引言随着区域供冷技术的发展，我国南方地区及部分北方一线城市均分布不同规模的区域供冷能源站。区域供冷技术主要以“电制冷+冰蓄冷”模式为主，利用峰谷电价的差值，在夜间谷电时刻采用电制冷手段将水降低至零度并且凝结成冰，在白天用电高峰时刻融解冰，从而达到快速制取低温冷冻水的效果[1-3]。区域供冷能源站运行一段时间后，逐渐暴露出一些问题。其中，冰蓄冷系统中的蓄冰盘管腐蚀问题最为严重，腐蚀垢的存在极大地影响蓄冰盘管的换热效率。腐蚀点被腐蚀穿透会导致冰蓄冷系统内的乙二醇溶液泄漏至蓄冰池，甚至是整个冷冻水环网，严重影响正常的生产保供工作。由于蓄冰盘管排布紧密，在不清楚腐蚀穿透点位置的情况下，给蓄冰盘管后期的堵漏维修工作增加难度。以北京市某商务区能源站冰蓄冷系统为例，在当前水质下进行镀锌钢管样品的腐蚀速率实验，并提出解决冰盘管腐蚀的方案。1工程概括北京市某商务区综合能源供给的能源站以冷热同网的综合管廊作为传输线，承担商务区的供冷、供热保障工作。能源站采用“三级串联冷却”的运行模式进行冷冻水的生产，包括基载机组一级冷却、双工况制冷机组（制冷工况）二级冷却、蓄冰池（融冰工况）三级冷却。能源站冰蓄冷系统中，来自用户的高温冷冻水回水(12 ℃)经过基载机组（离心式制冷机组）的一级换热，进入制冷板式换热器与来自双工况制冷机组的低温乙二醇溶液进行二级换热，进入蓄冰池进行融冰，完成三级换热，最终得到1 ℃的低温冷冻水，经冷网循环泵做功传递至环网用户。双工况制冷机组在夜间谷电时段运行制冰模式，制取的低温乙二醇溶液流入冰盘管与蓄冰池内的水进行热量交换，直至蓄冰池内的水全部结冰。融冰时，冷冻水从外部冲刷蓄冰池内的冰体，完成热量交换，即外融冰。当冰量溶解至4/5时，蓄冰池底部的空气压缩机将在底部吹气口吹气，强化冰盘管近壁面处的扰流，加快冰层脱离壁面，加速融冰。蓄冰池原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F001图1蓄冰池原理2冰盘管腐蚀问题描述及分析项目为冷热同网供能工程，区域内的环网冬天供热水，夏天供冷冻水，且环网内冷、热共用循环水。冬季供热水时，环网水中的钙、镁离子含量高，导致水质硬度过高。经过一个供热季的运行，水质不符合供冷时蓄冰盘管的工作条件，为了降低水质的硬度，在循环水中加入化学药品，使药品中的不明成分堆积在蓄冰池底部或溶于循环水，导致循环水pH值过高，呈碱性，长时间运行导致蓄冰盘管受到腐蚀，原本亮银色的光滑表面变得坑洼不平，出现疑似“铁锈”的附着物，蓄冰盘管腐蚀现状如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F002图2蓄冰盘管腐蚀现状钢管表面的锌层具有隔离腐蚀环境的作用，在发生腐蚀反应时，优先对锌层进行腐蚀，且锌层的腐蚀产物对钢管表面具有较好的保护作用，会减缓钢管的腐蚀速率。锌层被腐蚀穿透，露出钢管表面时，锌-铁溶液的电化学腐蚀中，由于镀锌层的电位比铁低，是腐蚀电池的阳极，受到腐蚀；铁是阴极，只起传递电子的作用，从而受到保护。因此，与未镀锌的钢管相比，镀锌钢管的使用寿命是未镀锌钢管的15~30倍[4-5]。镀锌钢管受到严重腐蚀时，腐蚀坑内的覆盖物含量未知，腐蚀速率未知。因此，有必要对当前水质下镀锌钢管的腐蚀问题进行深入研究，通过样品腐蚀实验探究水质对镀锌钢管的腐蚀速率。3实验分析3.1实验方案为了探究蓄冰池当前水质下对镀锌钢管的腐蚀速率，将一组实验样品放入蓄冰池水溶液中，定期取出样品，采用DR380涂层厚度仪对锌层厚度进行检测并记录。实验步骤：冰盘管样品拍照留存；选取1#冰槽中间段位置投放样品；利用绳子连接样品，并下放至冰槽底端，绳子另一端与冰槽过道的钢管固定并做好标记；记录冰槽水温度及pH值；每隔两周将样品拿出进行观察测量并做好记录。涂层厚度仪技术指标如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.T001表1涂层厚度仪技术指标参数数值测量范围0~1 250 μm最小接触面积16 mm最小曲率凸5 mm、凹25 mm测量精度±(1%~3%)H+1.5 μm工作温度0~60 ℃工作湿度20%~90%RH3.2实验过程将冰盘管样品从蓄冰池捞出后观察到表面具有不同程度的腐蚀，对冰盘管样品进行定点检测。测试样本水中位置为水下2.8 m，第二组冰盘管与第三组冰盘管间隙中。镀锌钢管样品如图3所示。样品测点布置方案如图4所示。样品总长38 cm，以第6 cm至26 cm处的管段作为主要研究界面，从中心线开始，间隔2 cm进行标定点测试，并将4.5 cm处和27 cm处作为特殊点进行测试。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F003图3镀锌钢管样品10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F004图4样品测点布置方案3.3结果与分析经过4个月（6次）的腐蚀测试，分别对13个测量点进行检测记录，各测点锌层厚度变化如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.T002表2各测点锌层厚度变化测试次数测点位置/cm4.56.08.010.012.014.016.018.020.022.024.026.027.0182.995.691.788.483.884.184.083.986.388.686.979.684.6280.293.190.585.881.783.582.380.884.384.185.379.583.5375.489.889.683.681.282.379.579.283.083.984.478.380.1473.082.781.281.980.574.776.678.381.883.483.876.279.4570.877.977.774.378.773.774.876.680.380.082.873.278.2668.876.276.872.476.171.273.175.779.678.179.471.576.3μm随着时间推移，各测点的锌层厚度均有所减小，呈现衰减趋势。第6次锌层厚度测试发现，监测点外的侧壁有两处明显的严重腐蚀，侧壁处腐蚀如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F005图5侧壁处腐蚀经过3个月的测量观察发现，镀锌钢管由于热侵工艺的不规范，导致钢管的锌层初始厚度不同，其在碱性水质下的被腐蚀速率也不同。不同测点6次检测后的最终腐蚀程度如图6所示。经过4个月时间，6 cm处测点镀锌厚度由最初的95.6 μm被腐蚀为76.2 μm，腐蚀程度达19.4 μm；6 cm处测点锌层厚度是整个样品测点最厚的地方。第一次测量时，26 cm处测点的锌层最薄，厚度仅为79.6 μm，但其在整个过程的腐蚀程度较低，约6.7 μm，属于正常的腐蚀或氧化范围。在目前的水质和温度情况下，仅需两年就能够将锌层完全腐蚀。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.015.F006图6不同测点6次检测后的最终腐蚀程度锌层发生腐蚀穿透漏出钢管后，可能加快电化学反应的反应速率，从而导致6 cm处的锌层的腐蚀程度更高。根据数据和样品现状可以看出，镀锌钢管在当前水质下时刻发生电化学腐蚀，随着腐蚀点的增加，形成点-线-面的扩散方式，最终会将镀锌层完全腐蚀。碳钢无锌层保护时，在碱性溶液中的腐蚀速率加快，直至腐蚀点被穿透。由于本次实验未对实验样品进行全方位的锌层厚度检测，缺乏精确测量仪器的测量数据，不能仅凭表面现象和肉眼观察结果确定结论。4解决方案4.1方案一在冷冻水中添加弱酸性且包含去硬度的药剂，中和因冬季供热而造成的管网水质偏碱性、钙镁等硬度离子含量高的影响。缺点：由于水处理药剂的化学成分复杂，在添加药剂运行一段时间后水中的pH值和硬度离子含量达到水质标准，但随着药剂量的逐渐增多，水中其他化学成分也逐渐增多，可能存在其他电化学腐蚀反应，造成管网的腐蚀、结垢问题。4.2方案二排空蓄冰盘管所在蓄冰池内的冷冻水，在蓄冰盘管腐蚀处进行抛光、喷涂镀膜处理，恢复锌层厚度。缺点：蓄冰盘管安装规模较大且排布紧密，作业空间有限，难以做到对腐蚀处的全面填补，且镀锌钢管需要湿保养，避免锌层直接接触空气，发生氧化还原反应，生产氧化膜。4.3方案三在管网水与蓄融冰系统之间增加一个换热器，避免管网水与蓄冰盘管的接触，保证蓄冰盘管不受管网循环水水质的影响。缺点：换热器的接入会造成冷冻水供水温度的损失，为了满足用户供冷温度的需求，可能以增大水泵功率为代价，或使蓄冰系统内的冷量不足以支撑用户在电价尖峰时段的负荷。4.4方案四采用镀锌钢管以外的材料作为蓄冰盘管，如铝塑负荷材料(PAP)、聚氯乙烯管(PVC)和其他纳米导热复合材料。缺点：目前冰蓄冷行业对镀锌钢管以外的材料应用较少，缺乏实际案例。其他材料的导热性比镀锌钢管小很多，用于冰蓄冷系统会在相同蓄冰量的前提下增大占地面积，增加项目投资。4.5方案五供冷季结束后，蓄冰池内的水，注入新的符合蓄冰盘管水质的冷冻水（可以以中水代替），减少镀锌钢管被腐蚀的时长。缺点：耗水量大，且经过加药处理的冷冻水不能作为普通污水排放，管线路由不明确，需要与排水集团进行会商，流程复杂，短期难以实施。结合能源站现状以及蓄冰盘管保养规范，选择方案一作为应急措施，方案三作为改造预案，方案四作为今后其他能源站蓄冰系统设计方案；方案二和方案五不具备操作条件，因此不予考虑。5结语冷热同网的区域供能系统能够节约市政管线路由，避免单独建设管线存在的半年限制期，减少项目投资，但供热工程结束后的高硬度（钙、镁离子含量高）、强碱性水质为供冷工程带来蓄冰盘管腐蚀问题。通过对当前水质下镀锌钢管的腐蚀速率实验发现，镀锌钢管在目前水质下连续两年锌层即可完全被腐蚀，碳钢的腐蚀速率未知，使用寿命较短。为了确保供冷工程稳定运行，解决当前盘管腐蚀问题，提出5种解决方案，并选定方案一作为当前应急措施，方案三作为改造预案，方案四作为今后其他能源站蓄冰系统设计方案。随着材料科学的迅速发展和纳米复合材料的提出，聚氯乙烯塑料凭借其不腐蚀、不结垢、不发生电化学反应以及逐渐高效的换热性能可能会成为蓄冰盘管的新一代材料。