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1、 12006 7 月 中華水電凍空調 第 273 期 ? ? ?卻水塔水資源節能管控對策探討（中）卻水塔水資源節能管控對策探討（中）許顯志*莊嘉琛* * 國台科技大學凍空調工程研究所 台市忠孝東三段一號；Emails3458510ntut.edu.tw 4.冷卻水質控制問題對策與特殊運用例探討 4.1 ?Corrosion? 冷卻水系統形成腐蝕原因非常多，其中最主要導因於冷卻系統其循環機制以開放式系統為多數，主要用途又使用於高低溫熱交換，由於空氣中細菌灰塵等異物繁多，非常容易透過開放式熱交換型 式進入冷卻水中，造成水質的不確定影響因素增加，再加上冷卻水中的溶氧因潛熱進行而增加，更增添了腐蝕問題
2、的衍生。其中最常見的問題概分成九大類型分述如下【6】【7】【8】【19】【20】： 一般腐蝕 （Uniform or general corrosion） 或稱均勻腐蝕如圖 7，其主要形成原因是當金屬表面，因接觸及使用時間之累積，使金屬表面處理材之使用壽命用迄，進而使得內部金屬本體以化學、電化學反應或自然氧化等方式腐蝕，這種以均勻正常的速率使金屬表面因腐蝕而越來越薄，最後達到全部腐蝕的反應稱之。其反應化學式如式（20）所示： 4Fe0 + 3O2 + 2H2O 4FeO(OH) （20） 陽極陽極陰極陰極電子電子鋼材鋼材水水陽極陽極陰極陰極電子電子鋼材鋼材水水圖 7 腐蝕反應圖【20】 pH
3、腐蝕（pH corrosion），pH 值是取水中氫離子濃度導數的對數值，如式（21）所示： 中華水電冷凍空調設備資訊網 http:/.tw中華水電冷凍空調月刊95年7月22006 7 月 中華水電凍空調 第 273 期 ? ? ?log1log+ +=HHpH （21） 冷卻水於熱交換進行中因功能的不同，會有多種不同金屬物質接觸的機會，一般為避免冷卻水質結垢影響熱交換效率，多會以低 pH 水質控制因應，但也因而造成整個水質偏向腐蝕側，然而不同金屬材所對應的腐蝕 PH 環境又不盡相同如圖 8。因此如何決定一最佳水質 pH 值，並針對同一系統中不同金屬物處以適當的保護措施，才能有效抑制 pH 腐
4、蝕是非常重要的。 （a）貴金屬-金-腐蝕曲線 （b）鋁-腐蝕曲線 （c）銅-腐蝕曲線 （d）鐵-腐蝕曲線 圖 8 不同金屬與 pH 對應腐蝕率【20】 點蝕（Pitting）一般指金屬表面以局部或點狀凹陷的型式顯現點時的狀態，其形成原因可能於水流速度較低，或是局部氯離子濃度較高的環境中較易產生，尤其特別容易發生在高 pH 值水系統中之鋅或鋁合金成份之金屬表面。 微生物黏泥腐蝕（Biofouling corrosion）一部份好氧性微生物存在水中會含有硫的成份，或厭氣性微生物因具備生長於沉積物或水垢污泥底下繁衍的特性，這些生成都會轉化為塩酸或硫化氫，直接或間接影響金屬材之腐蝕；最常被提及到的微生
5、物腐蝕還包括有硫酸根還原菌（Sulfate Reducers） 、酸產生菌 （Acid Producers） 、鐵沉積細菌 （Iron depositors） 、黏泥生成菌 （Slime Formers）等微生物的代謝物或引起的結垢或沉積，將引起或加速局部的腐蝕，這些現象一般統稱為 MIC（Microbiologically Influenced Corrosion）微生物所引起的腐蝕【7】【8】。 電位腐蝕（Galvanic corrosion）兩種以上不同電位差的金屬物質接觸，透過電位差形成電流導通而發生腐蝕現象。其基本形成須具備陽極、陰極、其化學反應式（22）為： 陽極反應：FeFe2+
6、2e- 2Fe（OH）2+1/2 O2+H2O2Fe（OH）3 （22） 1/2 O2+H2O+2e-2OH- 接收電子的物質以及鹽橋來架構。其腐蝕流程是當陰陽極都有電位存在時，陽極釋放電子到陰極，而陰極有電子等候釋放，水中的電子又往陽極趨附，而形成電流通路；其間隨著不同金屬活性如圖 9，活性越高的陽極其被腐蝕率則越大。 中華水電冷凍空調設備資訊網 http:/.tw中華水電冷凍空調月刊95年7月32006 7 月 中華水電凍空調 第 273 期 ? ? ?Magnesium鎂鎂Zinc鋅鋅Aluminum鋁鋁Mild Steel軟鋼軟鋼Cast iron鑄鐵鑄鐵Stainless Steel
7、-active活性銹鋼活性銹鋼Brass黃銅黃銅Copper銅銅Bronze青銅青銅Stainless Steel-passive 耐蝕性銹鋼耐蝕性銹鋼Graphite石墨石墨活性低活性低,陰 極保護陰 極保護活性高活性高,陽 極腐蝕陽 極腐蝕Magnesium鎂鎂Zinc鋅鋅Aluminum鋁鋁Mild Steel軟鋼軟鋼Cast iron鑄鐵鑄鐵Stainless Steel-active活性銹鋼活性銹鋼Brass黃銅黃銅Copper銅銅Bronze青銅青銅Stainless Steel-passive 耐蝕性銹鋼耐蝕性銹鋼Graphite石墨石墨活性低活性低,陰 極保護陰 極保護活性高活
8、性高,陽 極腐蝕陽 極腐蝕圖 9 雙金屬腐蝕活性比較【19】 應力腐蝕（Stress corrosion）或稱脆裂腐蝕（Cracking corrosion ）若金屬因應力施加形成金屬疲勞導致腐蝕速度加劇，或腐蝕性物質因水流速度停滯，造成局部腐蝕性離子濃度增高而導致週邊金屬材應力脆化，而造成各種破裂損壞狀況者稱之，如圖 10 所示。通常金屬受張力之腐蝕度受壓力部位，而受壓力部位之腐蝕度又大於未受壓力者，特別是壓力負荷已臨界甚或超越金屬材所能負荷，則應力腐蝕將加劇【7】【8】。 （a）荷重應力腐蝕 （b）晶格間隙應力腐蝕 （c）斷裂應力腐蝕 （d）樹狀應力腐蝕 圖 10 雙金屬腐蝕活性比較【7】
9、 沖刷腐蝕（Erosion corrosion）此種現象特別容易發生在管路彎頭或泵吸入端，這些區域共同特性為流速快壓力變化劇烈，若再結合水中之懸浮固體與因壓力導致的氣體氣泡破裂等因素，經過長時間的沖刷縱使管路有鈍化處理膜也都將遭破壞，而形成金屬局部的沖刷腐蝕。 裂縫腐蝕（Crevice corrosion）其主要成因是發生在沉積物的下方，或縫隙區因各種物質的覆蓋或沉積，導致該區域含氧濃度偏低甚至缺氧，相對於環境水質中的含氧濃度形成高低之區隔，進而形成流動電流而導致腐蝕狀態之發生如圖 11。 中華水電冷凍空調設備資訊網 http:/.tw中華水電冷凍空調月刊95年7月42006 7 月 中華水電
10、凍空調 第 273 期 ? ? ?（a）縫隙腐蝕 （b）覆蓋或沉積腐蝕 圖 11 裂縫腐蝕【8】 運轉操作腐蝕（Operation corrosion）以操作面而言，現行實際冷卻水系統與冷卻水塔間之運轉狀態密不可分，運轉最佳化也經常被討論並實際運用，於是形成多組水塔並聯運轉，各種規格大小與效率高低的不同運轉組合，充分的以節能的角度相互搭配運轉，但以目前金屬水塔材質與水質處理兩項因素來看卻有些許更值得注意的關鍵。 舉例由於冷卻水系統金屬材於水質處理中接受加藥保護，因而以冷卻水塔而言唯一不被經常性保護的金屬元件，就是金屬材質的冷水盤以外區域，特別是散水的熱水盤當水塔停機時，由於其密封構造與水平配置
11、之特性，在停機的數天內甚至一週內，其熱水盤底仍維持經常性潮濕，加劇了金屬材氧化的速度如圖 12，若再加上水質控制未能穩定，局部氯離子濃縮過高也就是 pH 的腐蝕性殘存，則更會減短水塔熱水盤之壽命。因此節能觀念日益被重視的今天，操作者如何整體性的配套措施全方位的規劃謹防不當操作，而造成不必要的設備腐蝕是非常重要的觀念。 （a）熱水盤腐蝕修護前 （b）熱水盤腐蝕修護後 圖 12 操作腐蝕實際案例 腐蝕抑制的方法除了相關物理機制腐蝕現象之避免與微生物控制外，一般於工程配管完成之初即應於洗管試水時一併管路造膜，以預防重於保養的觀念先行建構保護機制，其原理為利用藥劑與管內壁接觸時產生 Fe3O4包覆形成
12、金屬表面鈍化反應的保護功能。而在實際系統運轉中針對腐蝕評斷較常被採用的抑制效果評估指標，有單位面積的重量損失（mdd）與單位面積滲透情形（MPY 或 m/a），或腐蝕測試片腐蝕計算，其簡易計算如下式（23）【20】： 中華水電冷凍空調設備資訊網 http:/.tw中華水電冷凍空調月刊95年7月52006 7 月 中華水電凍空調 第 273 期 ? ? ?%100)(010=EEEE （23） （=E抑制效果；=0E未加抑制劑的腐蝕率；=1E加抑制劑後的腐蝕率） 腐蝕試片計算如公式（24）【20】： 腐蝕率=1000)( 測試天末重初重FactorMPY （24） （MPY：Mill inch
13、Per Year (1/1000 inch)；銅片 factor：0.78；碳鋼片 factor：0.89；此數值參考 Nalco原廠試片面積為基準，不同尺寸試片面積，參數則需再行修正） 一般標準值 銅片0.5 MPY；碳鋼片2.0 MPY 腐蝕的形成主要來自於氧化與還原反應，因此抑制的方法也分別從陰極、陽極或兩極同步抑制來著手，其運用又分為單一藥劑抑制與混合型藥劑抑制兩大類，實際差異分別敘述如下： 1）單一藥劑的陰極防蝕主要運用包括鉻酸鹽、聚磷酸鹽等無機磷酸鹽或有機磷酸鹽類、TT、BZT（三硝胺侳氮）、鋅等。其中有機磷酸鹽抑制腐蝕原理是利用藥品與水中的雜質結合，進而形成沉積覆蓋金屬表面以達到保護功能；而無機磷酸鹽與鋅其抑制原理
