1、海水循环冷却系统设计规范 第 4 部分：材料选用及防腐设计导则编制说明海水循环冷却系统设计规范 第 4 部分：材料选用及防腐设计导则海洋行业标准起草组二一七年三月1一、制定标准的背景、目的和意义我国水资源总量不足，人均淡水资源量更少，仅为世界人均占有量的 1/4，且地区分布不平衡，经济发达、人口密集的沿海地区水资源短缺尤其突出，淡水资源短缺已成为制约我国特别是沿海地区经济社会可持续发展的瓶颈。 海水利用专项规划提出 2020 年我国“ 海水直接利用能力达到 1000 亿立方米/年，大幅度扩大和提高海水化学资源的综合利用规模和水平”，要求“ 海水利用对解决沿海地区缺水问题的贡献率达到 2637%
2、”。 国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020)在海洋资源高效开发利用优先主题中也提出“发展海水直接利用技术和海水化学资源综合利用技术”。随 着 国 家 海 洋 环 保 政 策 的 日 益 严 格 ， 海 水 循 环 冷 却 替 代 海 水 直 流 冷 却 和 淡 水 冷却 的 趋 势 日 益 突 显 ， 其 技术节水环保的特点已得到工业循环冷却行业的多次验证和广泛认可，工程应用前景也越来越好。但海水循环冷却技术同时对系统的防腐、防垢和防生提出了很高的要求。而合理解决系统设备材料的腐蚀问题是海水循环冷却技术推广应用的首要任务。海水循环冷却系统所涉及的设备和材料种类较多，而不同设备材料
3、的服役环境差异也较大。因此，制定材料选用及防腐设计导则是十分必要的，是我国海水循环冷却技术的推广和工程设计提供坚实的技术依据。通过本标准的编制，形成满足海水循环冷却系统要求的，科学可靠、实用性强的海水循环冷却材料选用及防腐设计导则，为海水循环冷却工程选材提供技术参考，提高海水循环冷却工程用材料的可靠性和经济性，并与其他相关标准共同形成海水循环冷却系统设计技术标准体系，为海水循环冷却技术在我国的大规模工程应用提供技术支撑。二、工作简况2.1 任务来源 根据国家海洋局关于下达2007年度第三批海洋行业标准制订计划项目的通知（国海环字2007211 号）文件，国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所为
4、海水循环冷却系统设计规范 第4部分：材料选用及防腐设计导则的起草单位，全面负责标准的申请、编写、修改、报批和质量控制工作。22.2 主要工作过程国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所接到下达的标准编制计划任务以后，根据海洋标准化管理办法的要求组成了方法标准制定工作组。起草单位国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所接到下达的任务以后，组成了海水循环冷却系统设计规范 第4部分：材料选用及防腐设计导则海洋行业标准起草组。标准起草组主要成员共8人，其中5人来自于国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，其余2人分别来自于天津国投津能发电有限公司北疆发电厂、天津渤海化工集团规划设计院。标准起草组成员包括教
5、授级高工1名，高工4名，工程师3名。具体任务分工为：高丽丽高级工程师任标准起草组负责人及执笔人，全面负责本标准的起草和修改工作；侯相钰高级工程师、王印忠工程师和崔振东工程师负责资料搜集整理；张文帅高级工程师和杨丙洲工程师负责部分条文的审核，王维珍教授级高工负责标准编写的质量和进度控制。本标准立项后，标准起草组主要从以下3个方面开展了工作：（1）从海水循环冷却系统主要设备的需求出发，确定几个主要设备及管线的选材需要。 （2）搜集国内外相关标准、规范和技术文件，继承前人的经验总结，引进可靠的先进技术，建构可行的技术框架。 （3）调研国内已有工程实例，总结实际工程的设计得失。在以上工作的基础上进行相
6、关科学分析和研究，并撰写相关技术报告，最终于2017年1月形成了海水循环冷却系统设计规范 第4部分： 材料选用及防腐设计导则草案稿和“编制说明 ”。国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所于2017年9月针对本标准召开了内部审查会，对标准的齐全性、规范性及主要技术内容进行了审查，编写组根据审查意见修改和完善了本标准。三、标准编制原则和确定标准主要内容的论据3.1 标准编制原则本标准根据标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写（GB/T 1.1-2009）的规定编写，在编写原则上严格遵循统一性、协调性、适用性、一致性和规范性原则，在技术要求内容的确定上严格遵循目的性原则、性能原则和可证实性原
7、3则。3.2 确定标准主要内容的论据本标准依据标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写（GB/T 1.1-2009）的规定拟定了标准的必要结构。本标准由范围、规范性引用文件、术语和定义、设计原则、换热器（凝汽器）的选材及防腐技术要求、海水冷却塔的选材及防腐技术要求、管线的选材要求及防腐技术要求、循环泵的选材及防腐技术要求、阀门的选材要求及防腐技术要求等 9 个部分组成。同时，本标准依据标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写（GB/T 1.1-2009）的规定和大量的参考资料拟定了规范性技术条文的具体内容。3.2.1 范围本部分依据标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写（GB/
8、T 1.1-2009）中的6.2.2条编写。标准化对象的陈述采用了“ 本部分规定了的技术要求”的表述，规定了标准化对象为“海水循环冷却系统材料选用及防腐设计” ；标准化适用性的陈述采用了“ 本部分适用于 ”的表述，规定了本标准适用于 “海水循环冷却系统工程设计中设备工程材料的合理选择。海水直流冷却系统和其他海水利用系统可参照执行。”。3.2.2 规范性引用文件本部分依据标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写 （GB/T 1.1-2009）中的 6.2.3 条编写。规范性引用文件清单按照国家标准和行业标准顺序编排（无其他标准） ，并按标准顺序号排列。3.2.3 术语和定义本部分的术语定义
9、主要参考了GB/T 10123-2001金属和合金的腐蚀 基本术语和定义 、HY/T 203.1-2016海洋利用术语 第1部分：海水冷却技术 、GB/T 23248-2009海水循环冷却水处理设计规范 ，包括海水循环冷却水系统、浓缩倍数、腐蚀速率、电偶腐蚀、电化学保护、牺牲阳极、析氢腐蚀、氢脆、海水冷却塔、海水冷却塔配水系统、收水器等。43.2.4 设计原则4.1条规定了海水循环冷却系统选材应达到的技术目标。在考虑材料耐蚀性能的同时，还要考虑到材料的使用年限、价格及维护费用等经济因素，使选材可以经济合理，即海水循环冷却系统工程选材的造价和后期维护费用不应高于相似工程的平均水平，避免造成财力的
10、浪费。与电力行业标准发电厂凝汽器及辅机冷却器选材导则 （DL/T 712-2000）中 3.1条规定相类似。4.3条规定了选材时应考虑海水循环冷却系统中含盐量（浓缩倍数） 、 溶解氧、温度、pH值、流速、海洋生物等腐蚀影响因素。含盐量（浓缩倍数）：海水中的含盐量直接影响到冷却水的电导率和含氧量，必然对腐蚀产生影响。随着含盐量（浓缩倍数）的增加，电导率增加，含氧量降低，所以含盐量对金属的腐蚀具有相互矛盾的影响。随海水电导率的增加，海水中金属的微电池腐蚀和宏观电池的腐蚀都将加速。但另一方面由于海水电导率较高，为阴极保护在海水腐蚀防护方面的应用提供了良好的条件，防蚀电流分散程度大，保护范围宽，保护效
11、果好，故含盐量（浓缩倍数）增加含氧量降低会减少金属的腐蚀。溶解氧：由于绝大多数金属在海水中的腐蚀都属于氧去极化腐蚀，因此海水中溶解氧的含量是影响腐蚀性的重要因素。溶解氧在海水中的溶解度主要取决于海水的盐度和温度，研究表明，溶解氧含量随海水盐度（浓缩倍数）的增加或温度的提高而降低，碳钢、铸铁、铜合金等金属材料在冷却海水中的腐蚀速率与溶解氧的含量成正比。温度：经验表明：海水水温每上升10，铁的腐蚀速率约增加30%。从腐蚀动力学考虑，海水温度升高，腐蚀电池的阴极过程和阳极过程的反应速率都会增大，这将促进腐蚀过程进行。另一方面，海水温度升高，海水中氧的溶解度降低，结垢倾向加大，这又减缓金属在海水中的腐
12、蚀。研究表明，在敞开式海水循环冷却体系，温度高于50以后，随着系统水温的提高，体系溶解氧含量的逐渐降低，腐蚀速率亦降低。pH值：海水的 pH值一般在 7.58.6之间，呈弱碱性。海洋表层和近表层pH 值略5高，为8.18.3。2倍浓缩循环冷却水的pH值一般不会超过 9。在循环冷却海水中pH值的变化不大，对腐蚀的影响不大，但pH值主要受到钙质水垢沉积的影响，从而影响到金属的腐蚀。研究表明，冷却海水pH值升高，促进碳酸钙沉淀的生成形成沉积层，从而减轻金属材料的腐蚀。流速：通常，流速的增加有利于海水中溶解氧向电极表面扩散，金属表面的氧得到补充，因而加速金属腐蚀。在溶解氧含量相同时，金属的腐蚀速率亦随
13、流速的提高而增加。随着流速的进一步增加，金属腐蚀会受到电化学和流体力学因素的协调作用而加剧。研究表明，碳钢、铜合金在流体冷却海水体系中都存在腐蚀速率突然增大的临界流速值。海洋生物：在海水冷却系统常见的宏观生物附着在金属结构表面，通常称为海洋污损生物，若污损生物全面可以减缓金属的腐蚀，但不完整的污损生物可能促进局部腐蚀的发生。微生物包括细菌和真菌，附着在工程材料表面，形成生物膜，生物膜内的环境与冷却水环境完全不同。生物膜内微生物活性控制着电化学反应的速率和类型，形成微生物腐蚀，它属于局部腐蚀特征，可促进孔蚀、缝隙腐蚀、脱成分腐蚀和应力腐蚀开裂的发生和发展，其危害更大。在冷却系统中，海水流速较低或
14、静止，同时伴有生物粘泥或淤泥，就会给微生物的大量繁殖提供条件，微生物腐蚀就会成为材料失效的主要原因。3.2.5 换热器（凝汽器）的选材及防腐技术要求5.1.1条为换热器(凝汽器) 管材的选材原则，参照电力行业标准发电厂凝汽器及辅机冷却器选材导则 （DL/T 712-2000）中3.1、3.5 和3.6条，3.1条规定在采用正确维护措施的条件下，不出现管材的严重腐蚀和泄漏，使用寿命应在20年以上。3.5和3.6条即对新型管材，应通过专门的试验和技术经济比较后选定。已有长期运行经验的工厂，可以参考本厂长期使用管材的耐蚀情况，选定管材。5.1.2条为换热器(凝汽器) 管板的选材原则，参照第7条应考虑
15、易于与管子胀接或焊接，应尽量避免与管子发生电偶腐蚀，或采取有效的防腐措施，以确保换热器整体的严密性。65.1.3条为换热器(凝汽器) 水室的选材原则，水室作为换热器（凝汽器）的一部分，外形设计应保证循环冷却水具有良好的流动特性，减少水室内出现死区和涡流现象，降低生物粘泥附着和冷却水在水室内的压力。5.2.1条规定了换热器(凝汽器)管的选材及防腐技术要求，综合了电力行业标准发电厂凝汽器及辅机冷却器选材导则 （DL/T 712-2000）和实际工程中的换热管使用材质，包括铜合金、碳钢、铸铁、不锈钢及钛合金。并提出了针对不同材料宜采用的防腐措施。不同材质的换热器管在经过合理的防腐设计后，腐蚀速率可达
16、到GB/T23248-2009海水循环冷却水处理设计规范 要求，碳钢小于0.075mm/a，铜合金小于0.005mm/a，不锈钢小于0.005mm/a。钛合金管耐海水腐蚀性最好，一般不用辅助其他防腐技术，但在换热器结构材料选择时，应防止异种金属接触电位差过大，导致钛管析氢腐蚀，产生氢脆。应选用工业纯钛无缝管和焊接管。一些非金属管，如石墨、氟塑料及玻璃在淡水冷却系统中有应用实例，在海水冷却系统中的应用还处于可行性研究阶段。5.2.2条规定了换热器(凝汽器)管板的选材及防腐技术要求，参考电力行业标准发电厂凝汽器及辅机冷却器选材导则 （DL/T 712-2000）第7条，宜选用不锈钢管板、复合不锈钢
17、管板或与换热器管材相同或电位差较接近的材质作管板，如钛合金-钛合金。使用薄壁钛管时，管板应使用钛板或复合钛板，管与管板宜采用“胀接+焊接”方式连接，使用薄壁不锈钢管时，管板应使用不锈钢管板或复合不锈钢管板，管与管板宜采用“胀接+焊接 ”方式连接。对于胀接的换热器，为防止胀口的渗漏，可采用有效的换热器防腐、防渗漏涂料。5.2.3条规定了换热器(凝汽器)水室的选材及防腐技术要求，水室的材料通常采用钛材、碳钢、钛- 钢复合板、铜复合板等。钢质水室会受到海水的腐蚀，因此要在钢板外刷重防腐涂料，可采用“金属涂层+重防腐涂料+牺牲阳极”的保护方法。也可采用以环氧玻璃钢为底衬，利用铜衣漆作为防污、防腐的处理
18、方法。3.2.6 海水冷却塔的选材及防腐技术要求6.1 条为海水冷却塔的选材原则，6.1.1 条为海水冷却塔的各部件：塔体框架、集水池、风筒、风机、收水器、配水系统、填料、塔内连接件、紧固件。76.1.2 条要求冷却塔选材要根据材料的服役环境和设计需要而定，所用材料能够抵抗浓海水的侵蚀，材料与材料之间不能互相影响。6.1.3 条对冷却塔所选材料的使用寿命进行了规定，在采用正确维护措施的条件下，不出现严重腐蚀和塔体破损，一般要求中小型塔主体结构寿命应在 1015 年，大型塔主体结构寿命应在 30 年以上。6.2.1 条规定了海水冷却塔主体结构的选材及防腐技术要求。在刘官郡撰写的论文海水冷却塔设计
19、中，建议采用“普通硅酸盐水泥+掺和料+外加剂”的高性能混凝土配方，国外资料显示，此配方适用于海水冷却塔。高性能混凝土应达到：水胶比不大于 0.35；28 天抗压强度不低于 60MPa； 28 天氯渗度小于 1000 库仑；浇筑时的坍落度大于 10cm，小于等于 20cm；酸溶性氯离子含量小于水泥质量的 0.2%；强度等级不宜低于 C45，抗渗等级不宜低于 W12。淡水塔混凝土的粗骨料一般是用新鲜的石灰岩，但由于海水成分的复杂性，SO42-可能和石灰岩中的 Ca2+发生化学反应，形成硫酸钙，因此本标准中的粗骨料建议使用新鲜花岗岩，最大粒径不宜大于 25mm，不宜采用石灰岩。海水冷却塔混凝土宜选用
20、标准稠度低、强度等级不低于 42.5 的中热硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，不宜采用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。海水冷却塔基础混凝土的工作条件比较恶劣，在混凝土中应加入钢筋阻锈剂，做好钢筋的防腐处理。考虑到侵蚀性阴离子的渗透腐蚀，建议海水冷却塔基础钢混结构选用镀锌钢筋或带有聚酯涂层的钢筋。6.2.2 条规定了海水冷却塔混凝土防腐的技术要求。参考海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 （JTJ275-2000）中防腐措施的规定。混凝土防腐的关键是防止水分、CO 2、SO 42-、Cl -等渗入。实际工程应用中，除提高混凝土本身的抗渗性以外，对混凝土表面进行防腐涂装也是十分必要的。
21、常用防腐涂料类型包括：聚氨酯、有机硅、改性环氧、厚浆环氧、玻璃鳞片、聚苯硫醚树脂、环氧煤沥青、氯-偏、聚脲等。防腐涂料的种类繁多，涂装工艺各有不同。选择涂料时：宜使用对混凝土渗透性好的涂料，例如用异丁烯三乙氧基硅烷浸渍混凝土表面，充分封闭混凝土的孔隙；宜使用耐海水性能好的油溶性涂料，例如饱和树脂涂料。涂层有效使用年限不应低于 20 年。涂层表面会有海生物附着，也会与水处理药剂有接触，故涂层应能够抵抗海洋中的藻类、海蛎子等生物的附着侵蚀，应能耐受海水水处理药剂的侵蚀。86.2.3条规定了海水冷却塔塔芯材料选材的技术要求。海水冷却塔填料、收水器、配水系统末端管路等部件，多采用高分子材料，主要是聚乙
22、烯（PE） 、聚氯乙烯（PVC ） 、聚丙烯（PP） 、玻璃钢（GFRP）等，其中 PVC使用最为广泛。国内的淋水填料绝大多数是蓝色或绿色。国外的淋水填料基本是黑色，因黑色的淋水填料片比其它颜色的耐老化性能好。根据进塔水温t1选择阻燃、耐温性能不同的填料：t145，宜选择聚氯乙烯；t155，宜选择改性聚氯乙烯；t160，宜选择聚酯玻璃钢。聚丙烯填料耐高温性能较好，可用于t1 80条件，但低温性能及抗老化性能差、易燃，不宜用做薄膜填料。6.2.4条规定了海水冷却塔中其他构件选材的技术要求。海水冷却塔内部金属构件较多，例如栏杆、竖井、爬梯等，多为预埋铁件，大量预埋铁件存在腐蚀问题。塔内的走道、栏杆
23、、梯子等采用不锈钢和玻璃钢材质的材料，可以有效的避免腐蚀发生。海水冷却塔应避免使用裸露的铁件，尤其是受力构件的连接，例如淋水架下方的铰接支座。特殊情况必须使用裸露金属构件，可选用蒙乃尔合金，例如塔内部管子吊架、支架、膨胀螺栓等。塔内的管子法兰和阀门，可用含镍铸铁或不锈钢。通道门和扶手栏杆可用双层加厚的镀锌钢板。步梯可用防滑效果较好的优质木材。对塔内的金属构件进行涂装，能够起到很好的防腐效果。一般水溶性的涂料基本可满足需要，但其抗酸根离子侵蚀的能力较差，建议选用油溶性涂料涂装海水冷却塔内的金属构件。风机是机力海水冷却塔中的重要部件。叶片宜选用密度小、强度高的乙烯基酯树脂、无碱无捻玻璃纤维布或中碱
24、玻璃纤维布。3.2.7 管线的选材要求及防腐技术要求7.1条规定了海水循环冷却系统中管线的选材原则。海水管线在海水循环冷却系统中是连接海水循环泵、换热设备、冷却塔等关键设备的重要设施，是用来输送海水的通道。所选用的管线，在采用正确维护措施的条件下，不出现管材的严重腐蚀和泄漏，使用寿命应在10年以上或更长。 火力发电厂水工设计规范 （DL/T5339-2006）中的8.1.2条规定：“压力管道的材料，应根据管道的工艺要求、工作压力、管道地质、地形条件、施工条件和材料供应等情况，通过技术经济比较确定。可选9的材料有：钢管、球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢管等。 ” 因此，
25、从现有标准结合实际工程，可供海水循环冷却系统海水管道选择的材质主要有：碳钢管（铸铁） 、预应力钢筒混凝土管、预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管及部分非金属材料管材。7.2条规定了海水循环冷却系统中管线的选材及防腐技术要求。7.2.5条规定了钢质（铸铁）海水管线可采取的防护措施。我国现行标准火力发电厂水工设计规范 （DL/T5339-2006）在8.4.13 条中规定：“与海水接触的钢管应采取防腐涂层和阴极保护措施。 ”并在条文说明中指出“因为单纯采用其中的一种措施，钢管防腐均达不到有效的保护，这已为实践所证明” 。此外还可添加缓蚀剂、衬里处理技术，实际工程中多采用联合保护技术。7.2.67.2.8条
26、为预应力钢筋混凝土管的使用。我国现行国家标准大中型火力发电厂设计规范 （GB50660-2011）第17.5.3条规定： “压力管道的材料应根据管道的工艺条件、工作压力、水质、管道沿线的地质、地形条件、运输施工条件和材料供应等因素通过技术经济比较确定，并应符合下列规定：大口径循环水压力管道直线段较长时，宜采用预应力钢筋混凝土管或预应力钢筒混凝土管，靠近主厂房的管段可采用钢管。 ”工程中补水管道宜采用预制的三阶段预应力钢筋混凝土管、钢套筒预应力钢筋混凝土管或钢筋混凝土内衬钢筒复合管。为防止预应力钢筋混凝土管的腐蚀，应在其表面涂装涂层，7.2.9条指出玻璃钢管也可用作海水管线。玻璃钢管是将浸有树脂基体的纤维增强材料，按照特定的工艺条件逐层缠到芯模上并进行适当固化而制成的。它的管壁是一种层状结构，可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整玻璃钢管的各项物理和化学性能，以适应不同介质和工作条件制成不同压力等级或具有特殊性能的玻璃钢管。它具有优良的物理力学性能，密度约为钢材的1/4 ，玻璃钢管的重量一般都不大于同规格钢管的1/3，线膨胀系数与钢大致相当。玻璃钢管具有特殊的耐化学腐蚀能力，是输送海水的良好材料，不需要再作防腐处理。7.2.10指出对于海水主管线之外的支管，如旁滤系统、加药系统等管线可以视服
