用于监测和控制热水系统中的腐蚀的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及用于监测和控制热水系统中的腐蚀的系统和方法。更具体地， 本发明涉及在操作温度和操作压力下测量一个或更多个操作保护区中的实时氧化还原电 位，并且利用那些测量结果来控制活性化学物质的供给。本发明特别涉及局域地和/或全 局地监测和控制在简单热水系统或复杂热水系统中的腐蚀。
【背景技术】
[0002] 热水系统通常包括全黑色金属冶金（all-ferrous metallurgy)或混合冶金 (mixed metallurgy)，例如铜或铜合金系统、镍和镍基合金、以及不锈钢，并且还可能混合 有低碳钢成分。存在许多一般的热水系统种类/部件，例如锅炉、热水加热器、热交换器、蒸 汽发生器、核动力电力系统、内燃机和柴油机冷却系统、蒸发器系统、热法脱盐系统、造纸作 业、发酵工艺等以及附接的辅助装置。上述热水系统是经受无数REDOX应激事件（即，热水 系统中的与氧化电位或还原电位的变化有关的任何电化学事件）的动态操作系统。这样的 事件一般包括涉及系统中的氧化还原电位（"0RP"）区间或范围的任何过程。
[0003]这些事件由如下众多因素导致，上述众多因素包括：各种部件的泄露；渗漏空气 的污染；有故障的栗、密封件、真空管路和仪表。此外，富氧水（例如锅炉补给水、回流的蒸 汽凝结水和/或未加工的地表水或地下水）的使用增加、脱气器故障、蒸汽和涡轮的负荷摆 动、以及与化学物质进料栗有关的问题引起化学品处理进料速率的意外减小或增大。不受 控制的REDOX应激事件可能导致严重的腐蚀问题，例如热水系统中的局部腐蚀、应力腐蚀、 腐蚀疲劳和/或流动加速腐蚀问题。根据其特征，这些问题往往是电化学问题从而与环境 和结构材料的相互作用的氧化还原性质有关。而且，如果热水的pH偏离目标控制范围，则 腐蚀问题可能会加剧。
[0004] 虽然目前已经实践了一些常规方法来识别热水系统中的REDOX应激事件，但由于 热水系统动力学，大多数REDOX应激事件是无法预测的。例如，锅炉水温可以在约6MPa下 的约240°C至在约lOMPa下的约310°C的范围内；在这些高温下，化学反应可以快速地发 生。在这样的条件下常规方法具有固有缺点（参见下文），从而未被广泛地实践。因而，多 数RED0X应激事件处于未被检测到的状态从而未被修正。不受控制的RED0X应激事件可能 在这些系统中导致严重的腐蚀问题，这不利地影响了固定设备的预期寿命、可靠性、生产能 力、安全性、环境控制（environmental regulations)、资本支出和总的设备使用成本。
[0005] 目前识别RED0X应激事件和监测热水的pH包括在线仪器和采样式湿法化学分析 测试方法两者。在这两种方法中，在测量之前，试样必须首先经受试样调节，例如冷却。在 线仪器的实例包括溶解氧测量仪、阳离子电导率测量仪、室温0RP测量仪、pH测量仪、钠分 析仪、硬度分析仪、比电导率计、氧化硅分析仪、粒度计和浊度计、还原剂分析仪等。常规腐 蚀监测（例如采样和电化学分析）通常在冷却试样之后进行或在高温下进行。采样式测试 方法包括对溶解氧、PH、硬度、氧化硅电导率、总铁和可溶性铁、铜、以及氧化硅、过量的还原 剂等进行分析。
[0006] 这些方法的一些缺点包括如下。采样式分析给出单个时间点的测量结果，因此不 是用于REDOX应激事件或热水的pH的可行的连续监测方法。采样式分析常常具有不足的 低水平的检测极限。而且，考虑到温度变化，可能需要对从冷却试样流的采样式分析读取的 pH进行修正。
[0007] 在线监测器不提供REDOX应激的直接测量结果，从而不能指出在任何特定时间处 是否发生REDOX应激事件。腐蚀监测器检测总体腐蚀，但不能够测量由REDOX应激事件引 起的局部腐蚀速率上的变化。在线还原剂分析仪测量还原剂的量而不是系统在系统温度和 压力下正在经受的净REDOX应激。因此在明显存在还原剂的情况下可能发生REDOX应激是 该技术的另一缺点。
[0008] 溶解氧（"D0"）测量仪具有类似的缺点。对D0 (氧化剂）的量进行测量不一定测 量系统正在经受的净RED0X应激，这不是腐蚀应力的准确指示。在D0测量之前还必需冷却 试样，从而在检测RED0X应激事件何时开始时增加了滞后时间。此外，取样管路中潜在的氧 消耗可以引起不准确的读数。在明显不存在D0的情况下也可能发生RED0X应激，并且在试 样中几乎没有D0可能是假阴性的。另外，上述所有仪器购买价格相对昂贵，并且需要频繁 的校准和维护。
[0009] 腐蚀试片给出了总体系统腐蚀的时间平均结果。而且，该技术不提供RED0X应激 事件的实时指示或控制。在线电化学腐蚀工具不足以确定局部腐蚀并且不能在低电导率环 境中使用。
[0010] 室温0RP是从系统所取的试样的净0RP的直接测量结果。该技术的缺点是其不能 指出在系统温度和压力下发生了什么。由于过程动力学和热力学随着温度而变化，所以在 室温下常常观察不到在操作温度和压力下发生的RED0X应激事件。另外，室温0RP测量装 置反应较迟钝并且较容易极化。这样的装置的可靠性差并且其需要频繁的校准和维护。
[0011] 因此存在开发在操作温度和操作压力下准确地监测和控制热水系统中的实时的 0RP和pH的持续需求。
【发明内容】
[0012] 因此本公开内容提供用于在操作温度和压力下实时监测和控制热水系统中的0RP 和pH的系统和方法。在热水系统中发生的一系列过程影响0RP，0RP转而用作热水系统的 RED0X应激指示。与常规室温测量相比，在系统操作温度和压力下实时进行的0RP测量能 够全部实时地指示：发生在系统中的初级RED0X应激事件和次级RED0X应激事件，以及热水 的pH。这样的实时0RP监测可以用于测量、确定和评估系统中的RED0X应激需求和热水的 pH，从而能够用作直接腐蚀过程指示或间接腐蚀过程指示。
[0013] 在一方面，本发明提供了一种用于监测和控制锅炉中的腐蚀的系统。该系统包括 氧化还原电位探测器和控制器单元。所述氧化还原电位探测器能够基本实时地测量锅炉水 的还原电位。控制器单元可操作地耦接至氧化还原电位探测器，并且响应于所测得的还原 电位而激活至少一种水处理化学品以将pH保持在预定范围内。
[0014] 在另一方面，本发明提供了一种用于监测和控制热水系统中的腐蚀的方法。该方 法包括利用氧化还原电位探测器基本实时地测量热水的还原电位，并且响应于所测得的还 原电位而激活至少一种水处理化学品以将pH保持在预定范围内。
[0015] 本发明的优点为提供了一种抑制热水系统中的腐蚀的方法：该方法基于在操作温 度和压力下测量热水系统中的实时0RP并通过向热水系统中供给一种或更多种活性化学 物质以保持0RP设置和/或热水的pH来应对所测得的0RP。
[0016] 本发明的另一优点为提供了一种热水系统腐蚀控制装置，该装置包括接收器、处 理器、发送器和进料装置，接收器、处理器、发送器和进料装置以协调一致的方式工作以控 制热水系统中的一个或更多个操作保护区中的实时0RP和/或pH。
[0017] 本发明的又一优点为通过实现改进的系统参数的维护和控制来提高热水系统效 率。
[0018] 本发明的又一优点为通过准确地防止腐蚀来降低各种热水系统和部件的操作成 本。
[0019] 前述已经大致概述了本发明的特征和技术优点以使本发明的以下详细描述能够 更容易理解。形成本发明的权利要求的主题的本发明的另外的特征和优点将在下文中描 述。本领域的技术人员应该理解的是，所公开的概念和具体实施方案可以容易地用作修改 或设计用于实现本发明的相同的目的的其他实施方案的基础。本领域的技术人员还应该理 解的是，这些等同实施方案不脱离本发明的如在所附权利要求中阐述的精神和范围。
【附图说明】
[0020] 图1是根据发明的一个实施方案的0RP测量和监测系统6的示意图，示出了氧化 还原电位测量装置10和控制器单元8。
[0021] 图2是图1的0RP测量装置10的侧视图，示出有流通单元25、活接三通50和外部 压力平衡参比电极组件75。
[0022] 图3是图2的流通单元25的实施方案的示意图，该流通单元25具有端口 25a、端 口 25b、端口 25c和端口 25d、传感器26、高压配件78和耦接器28。
[0023] 图4是图2的活接三通50的实施方案的示意图。
[0024] 图5示出了图3的传感器26的实施方案。
[0025] 图6描绘了图2的0RP测量装置10的电阻式温度检测器300的优选实施方案。
[0026] 图7是图2的0RP测量装置10的剖视图。
[0027] 图8描绘了图2的外部压力平衡参比电极组件75的实施方案，该外部压力平衡参 比电极组件75包括外管76、高压配件78、高压连接器80、内管82、参比电极84、多孔性熔块 86、插件88、多配件壳体90、异径活接头92、BNC连接器94、锁定螺母96、螺栓98和紧固件 102〇
[0028] 图9示出了图8的多配件壳体90的实施方案。
[0029] 图10是绘制出利用图2的0RP测量装置10在各种pH下测得的0RP的曲线图。
[0030] 图11是绘制出图1的0RP测量和监测系统的pH控制区的曲线图。
[0031] 图12描绘了各种"0RP控制区"其中图2的0RP测量装置10的0RP设置可以针对 在各种温度下的系统而不同。
[0032] 图13示出了在各种位置处供给多种REDOX活性物质以控制在图1的0RP测量和 监测系统的单个位置处的@T ORP (Nalco公司的商标）。
【具体实施方式】
[0033] 本文中描述了用于在操作温度和压力下监测和控制热水系统中的实时的0RP和 pH的系统和方法。所述系统和方法的优点在于防止热水系统及部件的腐蚀。所述系统包括 氧化还原电位探测器和控制器单元。氧化还原电位探测器能够基本实时地测量热水的还原 电位。控制器单元被操作性地耦接至氧化还原电位探测器，并且响应于所测得的还原电位 而激活至少一种水处理化学品以将pH保持在预定范围内。
[0034] I)定义
[0035] 以绝对性表述或以近似性表述给出的任何范围均旨在包括绝对和近似两者，并且 本文中使用的任何定义均旨在阐明而非限制。虽然限定本发明的宽范围的数值范围和参数 是近似性的，但尽可能精确地报导了在具体实施例中阐明的数值范围。然而，任何数值范围 固有地包括由存在于其各自测试测量结果中的标准偏差而必然引起的某些误差。而且，本 文中所公开的所有范围将被理解为包括包含在其中的任何子范围和所有子范围（包括所 有分数值和整数值）。
[0036] 除非明确相反地说明，否则术语"一（a) "的使用旨在包括"至少一个"或"一个或 更多个"。例如，"装置（a device)"旨在包括"至少一个装置"或"一个或更多个装置"。
[0037] 如本文中所使用的，"热水系统"、"系统"等术语是指其中热水与金属表面接触的 任何系统，包括例如石油开采系统。"热水"是指温度为约37°C至最高达约370°C的水。所 述系统可以在大气压力或以下、或者在最高达约4000镑/平方英寸的压力或以下操作