中的腐蚀形式主要表现为均匀腐蚀,但是随着服役时间的延长,钢铁会发生局部腐蚀。尤其是海水抽水蓄能电站的碳钢和低合金钢设备处于高压、高流速的海水环境中,局部腐蚀更为严重。研究显示,碳钢和低碳钢的管道在海水中容易产生坑蚀,其腐蚀速率远远大于均匀腐蚀速率,而且管道中微生物的附着会加速腐蚀,造成管道的破坏失效。在碳钢和低合金钢的锈层中存在裂纹和缝隙,形成缺氧层,裂纹中的基体金属将作为阳极发生缝隙腐蚀。研究表明,碳钢和低合金钢在海水中存在明显的应力腐蚀倾向,抗应力腐蚀开裂的能力很差。碳钢和低合金钢在海水中使用必须要采用一定的防腐措施,实际工程应用中显示电化学阴极保护与涂覆防腐涂层联用可有效防止均匀腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等,提高碳钢和低合金钢在海水中的使用年限。综合考虑碳钢和低合金钢的力学性能、耐蚀性能、成本和维护费用等,碳钢和低合金钢可用于海水抽水蓄能电站的压力管道和蜗壳部位。

 

    3.2 不锈钢

 

    目前不锈钢主要应用于海洋工程中的海水泵、水轮机叶片、压力管道、阀门、螺栓等。不锈钢是易钝化金属,在海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区的耐蚀性较好。不锈钢在浪花飞溅区常被充气海水、海雾所润湿,并且干湿交替频繁,有利于不锈钢保持钝态而产生轻微腐蚀。但是在浪花飞溅区有浪花飞溅、海浪冲击,盐粒子沉积在不锈钢表面能引起不锈钢的点蚀破坏,有缝隙存在时也容易产生缝隙腐蚀。在海洋潮差区的不锈钢表面也是干湿交替频繁且海水是充分溶氧的,也有利于不锈钢保持钝态,腐蚀速率相对全浸区也较小。但是在潮差区,不锈钢表面容易受到藤壶、牡蛎等海生物污损而引起缝隙腐蚀。不锈钢在全浸区的整体腐蚀速率也较低,其主要腐蚀特征是局部腐蚀,易造成不锈钢严重破坏。由于Cl-的存在,表面钝化膜被破坏而形成孔蚀,并且也会因微生物的附着而发生缝隙腐蚀。

 

    Sidelle 等分析了运输石油和天然气的超级双相不锈钢管道的过早失效问题,认为孔蚀是造成管道失效的主要原因。海水抽水蓄能电站机组的关键部位如水轮机的转轮和叶片、水泵等所处的工作环境苛刻,容易发生点蚀、磨损腐蚀和缝隙腐蚀,需要采用耐蚀性能优异的不锈钢材料。

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    3.3 有色金属及其合金

 

秒速飞艇网址     海洋工程中常用的有色金属及其合金材料主要包括Ti 与钛合金、Cu 与铜合金以及铝合金,它们在海洋环境中都具有良好的耐腐蚀性,可应用于海水抽水蓄能电站的水轮机叶片、水泵、阀门、换热器和拦污栅等部位。其中Ti 和钛合金是海洋工程中耐腐蚀性最好的材料之一,Ti 及钛合金在常温海洋环境中耐点蚀和耐缝隙腐蚀的性能是最好的,在流动海水中的腐蚀速率也很低。所以Ti 及钛合金广泛应用于深潜器耐压球壳、输送管道、海水泵、换热器、阀门等结构。Ti 及钛合金在使用时与其它金属(碳钢、不锈钢、Cu等) 偶接时会造成其它金属产生严重的电偶腐蚀。Du 等[39]采用EIS、EN 和SEM 研究了Cu 和Cu/Ti 电偶在海水中的腐蚀行为。结果表明:Cu 与Ti 之间的电位差使Cu 的腐蚀初始驱动力增大,加速Cu 的腐蚀和点蚀。研究显示,Ti 常常作为腐蚀电偶对的阴极,H可能在其表面析出而造成氢脆破坏。Ti 及钛合金是一种极易吸氢的材料,少量吸氢即可导致钛材脆化或开裂,氢脆是导致钛设备失效的主要原因。

 

    Cu与铜合金具有良好的力学性能、可成型性和导热性,同时在海洋环境中具有优良的耐点蚀、缝隙腐蚀和生物污损的性能,因此在海洋环境中有广泛的应用。海水冷凝管、海水管道、叶轮、海水泵、阀门等关键部位会采用铜材料。黄桂桥研究了12 种铜合金在青岛海域飞溅区暴露16 a 的腐蚀行为和规律,结果表明:Cu与铜合金在海水中呈现均匀腐蚀的特征,在海洋大气区和飞溅区腐蚀最轻,潮差区居中,全浸区最重。Cu与铜合金在海水中长期暴露会产生点蚀和缝隙腐蚀,也会发生成分选择性腐蚀,高锌黄铜有脱锌腐蚀敏感性,同时也易产生应力腐蚀,增大开裂倾向;白铜有脱镍腐蚀敏感性。在海洋环境下服役的铜合金热交换管常会因局部腐蚀而失效。

 

    铝合金在海洋环境中以局部腐蚀为主,常常因点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀或应力腐蚀等受到破坏。铝合金在海洋大气区腐蚀最轻;在飞溅区的腐蚀比大气区严重一些,而且易发生缝隙腐蚀;铝合金在潮差区的整体腐蚀速率比全浸区的低,但是在潮差区点蚀最严重;铝合金在全浸区腐蚀最重,年平均腐蚀速率会随着暴露时间的增加而逐渐下降。Al-Zn-Mg系耐蚀铝合金被认为是最耐海水腐蚀的,常应用于海水冷凝器材料。

 

    3.4 非金属与复合材料

 

    非金属与复合材料具有耐蚀性好、质量轻、强度高、抗疲劳性好、综合成本低等特点,因此,在海洋环境中得到越来越广泛的应用。海水抽水蓄能电站的一些部位可采用钢筋混凝土、玻璃钢和陶瓷材料。

 

    钢筋混凝土成本低,强度好,并有一定的耐蚀性,广泛应用于海洋建筑,海水抽水蓄能电站的尾水隧洞和进/出水口可采用钢筋混凝土材料。但由于长期处于海水、海浪等海洋环境下,钢筋混凝土的耐久性会有很大的减弱。研究表明,钢筋混凝土结构在海洋环境下破坏的主要原因有:钢筋锈蚀,寒冷气候下混凝土冻害,侵蚀环境下混凝土腐蚀,混凝土在结晶压力下的破坏,混凝土的冲击、磨损破坏,海洋微生物作用下的破坏。在电站运行工况下,要对钢筋表面进行防腐处理和电化学保护,在混凝土的表面也要进行防腐处理,提高钢筋混凝土的使用寿命。

 

    玻璃钢材料具有非常优越的特性:质量轻,强度高,相对密度只有碳钢的约1/4,但拉伸强度却与碳钢接近,在高压容器中具有较广泛的应用;耐蚀性好,对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力;是优良的电绝缘体;耐热性好,是优良的绝热材料;耐生物污损性好,可设计性强,广泛应用于油气管、海水压力管道等材料。

 

    玻璃钢承受静水压力的能力会随着直径的增加而减少,实际工程中常采用混凝土包覆玻璃钢材料进行加固。由于钢材造价高,运输和安装成本高,在海水抽水蓄能电站压力管道承受静水压力和水力冲击较低的部位可采用玻璃钢材料,从而在保证管道性能的同时降低海水抽水蓄能电站的工程成本。

 

    常杰等将TiAl 金属间化合物作为烧结助剂与B4C 复合使其增韧增强,制备了TiAl/B4C 复合陶瓷材料,并对其耐海水腐蚀性能进行了研究,结果表明TiAl/B4C 具有良好的抗腐蚀性能,TiAl 对B4C 具有良好的增韧增强作用。陶瓷基复合材料具有质量轻、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特点,广泛应用于海洋装备材料、水泵耐磨涂层、高温热交换器等材料,海水抽水蓄能电站的活塞和隔热部件可以采用陶瓷基复合材料,也可在电站的金属结构表面涂覆特殊的陶瓷涂层材料进行防腐。但是陶瓷材料的韧性差和强度较低限制了其在海洋工程中的应用,所以进一步提高陶瓷基复合材料的强韧性十分重要,研究陶瓷材料的性能和改性对海水抽水蓄能电站的选材也具有重大意义。

 

    4 结束语

 

    海水抽水蓄能电站材料的腐蚀是影响电站稳定运行的关键问题之一,研究和解决海水抽水蓄能电站结构的腐蚀对开发海洋资源和建设海水抽水蓄能电站具有重大现实意义。海水抽水蓄能电站运行工况十分复杂,各种环境因素和材料本身的组成和结构都会对材料腐蚀造成影响。因此,未来对海水抽水蓄能电站材料腐蚀和选材的研究应注重:

 

    (1) 建立可以模拟海水抽水蓄能电站真实运行工况的试验装置,综合考虑各种环境因素。

 

    (2) 研究材料在海水抽水蓄能运行工况下,特别是在长期服役期间的腐蚀行为和腐蚀机理,明确各种环境因素的综合作用。

 

    (3) 对材料的力学性能、耐蚀性能、价格、维护等方面进行综合性评价,制定海水抽水蓄能电站结构的选材原则和方法。

 

    (4) 发展适用于金属材料在海水抽水蓄能电站运行工况下的防腐技术。

 

秒速飞艇网址 来源:中国科学院海洋研究所,中国科学院大,南方电网调峰调频发电有限公司,青岛海洋科学与技术试点国家实验室

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