JP4033667B2

JP4033667B2 - ボイラ給水の水質判定方法

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Publication number: JP4033667B2
Application number: JP2001363827A
Authority: JP
Inventors: 純一中島; 隆成久米; 慶太溝上; 潤一加藤
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003166085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ給水の水質判定方法、特に、ボイラに対して供給する軟水の水質が前記ボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管に孔食を発生させる水質であるかどうかを判定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
日本工業規格（ＪＩＳ）に規定された特殊循環ボイラの範疇に属する多管式ボイラの一種である貫流ボイラは、給水を加熱して蒸気を発生させるための複数本の伝熱管を備えている。このような伝熱管は、炭素鋼等の非不動態化金属を用いて形成されているため、ボイラ水と接触する部位がボイラ水の影響による腐食のために破損し、貫流ボイラの寿命に致命的な影響を及ぼす場合がある。このため、貫流ボイラを長期間安定に運転するためには、伝熱管の腐食を効果的に抑制する必要がある。
【０００３】
そこで、ＪＩＳＢ８２２３：１９９９は、伝熱管に生じる上述のような腐食を抑制する観点から、特殊循環ボイラに供給する給水の水質および運転中におけるボイラ水の水質に関する各種の管理項目を設定し、その推奨基準を規定している。
【０００４】
ところで、伝熱管の腐食は、通常、次の三種類の指標に基づいて評価されている。
(1)ｍｄｄ（ｍｇ／ｄｍ²／ｄａｙ）：水との接触面の単位表面積（１ｄｍ²）における１日当りの質量減少量（ｍｇ）を表現したものである。
(2)ｉｐｙ（ｉｎｃｈ／ｙｅａｒ）：１年間における、伝熱管の厚さ（肉厚）の減少量（インチ）を表現したものである。
(3)食孔数／ｃｍ²：水との接触面の単位表面積（１ｃｍ²）当りに発生した食孔の数を表現したものである。なお、食孔とは、伝熱管の水との接触面側から厚さ方向の反対側に向かう局部的腐食、すなわち孔食により生じた窪みを意味する（例えば、日刊工業新聞社発行、腐食防食協会編「防食技術便覧」３１〜３３頁参照）。
【０００５】
ところが、ＪＩＳＢ８２２３：１９９９において推奨されている管理基準に適合する給水を供給しながら同ＪＩＳで推奨されているボイラ水の管理基準に適合するよう貫流ボイラを運転し、また、上述のような指標に基づきながら伝熱管の腐食の進行状況を評価して、ボイラ水との接触部位における伝熱管の腐食の状況が破損に至る程度のものではないと判定できる場合であっても、予想外に伝熱管の当該部位が腐食により破損してしまう場合がある。これによると、ＪＩＳにおいて推奨されている給水やボイラ水の管理基準は、必ずしも伝熱管の腐食を抑制するために有効とは言えない。
【０００６】
本発明の目的は、ボイラに対して供給する軟水の水質がボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管に孔食を発生させる水質であるかどうかを判定することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水質判定方法は、ボイラに対して供給する軟水の水質が前記ボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管に孔食を発生させる水質であるかどうかを判定するための方法であり、軟水の酸消費量（ｐＨ４．８）と電気伝導率とを測定する工程と、測定した酸消費量（ｐＨ４．８）と電気伝導率とから、下記の式（１）で示される指数を求める工程とを含んでいる。
【０００９】
【数２】

【００１０】
この水質判定方法において、ボイラに対して供給する軟水は、式（１）で示される指数が２．５以上の場合はボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管を腐食させにくいものと判定することができ、また、同指数が２．５未満の場合はボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管を腐食させやすいものと判定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の水質判定方法を適用可能な蒸気ボイラ装置の概略を説明する。図において、蒸気ボイラ装置１は、貫流ボイラ２と給水装置３とを主に備えている。
【００１２】
貫流ボイラ２は、多管式のボイラであり、図２に示すように、給水装置３から供給される給水を貯留するための貯留部４と、貯留部４に対して起立するように設けられた複数本の伝熱管５（非不動態化金属体の一例）と、伝熱管５の上端部に設けられかつ図示しない負荷装置に向けて蒸気を供給するための供給路６ａを有するヘッダ６と、給水を加熱して蒸気を発生するための加熱装置７とを主に備えている。なお、貯留部４とヘッダ６とは、平面形状が環状に設定されている。また、貯留部４は、その内部に貯留された給水（後述するボイラ水Ｗ）を排出するための、図示しない開閉弁を備えた排出口４ａを有している。
【００１３】
伝熱管５は、非不動態化金属を用いて形成された部材、すなわち、非不動態化金属体である。ここで、非不動態化金属は、中性水溶液中において自然には不動態化しない金属をいい、通常はステンレス鋼、チタン、アルミニウム、クロム、ニッケルおよびジルコニウム等を除く金属である。具体的には、炭素鋼、鋳鉄、銅および銅合金等である。なお、炭素鋼は、中性水溶液中においても、高濃度のクロム酸イオンの存在下では不動態化する場合があるが、この不動態化はクロム酸イオンの影響によるものであって中性水溶液中での自然な不動態化とは言い難い。したがって、炭素鋼は、ここでの非不動態化金属の範疇に属する。また、銅および銅合金は、電気化学列（emf series）が貴な位置にあるため、通常は水分の影響による腐食が生じ難い金属と考えられているが、中性水溶液中において自然に不動態化するものではないので、ここでの非不動態化金属の範疇に属する。
【００１４】
給水装置３は、貫流ボイラ２に給水を供給するためのものであり、補給水の注水路８、注水路８からの補給水を貯留するための給水タンク９および貫流ボイラ２の貯留部４に給水を供給するための給水路１０を主に備えている（図１）。ここで、注水路８は、軟水化装置１１と脱酸素装置１２とをこの順に備えている。軟水化装置１１は、補給水中に含まれる各種の硬度分等をナトリウムイオンに置換して軟水に変換するためのものである。一方、脱酸素装置１２は、補給水中に含まれる溶存酸素を機械的に除去するためのものである。
【００１５】
また、給水路１０は、薬剤を給水中に注入するための薬注装置１３を備えている。この薬注装置１３により給水中に注入される薬剤は、給水の水質指標の一つである酸消費量を高めるためのものであり、詳細については後述する。
【００１６】
上述の蒸気ボイラ装置１を運転する場合は、注水路８から給水タンク９に補給水を供給し、この補給水を給水タンク９に貯留する。ここで貯留される給水は、軟水化装置１１および脱酸素装置１２で処理されたもの、すなわち、脱酸素処理された軟水である。そして、図示しないポンプを作動させ、給水タンク９に貯留された給水を、給水路１０を通じて貫流ボイラ２に供給する。
【００１７】
貫流ボイラ２において、給水路１０を通じて供給される給水は、貯留部４内においてボイラ水Ｗとして貯留される。そして、貯留部４に貯留されたボイラ水Ｗは、加熱装置７により加熱されながら各伝熱管５内を上昇し、徐々に蒸気になる。各伝熱管５において生成した蒸気はヘッダ６において集められ、供給路６ａを通じて負荷装置に供給される。
【００１８】
上述のような蒸気ボイラ装置１の運転中において、貫流ボイラ２で用いられる各伝熱管５は、図２に一点鎖線IIIで示すような下端部分、すなわち、貯留部４との連結部分が、ボイラ水Ｗと継続的に接触することになる。このため、伝熱管５は、そのような部分において、ボイラ水Ｗの影響を受け、腐食しやすい。特に、伝熱管５は、上述の下端部分において、内周面の減肉的な腐食に加えて局部的腐食が生じやすく、それが原因で微小な穴開きを起こして破損する場合がある。
【００１９】
ここで、局部的腐食とは、図３（図２のIII部分の拡大図）に示すように、伝熱管５の水との接触面側から厚さ方向の反対側に向かう孔状の腐食、すなわち、伝熱管５の厚さ（肉厚）方向に発生する孔状の腐食をいう。以下、このような局部的腐食の発生現象を「孔食」といい、この孔食により生じた孔状の腐食を「食孔」（図３においては符号５ａで示している）という。
【００２０】
そこで、蒸気ボイラ装置１の運転中は、腐食による伝熱管５の破損を抑制するために、給水路１０から貫流ボイラ２に対して供給する給水の酸消費量（ｐＨ４．８）と電気伝導率とを継続的に測定し、下記の式（１）で示される指数を求める。この指数が２．５以上の場合、給水は伝熱管５を腐食により破損させにくい水質のものと判定することができる。一方、当該指数が２．５未満の場合、給水は伝熱管５を腐食により破損させやすい水質のものと判定することができる。このため、蒸気ボイラ装置１の運転中は、当該指数が２．５以上、好ましくは３．０以上になるよう給水の水質を調整する。
【００２１】
【数３】

【００２２】
ここで、酸消費量（ｐＨ４．８）は、給水に溶けている炭酸水素塩、炭酸塩、水酸化物などのアルカリを所定のｐＨ（ここでは、４．８）に中和するのに要する水素イオンの量（酸の量）を、水素イオン（酸）に相当する炭酸カルシウムの量に換算して、給水１リットルについてのｍｇ数で表したものである（ＪＩＳＫ０１０１：１９９８、３６頁参照）。一方、電気伝導率は、２５℃の給水がもつ電気抵抗率（Ω・ｍ）の逆数に相当し、ｍＳ／ｍ（ミリジーメンス毎メートル）の単位で表したものである（ＪＩＳＫ０１０１：１９９８、３２頁参照）。因みに酸消費量（ｐＨ４．８）および電気伝導率は、ＪＩＳＫ０１０１：１９９８に規定された方法に従って測定することができる。
【００２３】
上述のように給水の水質を調整すると、伝熱管５は、ボイラ水Ｗとの接触部分における減肉的な腐食が抑制されると共に、食孔５ａの発生および成長も抑制され、腐食（特に食孔５ａ）による破損を起こしにくくなる。なお、給水の上記指数が２．５未満の場合は、ＪＩＳＢ８２２３：１９９９で推奨されている他の水質管理基準（例えば給水のｐＨや溶存酸素濃度等およびボイラ水のｐＨや各種イオン量等）を所要の状態に設定しても、伝熱管５に腐食、特に孔食による食孔５ａが発生しやすくなる。
【００２４】
蒸気ボイラ装置１において、給水路１０から貫流ボイラ２に対して供給する給水の上記指数を上述のように調整するためには、給水の酸消費量（ｐＨ４．８）を高くするか、または給水の電気伝導率を低くする。給水の酸消費量（ｐＨ４．８）を高めるためには、給水路１０中の給水に対し、酸消費量（ｐＨ４．８）を高めるための薬剤を薬注装置１３から注入する。ここで用いられる薬剤は、例えば、給水のｐＨをアルカリ側に調整するためのｐＨ調整剤であり、各種の炭酸水素塩、炭酸塩若しくは水酸化物またはこれらを任意に混合したものの水溶液である。但し、薬剤としては、通常、安価で取扱いが容易なことから、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液を用いるのが好ましい。一方、給水の電気伝導率を低くするためには、例えば、給水中に含まれる塩化物イオンやリン酸イオンなどの各種イオンの量を減少させる方法を採用することができる。
【００２５】
なお、上述のような薬剤の注入により上記指数が調整された給水は、薬剤の影響によりｐＨが上昇することになるため、貫流ボイラ２の貯留部４内においてボイラ水Ｗとして貯留されて加熱されると、その際に濃縮されてｐＨがさらに上昇することになる。したがって、この場合は、ボイラ水ＷのｐＨをＪＩＳＢ８２２３：１９９９において推奨されている範囲に設定するために、排出口４ａからボイラ水Ｗを適宜排出しながら（ブローしながら）貯留部４に給水を供給し、ボイラ水Ｗを給水により適宜希釈するのが好ましい。
【００２６】
なお、この実施の形態では、本発明の水質判定方法を貫流ボイラで用いられる伝熱管を例に説明したが、本発明の水質判定方法は、貫流ボイラ以外のボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管に対し、同様に適用することができる。
【００２７】
検証例
ＪＩＳＢ８２２３：１９９９において推奨されている給水およびボイラ水の管理基準に適合するよう運転されていた本出願人会社製のボイラにおいて、１９８９年１０月から１９９９年９月の１０年間の間に伝熱管の腐食破損が２９件報告された。ところが、これらの報告事例の全てにおいて、伝熱管の減肉的な腐食の状況を示す指標（ｍｄｄ）は伝熱管の腐食破損が生じないことを示していた。そこで、各報告事例について伝熱管の破損形態を調べたところ、全ての事例における破損形態は、孔食の進行で生じた食孔による微小な穴開きであることが判明した。
【００２８】
そこで、本発明者等は、上記１０年の間に稼動していた本出願人会社製の全ボイラの夫々に供給していた給水の水質を定期的に分析して得られていた水質データから、ボイラ毎に給水の平均酸消費量（ｐＨ４．８）と平均電気伝導率とを求めた。そして、それらの結果からボイラ毎に給水の上記指数を求め、当該指数と破損件数との対応関係を調べた。結果を表１に示す。また、表１に示した破損件数の累積数と上記指数との関係をグラフ化した結果を図４に示す。なお、図４では、表１に示す各指数の範囲の最大値に対応させて、破損件数の累積数を表示している。
【００２９】
【表１】

【００３０】
表１および図４によると、上記１０年の間に稼動していた本出願人会社製の全ボイラのうち、伝熱管の腐食破損が報告された上記２９件の事例の全ては給水の上記指数が２．５未満であり、給水の当該指数が２．５以上の場合は伝熱管に腐食破損が発生していないことが判明した。これより、給水の上記指数を２．５以上、好ましくは３．０以上に調整すると、ボイラの伝熱管の腐食、特に、孔食で生じる食孔による破損を効果的に抑制できることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係るボイラ給水の水質判定方法は、上述の指数を求めているため、ボイラに対して供給する軟水の水質について、指数が２．５以上の場合はボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管を腐食させにくいものと判定することができ、また、指数が２．５未満の場合はボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管を腐食させやすいものと判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水質判定方法を適用可能な蒸気ボイラ装置の概略図。
【図２】前記蒸気ボイラ装置において用いられる貫流ボイラの一部断面概略図。
【図３】図２のIII部分の拡大図。
【図４】検証例における、給水の上記指数と破損事例の累積数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
２貫流ボイラ
５伝熱管
５ａ食孔

Claims

ボイラに対して供給する軟水の水質が前記ボイラの非不動態化金属を用いて形成された伝熱管に孔食を発生させる水質であるかどうかを判定するための方法であって、
前記軟水の酸消費量（ｐＨ４．８）と電気伝導率とを測定する工程と、
前記酸消費量（ｐＨ４．８）と前記電気伝導率とから、下記の式（１）で示される指数を求める工程と、
を含むボイラ給水の水質判定方法。