CN114774936B - 一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法。柔性酸洗剂为由包括抗坏血酸、磷酸盐、乙二胺四乙酸二钠和有机酸组成的溶质稀释于水形成的低浓度溶液，该柔性酸洗剂选择性地溶解发电机空芯铜导线内表面无钝化作用的CuO，而保留具有钝化作用的Cu2O。本发明通过改变所述的复合酸洗剂中各组分配比和浓度调节，结合溶液pH值调控，使得清洗环境处于还原性环境以实现对发电机空芯铜导线氧化物的柔性化学清洗。本发明还通过预先调控复合酸洗剂中C/N/P之比简化清洗废液的后处理。

Description

一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法
技术领域
本发明属于发电设备化学清洗工程技术领域，具体涉及一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法。
背景技术
为了带走发电机运行过程中定子线圈产生的热量，空芯铜导线水内冷是一种常用的冷却方法。由于发电机内冷水直接与空芯铜导线内表面接触，为了防止内冷水对铜导线产生腐蚀，需要对内冷水进行相应的处理(叶春松.纯水中微量铜腐蚀控制原理及应用技术研究[D].上海:同济大学,2002；DL/T 1039-2016发电机内冷水处理导则[S].北京:中国电力出版社,2016；于华强，孟新静，葛红花.定子铜线圈在内冷水中的腐蚀与控制[J].腐蚀与防护,2021,42(10):61-67)。
然而，在发电机内冷水系统长期运行、停运和检修的过程中，由于多种原因，空芯铜导线仍可能发生比较严重的腐蚀。这会导致空芯铜导线内表面腐蚀产物沉积、部分水路阻塞，进而引起冷却水流量下降、局部过热等问题，影响机组的安全经济运行。因此，需要严格监控内冷水水质和系统运行状态，必要时需要对系统进行化学清洗。DL/T 801-2010规定了发电机内冷水系统运行监督的内容，并给出了化学清洗的判据(DL/T 801-2010大型发电机内冷却水质及系统技术要求[S].北京:中国电力出版社,2010)。
发电机内冷水系统化学清洗是利用化学清洗剂中的有机酸和无机酸，溶解空芯铜导线内表面因腐蚀产生的铜氧化物，是一种有效的疏通空芯铜导线阻塞通路、恢复铜导线换热性能的处理方法(BAUER T,SVOBODA M,SVOBODA R.Corrosion and Deposits inWater-Cooled Generator Stator windings:Part 3:Removal of Flow Restrictions[J].PowerPlant Chemistry,2019,21(1):10-22；王涌,刘斌,何蓉,等.水内冷发电机定子线棒堵塞的处理方法[J].电力安全技术,2009,11(03):65-67)。针对某发电机内冷水系统冷却流量下降、入水压力上升的问题，杨伟星等采用“气锤法”和“水锤法”从系统中冲洗出了大量的黑色腐蚀物。经过成分分析，黑色腐蚀物98％为CuO。基于此，他们通过清洗小试试验确定了一种合适的复合酸洗剂配方，并对实际的内冷水系统进行了化学清洗。系统经过化学清洗后，内冷水的流量得到了恢复(杨伟星,张剑,唐芳轩,等.秦山第二核电厂发电机定子绕组空心导线的化学清洗[J].中国核电,2013,6(04):352-355)。宋小宁等以紫铜试片和铜导线试样为试验对象，采用挂片试验比较了以氨基磺酸为主的和以羟基乙酸为主的两种复合酸洗剂的酸洗效果。试验结果表明，以氨基磺酸为主要功能有机酸、苯并三氮唑(Benzotriazole,BTA)为缓蚀剂的复合酸洗剂效果更好。之后，他们按照“水冲洗-化学清洗-水冲洗”的流程对内冷水系统进行了化学清洗。现场清洗结果表明，化学清洗对定子线棒具有良好的去除腐蚀产物效果，冷却水流量恢复显著，线棒超温现象消除，铜导线腐蚀速率低(宋小宁,冯礼奎,晏敏,等.发电机内冷水系统的化学清洗[J].清洗世界,2012,28(10):12-15)。
现有的化学清洗方法虽然可以较好地溶解空芯铜导线内表面的腐蚀产物，但是存在以下几个问题：①在内冷水系统正常运行的条件下，紧贴在空芯铜导线内表面的Cu2O可以稳定存在。因此，这层Cu2O膜仍具有保护作用。而现有的化学清洗方法同时溶解这两种铜氧化物，是一种烈性化学清洗；②由于铜基底腐蚀速率的要求，烈性化学清洗所使用的清洗液中需要添加一定含量的铜缓蚀剂。相关标准规定，在化学清洗过程中，空芯铜导线的腐蚀速率应低于1g/m2·h(DL/T 957-2017火力发电厂凝汽器化学清洗及成膜导则[S].北京:中国电力出版社,2017；HG/T 2387-2007工业设备化学清洗质量标准[S].北京:化学工业出版社,2007)。因此，为了满足上述要求，现有化学清洗方法所采用的清洗液中一般会添加较高浓度的铜缓蚀剂苯并三氮唑(Benzotriazole，BTA)或巯基苯并噻唑(Mercaptobenzothiazole,MBT)。BTA和MBT起到延缓金属材料腐蚀的作用机理是成膜缓蚀。铜缓蚀剂成膜缓蚀的效果与化学清洗液酸溶清洗的效果存在相互作用和影响；③烈性化学清洗所产生的清洗废液中有机酸浓度高，处理难度大。发电机定子内冷水系统化学清洗废水中含有废酸、Cu2+和有机物。对于这类化学清洗废水，必须对其处理至符合外排水水污染物要求后才能排放(HG/T 5547-2019移动式化学清洗废液处理装置技术规范[S].北京:化学工业出版社,2019；钟群莲,杨阳,周振,等.化学清洗废水处理技术的研究进展[J].上海电力学院学报,2019,35(03):261-266；DL/T 957-2017火力发电厂凝汽器化学清洗及成膜导则[S].北京:中国电力出版社,2017)。其中，烈性化学清洗所产生的清洗废液中有机酸和铜缓蚀剂浓度高、成分复杂，部分组份的化学性质稳定。此外，铜缓蚀剂BTA或MBT具有一定的生物毒性。这在一定程度上限制了采用生物降解的方法处理清洗废水。这使得化学清洗废液的处理难度大、周期长。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法。本发明提供的柔性酸洗剂可选择性地溶解发电机空芯铜导线内表面无钝化作用的CuO，而保留具有钝化作用的Cu2O，同时通过优化各组分的配比利于后端化学清洗废水的处理。
本发明根据CuO和Cu2O在酸性溶液中稳定性的差异，通过调控化学酸洗剂的pH，选择性溶解CuO。通过向化学清洗液中添加还原性酸组份，降低清洗液的DO，在不添加缓蚀剂的条件下，抑制溶解氧对铜基底及其表面致密Cu2O钝化膜的氧化作用。通过调整酸洗剂中有机酸和磷酸盐的种类和含量，预先调控后端产生的化学清洗废水中营养元素的比例。
所述CuO和Cu2O在酸性溶液发生溶解的化学反应式如下：
CuO+2H+→Cu2++H2O                    (1)
Cu2O+2H+→2Cu++H2O                  (2)
在25℃温度条件下，上述两个化学反应的平衡关系式如下：
log[Cu2+]＝7.89-2pH                        (3)
log[Cu+]＝-0.84-pH                         (4)
以Cu+或Cu2+为10-6mol/L为腐蚀发生的界限，在25℃温度条件下，Cu2O膜开始溶解的pH为5.16，而CuO膜开始溶解的pH为6.95。将化学清洗液的pH调节至5.16-6.95之间，便能实现选择性溶解CuO，而保护Cu2O。
本发明提供的酸洗剂中还原性酸组分为抗坏血酸。
在有DO存在的溶液中，具有钝化作用的Cu2O被DO氧化为CuO，对应的反应式如下：
2Cu2O+O2→4CuO(5)
利用抗坏血酸与DO发生氧化还原反应，降低溶液中的DO，协同保护具有钝化作用的Cu2O。
本发明提供的洗剂中营养元素包括C、N和P。
一般来说，好氧活性污泥对C/N/P质量之比的要求是100：5：1。通过调整酸洗剂中有机酸和磷酸盐的种类和含量，调整酸洗剂C/N/P的比例。柔性化学清洗产生的酸洗废水只需要经过简单的pH调节去除Cu2+，就能直接排入电厂生活废水生化处理系统，以简化后端化学清洗废水的处理。
本发明采取的技术方案如下：
本发明提供一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法，使用的柔性酸洗剂为由包括抗坏血酸、磷酸盐、乙二胺四乙酸二钠和有机酸组成的溶质稀释于水形成的低浓度溶液；其中，有机酸选自氨基磺酸、柠檬酸、羟基乙酸、醋酸中的一种或几种；所述柔性洗剂pH值为5.2-6.7；所述柔性洗剂可选择性地溶解发电机空芯铜导线内表面无钝化作用的CuO，而保留具有钝化作用的Cu2O。
柔性酸洗方法包括以下步骤：
(1)用水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
(2)用水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2；
(3)采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗；在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；若酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加复合酸洗剂；当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
(4)用水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中，使用NaOH溶液调节废液的pH至中性，再将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
进一步，所述溶质组分的浓度为：乙二胺四乙酸二钠0.35～0.65g/L、抗坏血酸0.38～0.65g/L、磷酸盐0.04～0.06g/L、有机酸0.03～0.18g/L。优选的，氨基磺酸0.03～0.18g/L、柠檬酸0.06～0.18g/L、羟基乙酸0.03～0.08g/L、醋酸0.05～0.09g/L，有机酸添加其中一种或者几种均可。乙二胺四乙酸二钠对铜离子起到强络合作用且可调控酸洗废液中C、N元素含量。有机酸主要调控酸洗液pH值，提供酸洗用H+，同时调控酸洗废液中C、N元素含量。
进一步，所述抗坏血酸为具有还原性的有机酸。所述抗坏血酸主要起到降低溶液中的溶解氧、抑制溶解氧对铜基底及Cu2O的氧化作用。
进一步，所述磷酸盐选自磷酸二氢钾和三水合磷酸氢二钾和混合物。所述混合磷酸盐组成具有pH值缓冲作用的磷酸盐体系。磷酸盐用于pH值缓冲和调控酸洗废液中P元素含量。
进一步，所述复合酸柔性洗剂中营养元素C、N和P质量之比为100:5:1。
进一步，所述方法步骤(2)中稀释用水温度为50℃。
进一步，所述方法步骤(3)中控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s。
进一步，所述方法步骤(4)中NaOH溶液浓度为0.01mol/L-0.05mol/L。
本发明的有益效果如下：
1、本发明第一方面通过合理的配方设计和各组分的浓度控制，结合复合酸洗剂的pH的调控，可实现选择性溶解空芯铜导线内表面无钝化作用的CuO，而保留具有钝化作用的Cu2O层。本发明第二方面通过使用抗坏血酸调控复合酸洗剂的溶解氧，可实现在不添加铜缓蚀剂的条加下，抑制溶解氧对铜基底及其表面Cu2O钝化膜的氧化作用。本发明通过上述第一、二方面的协同作用，在去除无钝化作用的CuO层的同时，最大程度地保留Cu2O层。
2、本发明通过调控复合酸洗剂中C/N/P之比，使得柔性化学清洗废水的生化处理简单且容易。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例1
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中氨基磺酸的浓度为0.10g/L、抗坏血酸的浓度为0.65g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.35g/L、磷酸二氢钾的浓度0.02g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.03g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
实施例2
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中柠檬酸的浓度为0.18g/L、抗坏血酸的浓度为0.40g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.58g/L、磷酸二氢钾的浓度0.02g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.04g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
实施例3
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中羟基乙酸的浓度为0.08g/L、抗坏血酸的浓度为0.50g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.60g/L、磷酸二氢钾的浓度0.02g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.04g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
实施例4
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中乙酸的浓度为0.09g/L、抗坏血酸的浓度为0.50g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.65g/L、磷酸二氢钾的浓度0.02g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.04g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
实施例5
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中羟基乙酸的浓度为0.04g/L、乙酸的浓度为0.05g/L、抗坏血酸的浓度为0.55g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.65g/L、磷酸二氢钾的浓度0.02g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.04g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
实施例6
本实施例发电机内冷水系统复合酸洗剂中氨基磺酸的浓度为0.03g/L、柠檬酸的浓度为0.06g/L、羟基乙酸的浓度为0.03g/L、抗坏血酸的浓度为0.38g/L、乙二胺四乙酸二钠的浓度为0.35g/L、磷酸二氢钾的浓度0.01g/L、三水合磷酸氢二钾的浓度为0.03g/L。
发电机内冷水系统的酸洗及酸洗废液处理步骤如下：
(1)系统酸洗
用除盐水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
用50℃的除盐水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2的复合酸洗液；
采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗，控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s；
在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；
如果酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加适量的复合酸洗剂；
当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
用除盐水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中。
(2)酸洗废液处理
配制浓度为0.01mol/L-0.05mol/L的NaOH溶液；
用NaOH溶液调节废液的pH至中性；
将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发电机空芯铜导线氧化物的柔性酸洗方法，其特征在于，
使用的柔性酸洗剂为由包括抗坏血酸、磷酸盐、乙二胺四乙酸二钠和有机酸组成的溶质稀释于水形成的低浓度溶液；其中，有机酸选自氨基磺酸、柠檬酸、羟基乙酸、醋酸中的一种或几种；所述柔性酸洗剂pH值为5.2-6.7；所述柔性酸洗剂可选择性地溶解发电机空芯铜导线内表面无钝化作用的CuO，而保留具有钝化作用的Cu2O；
所述柔性酸洗方法包括以下步骤：
(1)用水对腐蚀空芯铜导线进行变流量冲洗，直至出水澄清、透明、无杂物；
(2)用水稀释复合酸洗剂至pH值为5.2；
(3)采用循环酸洗的方式对腐蚀空芯铜导线进行酸洗；在酸洗过程中，监测酸洗液的pH、电导率和Cu2+浓度；若酸洗过程中酸洗液的pH值高于6.7，补加复合酸洗剂；当酸洗液水质指标趋于稳定后，结束酸洗；
(4)用水置换酸洗废液，并将酸洗废液收集到废液水箱中，使用NaOH溶液调节废液的pH至中性，再将废液上清液直接排入电厂的生活废水生化处理系统。
2.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于，所述溶质组分的浓度为：乙二胺四乙酸二钠0.35～0.65g/L、抗坏血酸0.38～0.65g/L、磷酸盐0.04～0.06g/L、有机酸0.03～0.18g/L。
3.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于，所述抗坏血酸为还原性有机酸，用于降低溶液中的溶解氧、抑制溶解氧对铜基底及Cu2O的氧化。
4.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于，所述磷酸盐为具有pH值缓冲作用的磷酸二氢钾和三水合磷酸氢二钾的混合物。
5.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于，所述柔性酸洗剂中营养元素C、N和P质量之比为100:5:1。
6.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于：所述方法步骤(2)中稀释用水温度为50℃。
7.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于：所述方法步骤(3)中控制酸洗流速为0.5m/s-1.0m/s。
8.根据权利要求1所述的酸洗方法，其特征在于：所述方法步骤(4)中NaOH溶液浓度为0.01mol/L-0.05mol/L。
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