引言

在化工工业中，循环冷却水系统是生产设备和产品的重要冷却系统，其作用是保证设备及产品的正常运转，同时为生产工艺提供所需的冷却用水。当前随着化工行业的快速发展，工业用水量也在不断增加，循环水系统的腐蚀问题日益突出，严重影响着工业生产效率和产品质量。

一、系统结构与工作原理

化工工业循环冷却水系统由冷却设备、水处理系统、循环系统等组成，主要包含冷却塔、水池、循环水泵、生产设备和循环水管道等。循环系统的基本作用是通过水流循环带走设备及产品在生产过程中产生的热量，从而保证设备及生产正常运行。其工作原理是通过循环水在系统中循环流动，以实现热量的转移和设备的冷却。具体来说，工业循环水系统通过循环水泵驱动水在系统中循环，用于工业冷却。水首先进入生产设备，吸收热量后送入冷却设备，将热量排放至室外，再由循环泵加压送回生产系统^[1]。

二、运行特点及常见问题  

化工工业循环冷却水系统的运行特点是：（1）节能与环保：循环冷却水系统通过循环使用冷却水，实现水资源的高效利用，具有节能、环保、安全、高效的特点，广泛应用于化工、电力、冶金、机械等行业。（2）系统组成复杂：循环冷却水系统由换热设备、冷却设备、水泵、管道等组成，分为间接和直接冷却水系统，其中开式循环冷却水系统应用最广。（3）运行稳定性要求高：循环冷却水系统是主要工艺生产的重要生命线，对设备运行安全和成本影响较大，系统运行稳定性和水质管理至关重要。循环冷却水系统在运行过程中，也会遇到如下诸多问题：（1）腐蚀：腐蚀是循环冷却水系统中最常见的问题之一，主要由水质特性、金属腐蚀、水垢沉积和微生物繁殖等因素引起。腐蚀形态多样，如均匀腐蚀、点蚀、微生物腐蚀等。腐蚀主要由溶解氧、pH值、硬度、氯离子等因素影响。（2）结垢：由于循环水在冷却过程中不断蒸发，使水中含盐浓度不断增高，超过某些盐类的溶解度而沉淀，形成水垢。常见的水垢有碳酸钙、磷酸钙、硅酸镁等，水垢质地致密，降低传热效率。（3）污垢与微生物滋生：污垢主要由有机物、微生物菌落和分泌物、泥沙、粉尘等构成，不仅降低传热效率，还可能引发垢下腐蚀，缩短设备寿命。微生物繁殖导致生物粘泥沉积，影响水质。（4）水质恶化与浓缩：循环水在运行过程中，由于水分蒸发、风吹损失等情况，使水中含盐浓度不断增高，阴阳离子增加、pH值明显变化，水质恶化，微生物繁殖加剧^[2]。

三、腐蚀机理分析  

3.1腐蚀的基本类型  

 3.1.1均匀腐蚀

 在正常的使用条件下，循环冷却水系统中的腐蚀一般是均匀腐蚀，即所有金属表面上的腐蚀速度是相同的。这种腐蚀往往不会发生在特定的金属表面，也不会发生在特定的介质中。当循环冷却水系统中出现腐蚀时，金属表面上产生均匀的腐蚀反应，反应产物会对金属造成损伤。

 3.1.2点蚀  

点蚀是循环冷却水系统中比较常见的一种腐蚀现象。在点蚀形成的过程中，溶液中的 pH值发生变化，导致金属表面发生电化学极化和阳极熔解。这种情况下，如果有外加电压的作用，就会加速金属表面的溶解，而产生更多的氢氧根离子。当这些氢氧根离子和氯离子等物质接触时，发生化学、电化学反应，最终形成氢氧化铁等物质。当这些物质和金属表面接触时，由于有大量的氢离子存在，便会与金属表面发生反应。

 3.1.3缝隙腐蚀  

缝隙腐蚀是指在金属表面的缝隙或隐蔽区域中，由于局部环境（如氧浓度、离子浓度、pH值等）与外部环境存在差异，导致金属发生局部腐蚀的现象。这种腐蚀通常发生在缝隙宽度较小（一般在0.025~0.1 mm范围内）的区域，如换热器管板与管子接壤处、螺栓连接处、沉积物下等。缝隙腐蚀的发生通常与（1）缝隙的存在：缝隙必须足够宽以允许液体进入，但又足够窄以形成滞留区，使液体无法充分流动，导致局部缺氧或离子浓度差异。（2）腐蚀性介质的存在：如氯离子（Cl⁻）等腐蚀性离子的存在。（3）氧浓差电池或离子浓差电池的形成：缝隙内外的氧浓度或离子浓度差异会导致电化学电池的形成等条件相关。

 3.1.4微生物腐蚀  

微生物腐蚀是指在循环水系统中，由于微生物的活动导致金属设备发生腐蚀的现象。微生物腐蚀通常与电化学腐蚀共同作用，微生物通过分泌代谢产物、形成粘泥、改变局部电化学环境等方式加速金属腐蚀。微生物腐蚀不仅影响设备的正常运行，还可能导致设备寿命缩短、效率下降甚至设备报废。

3.2影响腐蚀的主要因素  

 3.2.1水质与化学成分

水质是循环冷却水系统运行的基础，其影响主要表现在两个方面，一是水质的 pH值， pH值越低，腐蚀速度就越快。二是水质中的Cl-含量，当水中Cl-含量升高时，循环冷却水系统中的腐蚀速度就会增加。此外，水质中含有的一些杂质也会导致循环冷却水系统出现腐蚀。化学成分对循环冷却水系统的腐蚀主要表现在以下几个方面：第一，溶解氧是产生腐蚀的前提条件。第二，氯离子是造成循环冷却水系统腐蚀的主要成分。第三，在循环冷却水系统中存在着大量的硫酸盐和硫酸盐还原菌等微生物，会对金属产生腐蚀作用。第四，水质中含有一些粘泥等杂质，会与金属发生化学反应形成腐蚀性物质。

 3.2.2温度与流速  

温度对金属的腐蚀具有很大的影响，当温度升高时，金属表面的 pH值也会随之升高，此时会促使一些水分子溶解在水中形成水合离子，导致腐蚀速度加快。而当温度降低时，金属表面的 pH值也会降低，此时溶解在水中的氢离子和氯离子也会在金属表面形成大量的氧自由基，导致腐蚀速度增加。同时，流速也是影响腐蚀速度的重要因素之一，流速越快，水中溶解氧浓度越低，同时由于流速提高了腐蚀电流密度，使金属表面发生均匀腐蚀的可能性增大^[4]。

 3.2.3材料类型与结构设计

材料是影响循环冷却水系统腐蚀的重要因素之一。材料的材质与结构设计将直接决定循环冷却水系统中的腐蚀速度。因此，在进行材料选择时，必须根据不同的环境条件与用途来选择适合的材质，从而降低腐蚀速度。如在海水环境中，为了减缓腐蚀速度，可以选用耐海水腐蚀的钢材或不锈钢等。

四、 循环冷却水系统腐蚀防护技术  

4.1水质调控与处理  

 4.1.1缓蚀剂的选择与应用

缓蚀剂能有效防止金属腐蚀，延长设备寿命，提高系统运行效率。循环水中缓蚀剂的选择与应用是一个涉及多方面因素的复杂问题，其选择和应用需综合考虑水质、系统特性、金属材料、经济性及环保要求等多个方面。（1）水质与水质特性：循环水系统的水质差异显著，不同水质对缓蚀剂的需求不同。例如，高钙镁离子水质宜选用含磷膦酸盐类阻垢剂，而含硅酸盐较高的地表水则需复合型聚羧酸类药剂。水质的pH值、硬度、温度、流速等参数也会影响缓蚀剂的选择。（2）金属材料的腐蚀倾向：不同金属材料对缓蚀剂的需求存在差异。例如，铜、铁、不锈钢等金属对缓蚀剂的反应不同，需根据金属材料的种类选择合适的缓蚀剂。例如，苯并三氮唑可加强药剂对铜及铜合金的材质设备的缓蚀功效。（3）经济性与环保性：缓蚀剂的选择需考虑成本、毒性、环保性等因素。例如，磷酸盐类缓蚀剂成本较低且毒性较弱，但近年来低磷非金属缓蚀剂逐渐受到重视。此外，缓蚀剂的使用应避免对环境造成负面影响。合理选择和使用缓蚀剂可降低维护成本，减少设备更换和维修费用。

4.1.2水质软化与降低碱度 

循环冷却水系统中，由于硬度高（CaCO3、MgCO3等）和碱度高，均会造成冷却水系统的结垢、腐蚀等问题。水质软化可采用软化水处理方法，即将硬度离子（Ca2+、Mg2+）降低到允许的范围。主要常用的软化水处理方法为离子交换法：使用离子交换树脂，将钙镁离子交换为钠离子以降低硬度。降低碱度常用方法为酸化法：将水中游离CO2、HCO3-、CO32-转化为CO2，随后在循环水在凉水塔与空气进行热交换时溢出系统，从而降低碱度。常用的酸为硫酸。

4.2防腐材料与设备优化  

 4.2.1耐腐蚀金属及非金属材料  

对于金属材料，应优先选用抗腐蚀性能好的合金材料，并采取有效的防腐措施。同时，要对循环冷却水系统中的各种设备及管道的材质进行严格地选择。如：对于铜及铜合金设备及管道应选择耐蚀性好的铜合金，对于不锈钢设备及管道应选择耐腐蚀性强、耐高温、耐蚀性能好的不锈钢材料，对于铸铁设备及管道应选择耐腐蚀性能强的铸铁材料。

 4.2.2涂层与衬里技术  

涂层技术是指在金属表面上涂覆一层耐腐蚀材料，使其具有一定的抗腐蚀性能的方法。涂层技术主要包括：（1）环氧树脂涂层技术：环氧树脂材料具有良好的抗化学腐蚀性，其化学稳定性、耐热性和耐水性也较好。因此，环氧树脂涂层被广泛应用于各种循环冷却水系统中。（2）环氧粉末涂层技术：环氧粉末涂层材料具有良好的抗化学腐蚀性和耐热性，且具有较好的粘接力、机械强度和抗磨损性能。在循环冷却水系统中，常用环氧粉末涂层材料作为金属表面的防腐涂料，但涂层技术主要用于易腐蚀的管道等部位，若用于换热器等热交换部位，则会影响换热器的热交换效率从而增加系统能耗。涂层防护技术还面临后期维护难、有机质引入系统后的菌藻控制难等限制，应用场景有限^[3]。

4.3电化学防护方法  

 4.3.1阴极保护  

电化学保护是通过外加电源或牺牲阳极的方法，使被保护的金属或合金不受腐蚀的方法。如将循环水系统中的冷却塔，以及其他被保护的金属，如管道、管件等与循环水系统中的其他金属连接起来，使其形成一个电极电位比被保护的金属要低得多的阴极，以达到防腐目的。这种方法称为阴极保护。对于碳钢设备而言，将其与外部电源相连，通过外加直流电源来保护被保护金属不受腐蚀。但因碳钢基体上存在着大量小孔或缝隙，造成阳极极化不均匀，从而导致阴极保护过度或不足^[4]。

 4.3.2阳极保护  

牺牲阳极保护是将被保护的金属与外部电源相连，在阳极附近埋置被保护的金属，通过阳极极化使阳极电位低于被保护的金属的腐蚀电位，从而达到防止腐蚀的目的。牺牲阳极保护的缺点是，系统中被保护的金属不能全部处于阴极保护下，需要使用外加电流对被保护的金属进行阳极保护。目前，应用最多的是外加电流法。外加电流法是利用外部电源来控制和调节直流电源的大小和方向，以达到控制阴极与阳极之间电位差的目的，从而达到保护的目的。

4.3微生物控制

循环冷却水系统中的微生物对整个系统的安全运行具有很大的危害，因此，为了保证水质在较长的时间内不出现结垢、腐蚀和生物膜等现象，必须要在系统中加入高效的杀菌剂。工业循环水中常用的杀菌剂主要包括异噻唑啉酮及其衍生物类、溴系、氯系、醛系等等。由于氯系杀菌剂具有杀菌能力强、毒性低、价格低、使用方便等优点^[5]，所以在实际使用中应用最为广泛。但是氯系杀菌剂的杀菌能力与水中的含盐量、水中 pH值等因素有关，同时还会受到温度等条件的影响。所以，在具体应用中，需根据不同系统工况，不同水质条件，选择适宜的杀菌灭藻剂种类。

4.4智能监测与维护管理  

 4.4.1在线腐蚀检测技术  

腐蚀在线监测技术主要有：（1）基于电化学腐蚀的在线监测，如铁电分析、交流阻抗分析、 pH电极法、电化学法、交流阻抗法等；（2）基于水质监测的在线监测，如流量、浊度、 pH、电导率等；（3）基于多参数传感的在线监测，如 pH传感器、浊度传感器、电导率传感器等；（4）基于振动加速度的在线监测，如振动传感器等；（5）基于动态水质检测的在线监测，如动态阻垢仪、动态溶解氧监测仪等。近年来，随着人工智能技术的发展，基于人工智能的腐蚀在线监测技术将成为未来研究与应用的热点方向。

 4.2.2预警与维护策略

循环冷却水系统运行过程中，会因设备故障、工艺条件等原因产生腐蚀泄漏，而不确定的腐蚀泄漏也会导致设备损坏甚至事故发生。因此，在日常运行管理中，要加强对设备的监控，通过实时监测系统中的腐蚀泄漏状况，建立腐蚀预警系统，并对运行过程中的异常情况进行及时处理。同时，也应加强对管道、换热器等关键设备的维护管理，定期检查及清洗系统中的污垢及管道。

结语

综上所述，循环冷却水系统腐蚀的影响因素很多，如循环冷却水系统中存在的物理、化学及生物因素，以及水处理设备本身的结垢、腐蚀等问题都会对循环水系统的运行造成不利影响。因此，在日常管理中，要结合循环冷却水系统实际情况，针对不同的腐蚀机理选择合适的防腐技术。此外，也要加强对系统运行状况的实时监测与分析，并通过水质分析、在线腐蚀监测技术实时监测。

参考文献

[1]蒋云生。循环冷却水系统的腐蚀防护[J]。中国腐蚀与防护，2018,22 (1）：52-54.

[2]马学文，石泽胜。我国水处理技术及污水再生利用现状[J]。环境科学进展，2019,37 (6）：1674-1681.

[3]李凤荣，刘德忠。循环冷却水系统腐蚀机理及防护措施研究进展[J]。水处理技术及设备，2019,29 (5）：1368-1373.

[4]刘亚楠，陶杰，刘宇宏。循环冷却水系统中常见的缓蚀剂及其应用研究。化工进展，2016,15 (4）：118-124.

[5]张景辉，李伟，黄泽华。水处理技术及设备，2018,25 (2）：474-474.