随着国民经济建设的发展，以及国防建设的需要。对热能的需求量与日俱增。为此，人们通过开采煤矿、石油、天然气、应用核燃料、利用水力能、太阳能等，不断地开辟各种各样的热能资源。此外，在地球内部还蕴藏着我们所需要的巨量的热能—地下热能，简称地热。据估计，地下热能的总量约为地球上贮存的全部煤燃烧时放出热量的一亿七千万倍。

地热资源遍布于世界各地，人们很早就开始利用地热资源。早在1904年意大利就在拉德瑞罗火山地区建造了一座利用地下蒸汽发电的小型发电站。第二次世界大战以后，特别是六十年代以来，利用地热资源于发电日益受到重视，目前，世界上研究利用地热发电的国家有意大利、新西兰、美国、日本、冰岛、苏联、墨西哥以及我国等50多个国家，已建成投产的地热电站(不包括试验电站)30多座，总容量约为140万千瓦，其中美国约占36%，意大利约占28%。最大的是美国瑟斯地热电站，容量为502万千瓦，最大单机容量是11万千瓦，正在设计或建设中的地热电站有20多座，总容量约为250万千瓦。

地热资源是极其丰富的，但目前尚未能普遍大规模地开采利用，其原因之一就是技术上还有一定的困难。由于从地热井中喷射出的热流体(蒸汽、热水及其混合物)含有腐蚀性很强的气体和杂质，使发电设备发生腐蚀，影响正常运行，甚至造成事故。因此，要解决地热发电设备中的材料腐蚀问题已成当务之急。

一、地热蒸汽的特点及腐蚀问题

从不同的地热带或同一地热带内不同地方的钻井中喷出的热流体，在物理状态上和化学组成上都可能会有所不同，但相同的是都含有硫化组、二氧化碳等腐蚀性气体以及各种有害离子，如Cl-、SO42-等，都有从井下带出的固体杂质(泥浆、砂子、石头等)。国内外几个地热电站的蒸汽和凝结水的化学成分如表1所示。

表一 国内外有关地热电站蒸汽和凝结水的化学成分
电站名称		日本 （松川）	墨西哥 （墨西卡利）	新西兰（怀来凯）	中国 （西藏羊八井）	意大利（拉德瑞罗）	美国 （盖瑟斯）
汽气比（体积%）	蒸汽	99.4~99.8	99.2~99.5	99.4~99.7	99.23~99.55	98.6~98.9	98.05~99.51
	不凝结气体	0.2~0.6	0.5~0.8	0.3~0.6	0.45~0.77	1.1~1.4	0.49~1.95
不凝结气体（重量%）	H2S	12.9~17.7	20.9	3~3.23	7.49	2.4~2.5	1.69~2.99
	CO2	79.3~85.2	79.1	95~96.13	11.56	92.2~94.2	63.5~69.3
	CH4	1.15	—	—	—	—	11.8~15.3
	HBO2	—	—	—	79.87	—	—
	O2	—	—	—	0.52	—	—
凝结水	H2S	10.0~52.2	—	0.3	—	—	30~205
	SO4	1708.1	—	40	7.95	—	—
	Cl	9.2	11.5~21	1500~2200	1.5	—	—
	SiO4	—	5.2	20~160	—	—	—
	Na	280	2.8~12.5	900~1300	0.45	—	—
	HCO3	—	58~686	—	—	—	483~3388
凝结水	PH	4.35~4.85	4.29~7.4	6	4.4~4.94	—	6.65~7.25

 
    另外，与一般火电用汽轮机相比，地热汽轮机所用蒸汽的压力和温度都比较低，大多数情况下是湿蒸汽，很少是干蒸汽。
从国内外已知的情况来看，地热电站设备运行中发生的问题主要有两方面：结垢和腐蚀。
结垢：
结垢是地热电站在生产运行中普遍存在的一个问题，特别是汽轮机通流部分。例如，日本松川地热电站曾多次出现因结垢导致动叶断裂的事故。日本鬼首地热电站运行两个月后，发生了第一级动叶因结垢导致疲劳损坏，部分喷咀被盐垢完全堵死的现象。管道和阀门也常发生严重的结垢。例如，日本大岳地热电站的热水输送管，在开始使用的三年中，平均每年结垢厚50~60毫米，热水管内径由350毫米缩减到200毫米，致使输水能力从800吨/时降低到140吨/时，大大地削弱了汽轮机的输出功率。阀门也常常因结垢卡住而动作不灵或使装配件粘牢，无法拆卸检修。国内西藏羊八井地区的地热井曾发生严重的井口管道结垢堵塞现象，甚至井口管道被堵死。经分析，管道结垢的主要成分为碳酸钙(CaCO3)，占96%以上，此外尚有少量的SiO2及钠盐等。
腐蚀：
    由于地热蒸汽中含有强腐蚀性的硫化氢、二氧化碳等气体，以及其它有害杂质如Cl-、SO42-等，甚至有的还含有F-，致使地热电站设备发生腐蚀。例如，日本大岳地热电站其蒸汽含不凝结气体0.5%，其中含有0.8%(重量比)的硫化氢，原设计凝结水的pH值为6~7，运行一个月后，由于蒸汽中的硫化氢溶解于凝结水中，水的PH值变为5.5~5.9，呈显酸性，致使冷却水管发生腐蚀泄漏。日本鬼首地热电站设在井场的汽水分离器，因蒸汽中带有PH值较低的热水，使其底部厚达14毫米的钢板腐蚀穿孔。美国盖瑟斯地热电站原汽轮机叶片是蒙乃尔合金(镍一铜合金:Ni66Cu31Fe)翻造，在运行过程中曾因叶片腐蚀锈烂而多次停机，后将所有蒙乃尔合金叶片换成不锈钢(Crl3系)叶片，情况有了改善。
另外，由于地热水和蒸汽中所含的硫化氢经水塔排出后，使大气遭到污染，所以处在大气中的电器设备也曾发生过腐蚀，特别是铜线或接点很容易被腐蚀。例如，日本大岳地热电站就曾发生过电机电刷引线的腐蚀问题。
根据有关的金属腐蚀理论以及某些地热电站用材的试验和现场运转经验，地热电站使用的设备发生腐蚀损坏的主要类型有：1. 全面腐蚀（又称均匀腐蚀）；2. 应力腐蚀开裂；3. 腐蚀疲劳；4. 磨损腐蚀；5. 点腐蚀。

1. 全面腐蚀

目前，在地热电站建设中，设备所采用的材料基本上与火力发电设备所采用的材料相同，大体有：碳钢、低合金结构钢、Cr13系马氏体不锈钢、18一8Cr—Ni不锈钢、铝及铜等。它们在地热蒸汽和冷凝水中遭受全面腐蚀的顺序大致是：
铜>碳钢·低合金结构钢>铝>Cr13系不锈钢>18一8Cr—Ni不锈钢。
当然，由于地热蒸汽和冷凝水的化学组成随地热井的不同而有所差异，所以上列的腐蚀顺序也可能变动。
表2是几个地热电站的材料挂片试验结果，表3是新西兰T.MARSHALL等人针对怀来凯地区的地热井条件，进行摸拟腐蚀试验所获得的结果。
    由表2和表3可以看到，在地热电站的环境中，除了含Mo的18—8不锈钢及钛以外，其余的材料几乎都要发生腐蚀。Cr13不锈钢，不含钼的18一8Cr—Ni不锈钢以及铝，抗全面腐蚀性能虽然较为良好，但由于地热蒸汽中含有Cl-等杂质，因而产生点腐蚀。
对各种材料在地热电站环境中的腐蚀产物进行X—衍射分析的结果表明，除了各种金属的氧化物外，主要是硫化物，对于铁基材料，其腐蚀产物是FeS或FeS2，铜和铜镍合金的腐蚀产物主要是CuS和NiS。因此可以认为，地热蒸汽中的硫化氢乃是使材料发生腐蚀的主要因素。

表2.各种材料在地热电站挂片试验结果
试验环境	材料	日本（松川）	墨西哥（墨西卡利）		新西兰（怀来凯）
蒸汽中	碳钢	0.28	0.04~0.13		0.15
	铬钼钒钢	0.22	—		—
	13%Cr钢	0.036*	0.004~0.013		0.007*
	18-8Cr-Ni钢	0.0018	—		0
	铜	0.72	—		0.05
	铝	<0.06*	0		*
凝结水中	碳钢	0.25	0.33		0.01
	碳钢加环氧树脂保护层	<0.005	—		—
	13%Cr钢	<0.03*	0.027		—
	18-8Cr-Ni钢	<0.002*	<0.001		0
	铜	0.05	0.24		0.0024
	铝	0.025*	0.08*		*
	铬钼钒钢	0.21	—		—
高温汽流中	18-8Cr-Ni钢	无分离器		有分离器
		5.2		0.4
	司特立合金	0.1		0
	13%Cr钢	4.9		0.86
注：①表中所列结果的单位是毫米/年；②表中带“*”者试样表面有点蚀坑

2. 应力腐蚀开裂

如上所述，地热蒸汽中的硫化氢是致使设备发生腐蚀的主要因素。我们知道，硫化氢对金属材料结构造成腐蚀破坏的形式有两种:一种是全面腐蚀(又叫均匀腐蚀)，一种是硫化物应力腐蚀开裂。通常，硫化氢对设备所造成的全面腐蚀，其危害性并不太大，危害性较大的是硫化氢所造成的局部腐蚀，包括氢鼓泡，氢脆和应力腐蚀开裂。因此，对汽轮机转动部件(如主轴、叶轮、叶片等)的应力腐蚀开裂间题必须予以重视。

3. 腐蚀疲劳

对于转动的另部件，如叶片、叶轮、主轴等在设计时必须着重考虑材料的疲劳强度。在地热蒸汽的腐蚀环境中，疲劳强度将会显著降低，尤其当材料表面出现点腐蚀时，疲劳强度将大幅度下降。据报导，钢铁材料在地热蒸汽中运行五个月以后，疲劳强度降低约40%左右。例如，在日本鬼首地热电厂oCrl3M心钢在地热蒸汽中试验，当循环次数达到108时，它的腐蚀疲劳强度约为19kg/mm2，而此种钢材在空气中的疲劳极限为39kg/mm2(见图l)。因此，腐蚀疲劳间题在选择材料和设计时都应给予足够的重视。

4. 磨损腐蚀

 

在地热电站设备中，接触高速流体(地热蒸汽、热水及夹带的固体杂质微粒)的叶片、喷咀以及管道等，一方面受着地热蒸汽的腐蚀，同时又受着高速流体的机械冲刷作用，这将加速材料的破坏，造成所谓的磨损腐蚀。各种材料在高速蒸汽中的磨损腐蚀情况如图2所示。这个试验结果与美国盖瑟斯地热电站及墨西哥的墨西卡利地热电站的实际运转结果基本一致因此，在设计和选材时也应加以考虑。

5. 影晌地热蒸汽腐蚀性的因素

1)空气

由表2可以看出，除了奥氏体不锈钢、铝、钦及镀硬铬的材料之外，混入地热蒸汽中的空气将促进其余合金(碳钢、马氏体不锈钢、铸铁、铜、铜合金等)的全面腐蚀。例如，日本松川地热电厂的蒸汽管道输送的是过热蒸汽，原来预计腐蚀问题不大，但因运行初期事故停机次数较多，管道与空气接触时间较长，使管道一度腐蚀很快。另外，据报导不锈钢在无空气的地热蒸汽中试验未发生应力腐蚀开裂，而在充有空气的地热蒸汽中则经常观察到应力腐蚀开裂的现象。因此，在设计和实际生产中采取措施，避免空气进入地热蒸汽以及尽可能地减少停机次数和停机时间，对于防止地热电站设备的腐蚀，延长其使用寿命是很有意义的。 

 

2)蒸汽速度

前面已经提到，高速气流要加速地热蒸汽对材料的腐蚀，可能造成磨损腐蚀。表4所列为蒸汽速度对材料腐蚀深度影响的模拟试验结果。

由表4可以看出，提高地热蒸汽的速度将要促进普通碳钢、低合金结构钢以及马氏体型不锈钢的腐蚀，同时由表4和图2还可看出，18-8系Cr-Ni奥化体不锈钢有着较好的抗高速地热蒸汽腐蚀的能力。
3)其它因素
    前面已经指出，在地热蒸汽中致使设备材料产生腐蚀的主要因素是硫化氢，因此，对于影响金属材料抗硫化氢腐蚀性能的各种因素(如pH值、硫化氢的浓度、温度、材料的化学成分、硬度、热处理和显微组织等)及其一般规律，在地热蒸汽的条件下也将是适用的。
二、地热电站设备材料的选用
目前，各国地热电站都是以现场的腐蚀试验结果和电站实际运行的经验作为选材的基本依据。所选用的材料大体有：普通碳钢、低合金结构钢、不锈钢以及铝等，与火力发电设备所用的材料大体相同。根据地热蒸汽的特性以及现有的使用经验，提出以下几点看法，供设计、选用材料时参考：
1. 碳钢在地热蒸汽中的腐蚀率大约为0.1一0.3毫米/年，对于允许有较大腐蚀裕量、耐蚀性要求不高、厚度又较大的另部件，可以考虑采用碳钢或者在碳钢表面再涂以环氧树脂之类的保护层，如汽缸、隔板以及部分管道等；
2. 对于承受应力的设备，特别是汽轮机的转动部件(如主轴、叶轮、叶片等)在选用材料时必须考虑材料的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能，可以参照美国NACE1F166公报所规定的原则选择和使用材料；
3. 汽轮机排往凝汽器的湿蒸汽腐蚀性较大，因此，排汽管和附件采用不锈钢是比较合适的；
4. 地热蒸汽中的硫化氢对铜及铜合金有明显的腐蚀作用，因此，不宜采用；
5. 渗铝钢(包括镀铝和喷铝)有着良好的抗大气、抗硫化氢以及抗氯化物水溶液腐蚀的性能，从我们在实验室的初步试验结果来看，对于没有焊接要求的部件和管道，我们认为可以考虑采用喷铝和镀铝的钢材。国外地热电站主要部件的用材情况如表5所示。