舒宗軍(長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南 岳陽 414000)

0 引言

石化裝置的金屬管道埋地敷設(shè)時，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，這樣就會造成管道內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生泄漏，管道泄漏會帶來環(huán)境污染、起火爆炸等危害；管道泄漏會影響生產(chǎn)裝置的正常運行，嚴(yán)重時能直接導(dǎo)致生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)停產(chǎn)，對企業(yè)的經(jīng)濟會產(chǎn)生巨大的損失；每年由于管道腐蝕造成的經(jīng)濟損失都是上百億元。

近年來，隨著陰極保護行業(yè)的發(fā)展及企業(yè)自身對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)腐蝕的保護技術(shù)。從1906 年德國建立第一個陰極保護工廠開始直至現(xiàn)在，陰極保護的相關(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)場實際的環(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)增加陰極保護措施，有犧牲陽極陰極保護和外加強制電流陰極保護。

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

1.2 陰極保護方法分類

陰極保護技術(shù)是地下直埋敷設(shè)的金屬管線進行防腐保護最有效的手段之一。陰極保護技術(shù)的基本原理就是向被保護的金屬構(gòu)筑物表面給予一個合適的外加電流，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，由此達到減緩和避免金屬構(gòu)筑物表面發(fā)生腐蝕。

陰極保護技術(shù)根據(jù)外加陰極電流的來源不同可分為兩種方法：犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。下面對兩種方法的特點和適用場合分別介紹。

(1)外加電流陰極保護法。就是通過外加直流電源及輔助陽極，以達到降低腐蝕速率的陰極保護技術(shù)，它的技術(shù)特點是：陰極保護輸出電流大，能夠在較寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)保護電流的輸出量；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極時，能夠?qū)饘贅?gòu)筑物實行長期有效的保護；對外表面覆蓋層質(zhì)量差的新、舊管道的陰極保護也能達到很好的效果；一次性建設(shè)投資相對較小，但后期運行期間的維護管理工作比較大。

(2)犧牲陽極陰極保護法。就是使用電位穩(wěn)定且電位比被保護金屬更負(fù)的金屬或合金提供陰極極化電流進行保護的一項技術(shù)。常用的犧牲陽極的材料有鎂和鎂合金犧牲陽極、鋅合金犧牲陽極和鋁合金犧牲陽極等。犧牲陽極陰極保護法的技術(shù)特點是：外部不需要另外增加電源；前期一次性投資相對較高，在運行過程中對有色金屬的消耗偏大；輸出的陽極保護電流小、分布比較均勻及保護電流的使用效率較高，很難出現(xiàn)過保護的情況；對被保護管道附近的金屬物體不會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；施工工藝簡單，工程量較小，但調(diào)試工作比較復(fù)雜；后期保護電流不能調(diào)節(jié)，幾乎沒有可控性，正常投產(chǎn)后不需要專業(yè)的維護管理。

2 化工廠地下管網(wǎng)陰極保護實例

2.1 現(xiàn)場條件及陰極保護方案

中石化長嶺分公司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)。場地擬建于湖南岳陽地區(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)的分布式陽極進行陰極保護會出現(xiàn)保護電位分布不均、過保護或保護不足的現(xiàn)象，同時，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 柔性陽極結(jié)合犧牲陽極的陰極保護方式，盡可能的使輔助陽極靠近被保護的金屬管道敷設(shè)，在最大程度上減少土壤的損耗，減小接地電阻，最終實現(xiàn)保護電位能均勻分布、使用壽命長、系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)計目標(biāo)。

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

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

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

區(qū)域內(nèi)埋地管網(wǎng)總長度為4 888 m，柔性陽極沿著埋地管網(wǎng)敷設(shè)，對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、出廠區(qū)處均未設(shè)計絕緣接頭，因此，管道進、出保護區(qū)域的管段需設(shè)計犧牲陽極作為增補保護措施。

2.2 陰極保護計算說明

2.2.1 保護面積計算

管道保護面積計算如下：

式中：S為被保護面積(m2)；D為管道直徑(m)；L為管道被保護長度(m)。

2.2.2 保護電流計算及恒電位儀選型

對地下金屬管道實施陰極保護時，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時所需要的保護電流密度稱之為最小保護電流密度，在陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計中一般稱作保護電流密度。

保護電流密度是決定金屬構(gòu)筑物防腐蝕效果的一個重要參數(shù)。如果在陰極保護的設(shè)計中選用的保護電流數(shù)值偏小，將會使得金屬管道的保護不完整，從而使管道不可避免的發(fā)生腐蝕；而設(shè)計保護電流密度參數(shù)過高可能會發(fā)生過保護的情況，通過氫致剝離損壞防腐層的完整性，產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕并進一步影響陰極保護系統(tǒng)的正常運行，也會造成資源的浪費及影響生產(chǎn)的正常運行。

保護電流密度數(shù)值需根據(jù)項目具體情況確定，與很多因素有關(guān)，如：被保護金屬管道的材質(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。陰極保護電流密度參數(shù)的選取將會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、埋地管道腐蝕的實際情況，同時考慮接地系統(tǒng)對陰極保護電流的額外消耗情況，以及以往的工程經(jīng)驗，本次陰極保護系統(tǒng)設(shè)計中采用的保護電流密度i為8.5 mA/m2。根據(jù)被保護管道的實際面積和設(shè)計采用的保護電流密度，保護電流按下式計算：

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

表1 管道保護面積

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

2.2.3 均壓保護

均壓保護就是采用金屬導(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電位均勻分布，防止遭到雜散電流的腐蝕，可使陰極保護的區(qū)域增大。根據(jù)裝置區(qū)地下管網(wǎng)分布的具體實際情況，初步在保護區(qū)域設(shè)置均壓線18 處。

2.2.4 陰極保護檢測

陰極保護系統(tǒng)正常運行時，工作人員要隨時準(zhǔn)確的掌握整個系統(tǒng)的運行狀況跟實際保護情況，就需要經(jīng)常對整個陰極保護系統(tǒng)的電位進行檢測。在工程設(shè)計中通常采用在整個保護區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個電位綜合測試樁來實現(xiàn)。通過電位綜合測試樁測得保護電位的數(shù)據(jù)來判斷陰極保護系統(tǒng)的保護狀況。

該企業(yè)陰極保護方案中，根據(jù)裝置區(qū)的具體情況，共設(shè)立了14 個電位測試樁，用于對整個系統(tǒng)保護電位實時監(jiān)測。因此在日常維護中，對電位測試樁及其連線的電氣連接檢測尤為重要。

3 陰極保護經(jīng)濟效益分析

3.1 埋地管網(wǎng)運行期間各項費用統(tǒng)計

根據(jù)有關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)資料，中石化長嶺分公司10 萬噸/年雙氧水法制環(huán)氧丙烷裝置埋地管網(wǎng)總造價估計為1 000 萬元。若不對管道采取陰極保護，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)過陰極保護后，使用壽命可達30 年。本項目4 888 m 管線更換需要直接工程費用1 000 萬元(按DN 400 的管線測算)，平均每年節(jié)約33.3 萬元。不采取陰極保護的管道使用期間極易發(fā)生管網(wǎng)泄漏，估計網(wǎng)管搶修費用每年約為2 萬元。

3.2 節(jié)水費用統(tǒng)計

根據(jù)經(jīng)驗，地下管網(wǎng)若發(fā)生腐蝕泄漏需要額外補水。估測本項目若不采取陰極保護造成的額外補水量約為冬季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，每年需要額外補水的量約為29 200 立方米，工業(yè)水通常的價格為5 元/立方米，僅此一項的損失就高于14.6 萬元/年。地下輸水管網(wǎng)追加陰極保護系統(tǒng)之后，將節(jié)約水費約14.6 萬元/年。

3.3 陰極保護系統(tǒng)運行期間各項費用統(tǒng)計

陰極保護系統(tǒng)一次性投資估算為274.91 萬元，陰極保護系統(tǒng)投運后埋地管網(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)。在陰極保護系統(tǒng)在使用期內(nèi)，需消耗的各項費用如下：(1)陰極保護運行期間電費(主要考慮恒電位儀的輸入功率)約為197.1 萬元。(2) 陰極保護系統(tǒng)的維護費用按工程總投資的8%估算，約為22 萬元。

3.4 經(jīng)濟效益分析

陰極保護系統(tǒng)運行后每年的直接經(jīng)濟效益按下式計算：

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

4 結(jié)語

對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)域性陰極保護后，管道的使用壽命可延長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。同時也為企業(yè)長周期安全生產(chǎn)節(jié)約了大量資金。

本項目采用的柔性陽極在上世紀(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)筑物陰極保護系統(tǒng)中。采用柔性陽極的陰極保護區(qū)域的各項數(shù)據(jù)都趨于最佳，很少存在保護不完全或過保護的現(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)運行。