炼油厂区埋地水管道外壁腐蚀与控制
内容提要：阐述了埋地管道的使用情况，描述了金属管道外壁在土壤的腐蚀情况。论述了管道外壁腐蚀原因及防爆厂区阴极保护的方法。阴极保护投入运行后的效果。
关 键 词：埋地金属管道 腐蚀 原因分析 阴极保护 The corrodingand the controlling of the underground channel in refinery
Abstract:This article elaborates the using of the undergroundchannel,and presents the corroding of the meatal channel outside in soil,anddicusses the reasons of the corroding of tubes outside and negative poleprotecting ways in flameproof factories and its effectiveKey words: underground meatal channel ; corrode ; analyze ;negative pole protecting 1.埋地水管道的现状
某炼油厂，共有埋地水管道930条，约85km。其中循环水管道20km，新鲜水管道50km，污水管道15km。这些管道均为金属管道。通过腐蚀现状调查，埋地水管道的腐蚀特点是：38.6%的钢质管道接近覆盖层的使用寿命；有48%的钢质管道超过了覆盖层的使用寿命。据统计，漏点最多时，一年有近100处，处理水泄漏需要费用约100多万元/年，水量损失约（12～20）×104t/a。造成了水资源的浪费、人力资源的浪费、管理资源的浪费、造成设备停产以及其他的间接经济损失。厂区土壤电阻率很低，含盐量比厂区外高出几倍，存在着细菌腐蚀，属于化工污染强烈的强腐蚀性土壤区域；而且厂区地下管网涂层老化，破损处多，已不能对埋地金属管道形成有效防护。经多年的运行，除一部分更新外，绝大多数管道正处于漏点多发时期。2.埋地水管道外壁腐蚀原因分析 金属在自然环境中使用一段时间后会发生腐蚀,这是因为金属以金属态存在的形式是不稳定的，因此这种金属状态是导致它产生腐蚀的驱动力。金属铁在冶炼过程中积聚高的能量，回到自然环境中处于高势垒状态，它必然自发的向其原始(矿石)低势垒状态转变，也就是释放能量，所不同的是吸收能量(冶炼)所用的时间远低于释放能量(腐蚀)的时间。所以说，金属腐蚀是自然界的必然趋势。埋地水管道外壁的腐蚀，除上述而外还与以下几方面因素有关。
2.1一般性的腐蚀
原先大庆石化公司炼油厂埋地水管道多数使用石油沥青玻璃布或环氧煤沥青作为加强级防腐，使用多年后防腐层受到土壤严重的腐蚀破坏；大庆地区的水位又较高（有的深挖2m左右就出水），所以大部分管道浸泡在非常潮湿的土壤中。据有关土质资料介绍，该地区的土质一般呈中性或碱性。因为金属在土壤中的腐蚀与在电解液中的腐蚀本质是一样的。大多数金属在潮湿土壤中的腐蚀属于氧去极化腐蚀。过程如下【1】：阳极反应：Fe ＝ Fe2+ + 2e-阴极反应：1/2 O2 + H2O + 2e ＝ 2OH- 液体中：Fe2+ ＋ 2OH ＝ Fe(OH)2 进一步反应：Fe(OH)2 ＋ O2 ＝ Fe2O3·H2O 或 FeOOH氢氧化铁的溶解度很小，但比较疏松，覆盖在钢铁表面使上述过程继续进行。金属管道外壁大部分有点蚀坑，有的点蚀很严重，个别的管道腐蚀穿孔。 2.2 氧浓差电池腐蚀【2】在土壤中，氧的去极化也是氧与电子结合生成氢氧根离子的过程。但氧到达阴极的过程比较复杂，进行得比较慢。如：空气中的氧，首先通过相当厚的土层，然后再通过金属表面的一层静止液层到达阴极。因此土壤的结构和温度，对氧的流动有很大的影响。在干燥疏松的土壤中，氧的渗透和流动比较容易，金属的腐蚀就严重。在潮湿的粘性土壤中，氧的渗透和流动速度均较小。所以腐蚀过程主要受阴极过程控制，因为金属土壤中的腐蚀主要是氧的去极化作用，而当土壤层的厚度相等时，则取决于土壤的结构和湿度。当管道为水平埋放时，因管道各处深度不同，便构成氧浓差电池，埋得较深的地方（如管子的下部），由于氧到达困难，便成为阳极地区，腐蚀就发生这个区域。图1所示为直埋管道横断面，管道的上部为回填土，土质疏松且距地面较近；而管底基本上为原土，土质致密且距地面远，相对管底部而言从地面渗入的氧更容易到达管道顶部，造成管顶部氧的含量高于管底部氧的含量，这就形成了氧浓差电池。在这里，管道上部为阴极，管道底部为阳极，金属管道本身就是联接导线，土壤为电解质。腐蚀最容易在管道底部往上1／4直径处的表面发生。现场管道发生泄漏的部位就验证了这一点。 地形变化、躲避地下障碍物等原因，使管道沿路埋深不断变化，加之管道所途经地段土壤中含氧气状况不尽相同，造成长距离管线各段土壤中氧含量的不同，这对于那些防腐层破损的管道，将会形成氧浓差电池。对于土壤埋设较深的管道，由于氧含量比埋设较浅的管道低，成为阳极被腐蚀。
直埋管道的混凝土固定墩也存在着氧浓差电池。由于热胀冷缩使钢管与混凝土脱离并产生缝隙，此时缝隙内的氧含量远低于土壤中的氧含量。造成这种情况首先是因为土壤中的氧进入此缝隙比较困难，其次是缝隙内其它形式的腐蚀(如温差、盐差、缝隙腐蚀)在不断消耗着缝隙内的大量氧。这就形成了氧浓差电池，混凝土与土壤界面附近的管道导电回路最短，被优先腐蚀。
2.3金属的水线腐蚀【3】
管网中经常同时出现直埋与架空两种敷设方式，当管道由架空转入地下，或由地下转为架空时，无论哪种情形都会出现管道与地面相交的情况，这将出现“水线”腐蚀，如图2所示。靠近地面的管道部分富氧为阴极，离地面相对较远的管道部分贫氧为阳极，腐蚀最严重的部位是靠近地面（水位线下）较近的属于阳极的那部分地下管道。其实这种现象生活中也经常能见到，如穿墙的暖气管或自来水管在与墙体交界处的腐蚀总是最严重的。
在此电池中，浸没在水线以下相对较深的金属部分贫氧，电极电位较低成为阳极被加速腐蚀；而水位线附近的金属富氧，电极电位较高成为阴极，腐蚀速率减缓，甚至停止。之所以只在水位线附近发生严重腐蚀，是因为，此电极体系中，水位线附近导电回路最短，电流总是流经电阻最小通路的缘故。所以腐蚀主要集中发生在阳极边缘的“水线”附近。
3.管道防腐措施
解决旧埋地管道的腐蚀问题，将管道挖出重新进行完整的涂层保护是不现实的，要想控制管道的腐蚀我国现有的方法只能进行阴极保护控制。
3. 1阴极保护的原理
所谓阴极保护技术就是向被保护的管道通以足够的直流电流（阴极电流），对钢质管道外表面进行阴极极化，减小钢质管道在土壤中的腐蚀电位，使腐蚀电流减小甚至趋于零，进而达到彻底阻止管道腐蚀的目的。 3．2阴极保护技术现状 地下管道阴极保护技术在国内的应用，已有三十多年的历史。是国内外公认的一项经济而有效的金属构件的防腐措施。我国《石油、天然气管道保护条例》中明文规定管道建设单位和管道经营企业负责所辖管道及附属设施的安全运行，其职责之一是：“在建设管道时，对管道包敷防腐绝缘层，加设阴极保护装置”等。 经对厂区内钢质管道的腐蚀的调查发现，管道腐蚀的特点是局部腐蚀，集中穿孔。这种腐蚀的过程是这样的：由于涂层本身存在缺陷或在埋设或运行期间所形成的破损，这些部位的电位相对于其它涂层完好区域电位偏负，因此形成了破损部位为阳极，涂层完好区域为阴极的电化学腐蚀电池。而且阳极区面积小，阴极区面积大，进一步加速了阳极区腐蚀穿孔的速度。这种腐蚀靠单纯涂层保护是无法避免的，只能通过阴极保护技术预防。阴极保护的费用只占埋地管线造价的1%～3%，而管线的使用寿命却可以成倍地延长。9年前对炼油厂外输水管道实施了阴极保护，收到了明显效果。4.阴极保护的实施方案 由于厂区埋地水管道分布面积较大，方圆约20（km）2，管径从Ф1020mm到Ф100mm不等。另外，厂区属于防爆区,对实施阴极保护要求比较高。通过核算，在整个埋地水管网平均分布了42处阴极保护点，各点既自成体系又相互联系，确保能够覆盖整个埋地水管网。 4．1阴极保护方法分类根据直流电流的来源不同，阴极保护技术分为牺牲阳极和外加电流两种保护法。两种方法由于供电来源和系统组成存在差异，二者各有其特点。 4.1.1外加电流阴极保护法 外加电流阴极保护法就是借助于外加电源提供直流电流进行阴极保护的一项技术，它的特点是： ⑴ 驱动电位高，能够灵活地在较宽的范围内控制有极保护电流输出量； ⑵ 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用； ⑶ 选择不溶性或微溶性辅助阳极时，可对被保护金属结构进行长期的阴极保护。 ⑷ 对裸露或者绝缘保护层质量差的新与旧管道也能达到完全的阴极保护； ⑸ 新建投资费用低。 4.4.2牺牲阳极保护法 牺牲阳极保护法就是借助电极电位稳定且足够负的金属或合金提供直流电流进行阴极保护的一项技术，它的特点是： ⑴ 不需要外加直流电源; ⑵ 一次性建设投资虽然偏高，但在运行过程中不需要支付电费和其它维护费用； ⑶ 保护电流的利用率较高，不会产生过保护现象； ⑷ 对邻近的非保护对象不会产生干扰，适用于厂区与市区管网和无电源的长输管线，以及小规模的分散管道的保护； ⑸ 具有接地排流和阴极保护双重作用； ⑹ 施工工艺简单，平时不需要特殊专业维护管理。 4.2设计思路 埋地管道的防腐蚀方法的选择既要考虑技术的先进性和可靠性，又要考虑经济的合理性。炼油厂区内水管网运行多年，涂层破损严重、腐蚀环境恶劣，需要很大保护电流，所以选择外加电流法为主的保护方法，而且厂区内管道密集、纵横交错，再加上工业建筑基础、储罐基础、输配电网、接地网，构成了极其复杂的地下金属结构网络，所以设计采用深井阳极地床的辅助阳极，以解决阴极保护时复杂金属网络的屏蔽问题。 本方案的设计思路是：以采用80m深井阳极地床的外加电流阴极保护为主，对地下输水管网中的钢质管道实施保护，在个别屏蔽的欠保护区域辅助以镁合金牺牲阳极保护。 4.3技术指标 ⑴ 有效保护年限20年； ⑵ 在有效保护期内，保护电位≤-0.85v（相对于Cu/CuSO4参比电极），全厂区的电位达标率≥95%； ⑶ 在有效保护期内，管道的保护度≥90%； ⑷ 在有效保护期内，被保护管道的漏点数量逐渐减少，在原腐蚀严重部位之外不再新发生腐蚀穿孔。 4.4设计依据 ⑴ SY/T0019-97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》； ⑵ GB/T17731-1999《镁合金牺牲阳极》； ⑶ SY0007-1999《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》； ⑷ SY/T0036-2000《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》； ⑸ 新绘制的厂地下管网图纸。 ⑹管道台帐。 4.5 设计计算 阴极保护管道总长达94.9km，管道外表总面积10.50×104m2。 金属构件施加阴极保护时，使金属达到完全保护所需要的电流密度为最小保护电流密度，称为阴极保护电流密度。选取的阴极保护电流密度大小是影响金属构件防蚀效果的主要参数，它与最小保护电位（钢为-0.85v）相对应。如果选取的保护电流密度偏低，会造成保护不足，金属构件达不到完全保护，产生不同程度的腐蚀；反之，将会造成不必要的材料和施工的投入。 阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、表面防腐涂层的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等。这些因素的差异可使阴极保护电流密度由几μA/m2变化到数百mA/m2。本方案借鉴国内外文献，根据以往的工程经验和综合考虑厂区的实际情况，在炼油厂区选取阴极保护电流密度为js =7mA/m2。结合“保护对象”中所给出的保护面积计算保护电流如下【4】： 厂区管道所需保护电流I ＝ 2.5I0 ＝ 2.5π×D×L×js ＝ 2.5 js×S ＝2.5×7×10.5×104 ＝183.8×104(mA)＝1838（A） 式中：I0－单边保护电流（A） D－管道外径（m） js－阴极保护电流密度(mA/m2) L－阴极保护管道长度（m） π－圆周率 说明：根据设计规定强制电流保护系统的保护电流按式I ＝ 2I0计算【4】，但是由于炼油厂区地下构筑物基础、电缆、管道埋设复杂，影响所需的保护电流的效率。根据防爆厂区的工程经验及厂区的实际情况，厂区管道所需保护电流I增加了25％，故I ＝ 2I0。 4.6电源设备及阳极地床 ⑴ 外加电流系统整流器 每座阳极地床采用一台75A/75V恒电位仪供电，考虑到外加电流系统余量以及厂区的实际情况，根据所需保护电流，安装恒电位仪42台。 ⑵ 阳极地床 阳极地床采用深井阳极地床，井深80m，每眼井安装组合阳极体4支，单支规格为φ377×6000mm。每支组合阳极体内含三支规格为φ75×1200mm的高硅铸铁阳极，每只重量为50kg。 4.7均压保护 均压保护就是采用电缆或镀锌扁钢将同沟铺设、近距离平行或交叉走向的被保护管道，以及非焊接连接的同一条被保护管段间电性连接起来，达到均衡管道电位的目的。这种技术的实施，可减小管道之间的电位差，确保电位分布均匀，防止杂散电流腐蚀，扩大阴极保护范围。厂区设均压线98处。 4.9阴极保护监测 为便于阴极保护系统的日常管理，及时可靠地掌握地下管网的腐蚀情况，设计安装了测试系统。厂区共设立82个电位综合测试桩，用于在保护期内测量管道的保护电位。 4.10镁合金牺牲阳极 由于厂区装置地基和罐区的屏蔽影响，以及距离阳极井太远，使部分支线管道出现保护不足，所以在以外加电流保护为主的系统中辅以镁合金牺牲阳极保护，以解决局部保护不足的问题。厂区埋设了210支镁合金阳极。5.阴极保护配置 阴极保护系统共安装恒电位仪42台，打80m深井42口，安装组合阳极体160支，测试装置82套，均压线98处。埋设镁合金牺牲阳极210支。埋设保护效果检查片2套。6.效果 埋地水管网阴极保护正式投入运行。42个阴极保护站的实测录数据如表1所示。 以上结果证明，该系统达到了SY/T0036-2000《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规定》的设计要求,保护电位在-0.85～-1.5V范围内，阳极地床接地电阻正常，恒电位仪输出稳定，工作正常。但是，从表中可以看出，由于埋地管道的防腐层的破损程度不同，造成的电能消耗也各不相同。而2005年9月至2006年1月共发生泄漏76次，阴极保护技术从2006年8月投用到2007年5月，炼油厂埋地水管网共发生泄漏25次，泄漏次数明显减少，并且呈逐月递减趋势。说明阴极保护的工作状况良好，能够减缓管道的腐蚀速度。7、结论 通过对埋地金属管网的防腐措施与强制电流阴极保护技术的综合应用，表明把埋地管网作为阴极进行保护是一种防止管道电化学腐蚀的行之有效的方法。其优点是：输出电压连续可自动调节，保持恒定保护电位；保护范围大，能够覆盖整个埋地管网；42个阴极保护系统平均分布在整个管网上，单个系统占地面积小，施工选址容易，适合对老厂区埋地管网追加阴极保护的情况。阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，在安全性和经济性方面能够达到最优组合，是目前公认的最佳防腐方案。
