舒宗軍(長(zhǎng)嶺煉化岳陽(yáng)工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引言

石化裝置的金屬管道埋地敷設(shè)時(shí)，周邊的腐蝕環(huán)境比較惡劣，腐蝕類型又具有多樣性。而且石化企業(yè)廠區(qū)的大部分地下管網(wǎng)輸送的介質(zhì)大多存在腐蝕性，因此管道的內(nèi)外壁容易遭到腐蝕。管道被腐蝕后容易破裂穿孔，這樣就會(huì)造成管道內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生泄漏，管道泄漏會(huì)帶來環(huán)境污染、起火爆炸等危害；管道泄漏會(huì)影響生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)能直接導(dǎo)致生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)停產(chǎn)，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)會(huì)產(chǎn)生巨大的損失；每年由于管道腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失都是上百億元。

近年來，隨著陰極保護(hù)行業(yè)的發(fā)展及企業(yè)自身對(duì)管道腐蝕危害的重視，防止地下管網(wǎng)的腐蝕成了管道工程的重要內(nèi)容，陰極保護(hù)是一種用于防止金屬在電介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)腐蝕的保護(hù)技術(shù)。從1906 年德國(guó)建立第一個(gè)陰極保護(hù)工廠開始直至現(xiàn)在，陰極保護(hù)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟，目前已廣泛應(yīng)用到石化企業(yè)中的鋼制儲(chǔ)罐罐底、埋地鋼制管道和地下金屬構(gòu)筑物等的腐蝕控制[1]。

1 腐蝕控制方法的選擇

1.1 腐蝕控制方法概述

地下金屬結(jié)構(gòu)腐蝕控制的方法有很多種，歸納起來主要有如下幾類方法[3-4]：(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的環(huán)境情況，選用適用的耐腐蝕材料；(2)金屬表面增加保護(hù)性涂層，如：非金屬類涂層(礦物性油脂、聚氯乙烯等)和金屬類涂層(熱鍍鋅、鍍鋁等)；(3)改善金屬腐蝕環(huán)境的方法，如：更換土壤、金屬管道架空敷設(shè)等；(4)增加陰極保護(hù)措施，有犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。

目前公認(rèn)的地下管道最為經(jīng)濟(jì)和有效的腐蝕控制措施是陰極保護(hù)。

1.2 陰極保護(hù)方法分類

陰極保護(hù)技術(shù)是地下直埋敷設(shè)的金屬管線進(jìn)行防腐保護(hù)最有效的手段之一。陰極保護(hù)技術(shù)的基本原理就是向被保護(hù)的金屬構(gòu)筑物表面給予一個(gè)合適的外加電流，使該金屬物成為陰極，從而使金屬發(fā)生腐蝕時(shí)的電子轉(zhuǎn)移得到有效抑制，使腐蝕電流減小甚至趨于零，由此達(dá)到減緩和避免金屬構(gòu)筑物表面發(fā)生腐蝕。

陰極保護(hù)技術(shù)根據(jù)外加陰極電流的來源不同可分為兩種方法：犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法。下面對(duì)兩種方法的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合分別介紹。

(1)外加電流陰極保護(hù)法。就是通過外加直流電源及輔助陽(yáng)極，以達(dá)到降低腐蝕速率的陰極保護(hù)技術(shù)，它的技術(shù)特點(diǎn)是：陰極保護(hù)輸出電流大，能夠在較寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)保護(hù)電流的輸出量；受使用環(huán)境的影響很小，在土壤電阻率較高的環(huán)境中和腐蝕情況比較惡劣的環(huán)境下也有很好的效果；使用高惰性的輔助陽(yáng)極時(shí)，能夠?qū)饘贅?gòu)筑物實(shí)行長(zhǎng)期有效的保護(hù)；對(duì)外表面覆蓋層質(zhì)量差的新、舊管道的陰極保護(hù)也能達(dá)到很好的效果；一次性建設(shè)投資相對(duì)較小，但后期運(yùn)行期間的維護(hù)管理工作比較大。

(2)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法。就是使用電位穩(wěn)定且電位比被保護(hù)金屬更負(fù)的金屬或合金提供陰極極化電流進(jìn)行保護(hù)的一項(xiàng)技術(shù)。常用的犧牲陽(yáng)極的材料有鎂和鎂合金犧牲陽(yáng)極、鋅合金犧牲陽(yáng)極和鋁合金犧牲陽(yáng)極等。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法的技術(shù)特點(diǎn)是：外部不需要另外增加電源；前期一次性投資相對(duì)較高，在運(yùn)行過程中對(duì)有色金屬的消耗偏大；輸出的陽(yáng)極保護(hù)電流小、分布比較均勻及保護(hù)電流的使用效率較高，很難出現(xiàn)過保護(hù)的情況；對(duì)被保護(hù)管道附近的金屬物體不會(huì)有影響或者極小的影響；一般用于小規(guī)模的復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)；施工工藝簡(jiǎn)單，工程量較小，但調(diào)試工作比較復(fù)雜；后期保護(hù)電流不能調(diào)節(jié)，幾乎沒有可控性，正常投產(chǎn)后不需要專業(yè)的維護(hù)管理。

2 化工廠地下管網(wǎng)陰極保護(hù)實(shí)例

2.1 現(xiàn)場(chǎng)條件及陰極保護(hù)方案

中石化長(zhǎng)嶺分公司10 萬噸/年雙氧水法制環(huán)氧丙烷裝置埋地鋼質(zhì)管道主要為消防管網(wǎng)、自來水管網(wǎng)、循環(huán)水管網(wǎng)及排污管網(wǎng)。場(chǎng)地?cái)M建于湖南岳陽(yáng)地區(qū)，該地區(qū)為丘陵地區(qū)，該區(qū)域表層主要為人工填土(人工填土為黃褐色、灰褐色，不均勻，松散，濕，且以板巖碎塊為主，一般粒徑2～5 cm，最大粒徑50 cm，含量60%～75%，余為礫石和粘性土填充，繼配不均勻，新近回填，未完成自重固結(jié)。該層主要分布于場(chǎng)地大部分區(qū)域，層厚不均勻，層厚0.30～10.50 m)，該層土質(zhì)不均勻，且多以碎石為主。其土壤電阻率分布嚴(yán)重不均，若采用傳統(tǒng)的分布式陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)會(huì)出現(xiàn)保護(hù)電位分布不均、過保護(hù)或保護(hù)不足的現(xiàn)象，同時(shí)，由于土壤電阻率偏高，若采用傳統(tǒng)地床接地方式，接地電阻過大，導(dǎo)致輸出電流受限。因此，擬采用MMO/Ti 柔性陽(yáng)極結(jié)合犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方式，盡可能的使輔助陽(yáng)極靠近被保護(hù)的金屬管道敷設(shè)，在最大程度上減少土壤的損耗，減小接地電阻，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)電位能均勻分布、使用壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本設(shè)計(jì)采用基于MMO/Ti 的柔性陽(yáng)極的強(qiáng)制電流保護(hù)方式，MMO/Ti 的柔性陽(yáng)極額定排流密度不小于100 mA/m，采用柔性陽(yáng)極實(shí)施區(qū)域保護(hù)具有電位分布均勻，設(shè)計(jì)、施工成功率高和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)勢(shì)。

由于廠區(qū)內(nèi)埋地管道種類較多，分布不均，交錯(cuò)、平行埋設(shè)情況較多，這必然給區(qū)域性陰極保護(hù)的調(diào)試帶來很大的困難。本工程采用的柔性陽(yáng)極強(qiáng)制電流保護(hù)系統(tǒng)，可對(duì)單根柔性陽(yáng)極的給定電位及輸出電流進(jìn)行綜合調(diào)試，避免了屏蔽和干擾影響，使保護(hù)電流盡可能地分布均勻，各種埋地管道得到充分地保護(hù)，確保整個(gè)站場(chǎng)內(nèi)的區(qū)域性陰極保護(hù)的有效性。

由于采用柔性陽(yáng)極實(shí)施埋地管網(wǎng)的區(qū)域性陰極保護(hù)，在整個(gè)施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格注意對(duì)柔性陽(yáng)極體的保護(hù)，并確保按照廠家柔性陽(yáng)極電纜接頭技術(shù)要求進(jìn)行連接。同時(shí)，應(yīng)采用有效的方式確保柔性陽(yáng)極敷設(shè)中與區(qū)域內(nèi)接地系統(tǒng)扁鋼交叉處的有效絕緣，以減少保護(hù)電流的損耗，使被保護(hù)管道表面上的保護(hù)電位均衡分布。

區(qū)域內(nèi)埋地管網(wǎng)總長(zhǎng)度為4 888 m，柔性陽(yáng)極沿著埋地管網(wǎng)敷設(shè)，對(duì)于部分大直徑管道需沿管道兩端敷設(shè)。由于區(qū)域內(nèi)埋地管網(wǎng)進(jìn)、出廠區(qū)處均未設(shè)計(jì)絕緣接頭，因此，管道進(jìn)、出保護(hù)區(qū)域的管段需設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極作為增補(bǔ)保護(hù)措施。

2.2 陰極保護(hù)計(jì)算說明

2.2.1 保護(hù)面積計(jì)算

管道保護(hù)面積計(jì)算如下：

式中：S為被保護(hù)面積(m2)；D為管道直徑(m)；L為管道被保護(hù)長(zhǎng)度(m)。

2.2.2 保護(hù)電流計(jì)算及恒電位儀選型

對(duì)地下金屬管道實(shí)施陰極保護(hù)時(shí)，使地下金屬管道基本不發(fā)生腐蝕或金屬管道被完全保護(hù)時(shí)所需要的保護(hù)電流密度稱之為最小保護(hù)電流密度，在陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般稱作保護(hù)電流密度。

保護(hù)電流密度是決定金屬構(gòu)筑物防腐蝕效果的一個(gè)重要參數(shù)。如果在陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)中選用的保護(hù)電流數(shù)值偏小，將會(huì)使得金屬管道的保護(hù)不完整，從而使管道不可避免的發(fā)生腐蝕；而設(shè)計(jì)保護(hù)電流密度參數(shù)過高可能會(huì)發(fā)生過保護(hù)的情況，通過氫致剝離損壞防腐層的完整性，產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕并進(jìn)一步影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)及影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

保護(hù)電流密度數(shù)值需根據(jù)項(xiàng)目具體情況確定，與很多因素有關(guān)，如：被保護(hù)金屬管道的材質(zhì)、管道表面的涂層材料、環(huán)境溫度、土壤里含有的各種介質(zhì)特性、組成以及外界環(huán)境條件等，有些因素還應(yīng)考慮施工質(zhì)量及施工工藝的主觀性影響。陰極保護(hù)電流密度參數(shù)的選取將會(huì)受這些因素的影響發(fā)生較大的變化。

本方案綜合考慮裝置區(qū)埋地管道所處的環(huán)境狀況、埋地管道防腐層的種類與質(zhì)量、埋地管道腐蝕的實(shí)際情況，同時(shí)考慮接地系統(tǒng)對(duì)陰極保護(hù)電流的額外消耗情況，以及以往的工程經(jīng)驗(yàn)，本次陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的保護(hù)電流密度i為8.5 mA/m2。根據(jù)被保護(hù)管道的實(shí)際面積和設(shè)計(jì)采用的保護(hù)電流密度，保護(hù)電流按下式計(jì)算：

根據(jù)表1 中計(jì)算出的管道保護(hù)面積，陰極保護(hù)的總保護(hù)電流I為：I=0.008 5×2.5×6 629.36=140.87(A)

表1 管道保護(hù)面積

為了保證電流余量，選擇2 臺(tái)3×50 V/50 A 恒電位儀(2 用1備)，即可滿足陰極保護(hù)系統(tǒng)的要求。

2.2.3 均壓保護(hù)

均壓保護(hù)就是采用金屬導(dǎo)線將鋪設(shè)在同一地溝、相鄰平行或交叉的管道，以及通過法蘭或閥門連接在一起的管道間形成電氣通路，以消除管道之間的電位差的目的。采取此措施可確保保護(hù)電位均勻分布，防止遭到雜散電流的腐蝕，可使陰極保護(hù)的區(qū)域增大。根據(jù)裝置區(qū)地下管網(wǎng)分布的具體實(shí)際情況，初步在保護(hù)區(qū)域設(shè)置均壓線18 處。

2.2.4 陰極保護(hù)檢測(cè)

陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，工作人員要隨時(shí)準(zhǔn)確的掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況跟實(shí)際保護(hù)情況，就需要經(jīng)常對(duì)整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)的電位進(jìn)行檢測(cè)。在工程設(shè)計(jì)中通常采用在整個(gè)保護(hù)區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)電位綜合測(cè)試樁來實(shí)現(xiàn)。通過電位綜合測(cè)試樁測(cè)得保護(hù)電位的數(shù)據(jù)來判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)狀況。

該企業(yè)陰極保護(hù)方案中，根據(jù)裝置區(qū)的具體情況，共設(shè)立了14 個(gè)電位測(cè)試樁，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)電位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此在日常維護(hù)中，對(duì)電位測(cè)試樁及其連線的電氣連接檢測(cè)尤為重要。

3 陰極保護(hù)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 埋地管網(wǎng)運(yùn)行期間各項(xiàng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

根據(jù)有關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)資料，中石化長(zhǎng)嶺分公司10 萬噸/年雙氧水法制環(huán)氧丙烷裝置埋地管網(wǎng)總造價(jià)估計(jì)為1 000 萬元。若不對(duì)管道采取陰極保護(hù)，管道的使用壽命約為15 至20 年，之后管道就需要更換。埋地管道經(jīng)過陰極保護(hù)后，使用壽命可達(dá)30 年。本項(xiàng)目4 888 m 管線更換需要直接工程費(fèi)用1 000 萬元(按DN 400 的管線測(cè)算)，平均每年節(jié)約33.3 萬元。不采取陰極保護(hù)的管道使用期間極易發(fā)生管網(wǎng)泄漏，估計(jì)網(wǎng)管搶修費(fèi)用每年約為2 萬元。

3.2 節(jié)水費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地下管網(wǎng)若發(fā)生腐蝕泄漏需要額外補(bǔ)水。估測(cè)本項(xiàng)目若不采取陰極保護(hù)造成的額外補(bǔ)水量約為冬季50～70 立方米/天，夏季120～140 立方米/天。如果以平均80 立方米/天估算，每年需要額外補(bǔ)水的量約為29 200 立方米，工業(yè)水通常的價(jià)格為5 元/立方米，僅此一項(xiàng)的損失就高于14.6 萬元/年。地下輸水管網(wǎng)追加陰極保護(hù)系統(tǒng)之后，將節(jié)約水費(fèi)約14.6 萬元/年。

3.3 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行期間各項(xiàng)費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

陰極保護(hù)系統(tǒng)一次性投資估算為274.91 萬元，陰極保護(hù)系統(tǒng)投運(yùn)后埋地管網(wǎng)的使用壽命由15 到20 年提高到30 年，使用壽命約增加1.5 倍數(shù)。在陰極保護(hù)系統(tǒng)在使用期內(nèi)，需消耗的各項(xiàng)費(fèi)用如下：(1)陰極保護(hù)運(yùn)行期間電費(fèi)(主要考慮恒電位儀的輸入功率)約為197.1 萬元。(2) 陰極保護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用按工程總投資的8%估算，約為22 萬元。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行后每年的直接經(jīng)濟(jì)效益按下式計(jì)算：

按上式計(jì)算的結(jié)果，使用陰極保護(hù)系統(tǒng)每年的直接經(jīng)濟(jì)效益約為41.8萬元。本項(xiàng)目總投資274.91萬元，大約6.58 年即可收回投資。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于石化裝置地下管網(wǎng)而言，盡管采用一定的涂層及其他防腐措施，但是由于受到各重因素的干擾，還是很容易出現(xiàn)腐蝕問題。大型石化裝置地下管網(wǎng)使用區(qū)域性陰極保護(hù)后，管道的使用壽命可延長(zhǎng)1.5 倍以上，且極大減少了由于管道腐蝕發(fā)生的泄漏問題。同時(shí)也為企業(yè)長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)節(jié)約了大量資金。

本項(xiàng)目采用的柔性陽(yáng)極在上世紀(jì)九十年代就已廣泛應(yīng)用于石油化工裝置的地下金屬構(gòu)筑物陰極保護(hù)系統(tǒng)中。采用柔性陽(yáng)極的陰極保護(hù)區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都趨于最佳，很少存在保護(hù)不完全或過保護(hù)的現(xiàn)象。因此極大的提高的地下金屬構(gòu)筑物的抗腐蝕能力，保障了生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。