开封地区地热水结垢与腐蚀趋势判别

开封地区地热水结垢与腐蚀趋势判别

0腐蚀的间接判断结垢和腐蚀是地热水开发中普遍存在的问题。地热水结垢是根据热水中的溶解物是否是以固体形式沉淀的，而地热水的腐蚀是通过结垢而间接评估的。一般来说，当地热水系统一般结垢时，由于污渍覆盖金属和水，不会发生腐蚀。当水溶解时，水和金属之间会有直接接触，并可能发生腐蚀。随着地热水资源的广泛利用,防垢与防腐成为地热水利用过程中亟待解决的问题.因此,认清结垢与腐蚀机理,采用合适的方法对地热水的结垢与腐蚀趋势进行判别具有十分重要的意义.1结垢与腐蚀机1.1地热水中的结垢规律地热水的矿化度一般较高,当地热水从热储层向地面运移或在管道输送过程中,由于温度和压力的变化,其中溶解的某些固体物质超过饱和度,从而有固体物质析出并沉积在井管或管线上形成垢层,这样就发生了结垢现象.地热水水垢按其主要化学成分可分为碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢和氧化铁垢等.在地热水利用过程中,最普遍存在的是碳酸钙垢.因此可以说,地热水中碳酸钙的溶解平衡决定着其结垢倾向.由碳酸钙的饱和状态可以粗略预测其在地热水中的结垢趋势:如果地热水中的碳酸钙处于不饱和状态,那么该地热水不会发生结垢现象;如果处于过饱和状态,那么该地热水具有结垢趋势.大量的实践表明,碳酸钙处于过饱和状态并不意味着结垢一定发生,尤其是在溶解度曲线附近.1.2腐蚀机1.2.1水质的化学性质氧在阴极上的还原过程相当复杂,概言之,先是氧扩散到阴极表面,然后氧在阴极上发生离子化.在中性、碱性、弱酸性的水中,其离子化学方程式为:O2+4e+2H2O=4OH-,即腐蚀与氧在金属上的供给量有关.水在平静或流速甚小的状态下,氧到达金属表面主要靠扩散.但是地热水在使用过程中通常都处于流动状态,因此它对金属的腐蚀速度既与DO的浓度有关,也与水流速度有关.1.2.2不同浓度下so2-324的腐蚀活性离子的作用主要有:(1)Cl-的作用.Cl-是阻止和破坏金属表面阳极极化,引起局部腐蚀(点蚀、孔蚀)的重要因素.在Cl-浓度甚大的地热水中,即使DO浓度不大,金属表面的钝化膜仍会被破坏.实验表明:在25℃下,Cl-浓度达100×10-6mg/L以上时,就会发生剧烈腐蚀.(2)SO2-42−4的作用.SO2-42−4也是加速金属局部腐蚀的因素.在低浓度下,SO2-42−4的腐蚀性高于Cl-;SO2-42−4浓度接近1×10-6mg/L时,腐蚀骤然加剧,达到1×10-6mg/L后腐蚀速度趋于峰值,之后保持峰值水平,基本不受SO2-42−4浓度增加的影响;但是当Cl-和SO2-42−4浓度都达到100×10-6mg/L时,Cl-造成的腐蚀率大于SO2-42−4.保护性离子的作用主要是指SiO2-32−3、硅酸盐在水中形成带负电荷的胶体并吸附在阴极区,与带正电荷的Fe2+生成FeSiO3,从而阻滞阳极被腐蚀的过程.通常,在流动水系统中,硅酸盐浓度为150~200mg/L时便有缓蚀作用,但其浓度不够时反而会加速局部腐蚀.地热水中SiO2-32−3含量通常较低,不能起保护作用,而成为腐蚀性离子.溶解的CO2(ag)与HCO-3、CO2-32−3的作用.当地热水与大气平衡时,溶解的CO2(ag)与HCO-3、CO2-32−3对金属管道的腐蚀遵从Henry定律:[CO2(ag)]=KH·p(CO2),(1)式中,KH为Henry常数,它随温度升高而减少;p(CO2)为CO2分压.当p(CO2)大于2×105?Pa时,腐蚀严重,低于0.2×105?Pa时,腐蚀比较轻微.2结垢与腐败的等级2.1地热水系统中ph的测定Langlier根据水中碳酸钙平衡原理,提出用饱和指数(L.I)来判别水质的稳定性:L.I=pH-pHs?,(2)式中,pH为地热水系统中实测的pH值;pHs为地热水系统中碳酸钙达到平衡时的pH值.Langlier饱和指数判别水的结垢与腐蚀的准则见表1.用Langlier饱和指数法判别地热水的结垢与腐蚀趋势具有较强的理论性,在具体运用过程中应当考虑pHs计算的误差范围.同时由于实际温度的变化、抑制剂的加入及浓缩倍数增加等因素的影响,它的使用有一定的局限性.2.2r.i+k-l2phs-ph稳定指数法美国从事地热应用研究的化学家艾利斯(Ellis)首先将Ryznar稳定指数用于地热水结垢与腐蚀趋势的判别.该指数是根据饱和指数的含义并在对各种水的实际运行结果进行总结的基础上提出的,其公式为R.I=2pHs-pH?,(3)式中,R.I为稳定指数.通过不同范围的R.I值判断水的结垢与腐蚀的准则,如表1所示.因为Langlier饱和指数与Ryznar稳定指数都是以碳酸钙的溶解平衡作为判断依据,所以在一般情况下,利用这两种指数得出的结论基本相同;但是Langlier饱和指数的理论性强,而Ryznar稳定指数是一个经验指数,在一定程度上弥补了Langlier饱和指数的不足,具有较强的实用性.在实际生产过程中配合应用这两种指数将会更有助于判断水的结垢与腐蚀倾向.2.3氯化物及alk的浓度对前二种判别方法因没有考虑氯离子、硫酸根等对碳酸钙垢平衡条件的影响而在使用上有一定的局限性.地热水中氯离子和硫酸根的含量越高,利用前两种方法得出的结论越不准确;其中又以氯化物的影响最为明显.当氯离子含量超过25%毫摩尔/化合价百分数,并且其绝对量超过某一数值时,采用Larson指数法判别才能得出正确的结论.Larson指数的计算公式为LΙ=Cl-+w(SΟ2-4)ALΚ(4)LI=Cl−+w(SO2−4)ALK(4)腐蚀性评价时,式(4)中Cl-、SO2-42−4分别为氯化物和硫酸盐浓度(mg/L),ALK为总碱度(mg/L).结垢性评价时,式(4)中Cl-1、SO2-42−4及ALK均以等当量碳酸钙表示,判别准则见表1.3上热储层地热水根据开封地区地热井的水文地质特征,以1300m为界线将热储层分为上下两层.上热储层深度一般小于1300m,下热储层深度大于1300m;两热储层分别属于新第三系明化镇组(Nm)和馆陶组(Ng).上热储层地热水矿化度小于1g/L,为淡水,硬度小于100mg/L,属软水,水化学类型为HCO3?Na型;而下热储层矿化度达4.66g/L,为半咸水,硬度为366.5mg/L,属硬水,水化学类型为Cl?Na型.本例主要根据开封地区各热储层地热水相关的水质资料,利用Langlier饱和指数法、Ryznar稳定指数法及Larson指数法对其地热水的结垢与腐蚀趋势进行判别,结果如表2所示.4使用规律和使用限制(1)从表2可以看出,用Langlier饱和指数法、Ryznar稳定指数法和Larson指数法对开封地区地热水结垢与腐蚀趋势的判别结果是基本一致的.少数(如宋都宾馆)出现偏差的原因可能正是Langlier饱和指数法在使用上的局限性所致.实际上,宋都宾馆地热井在使用过程中有轻微结垢现象发生.(2)从表2还可以