陰極保護(hù)技術(shù)在濕式煤氣儲(chǔ)氣柜上的應(yīng)用

陰極保護(hù)技術(shù)在濕式煤氣儲(chǔ)氣柜上的應(yīng)用上海燃?xì)馐斜变N(xiāo)售有限公司馮寶鶴龔敏摘要該文在分析大型濕式煤氣儲(chǔ)氣柜所采用的傳統(tǒng)的隔離防腐蝕方法及使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出還可以采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法對(duì)氣柜掛圈進(jìn)行局部防腐蝕保護(hù)，并詳細(xì)介紹了該法的設(shè)計(jì)及計(jì)算、試驗(yàn)安裝及應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極氣柜掛圈1概況大型濕式煤氣儲(chǔ)氣柜作為煤氣輸配的重要儲(chǔ)配設(shè)備，目前在國(guó)內(nèi)各大中型城市燃?xì)庑袠I(yè)中普遍應(yīng)用。僅上海就有20多座濕式煤氣儲(chǔ)氣柜。由于濕式煤氣儲(chǔ)氣柜是用水作為密封介質(zhì)，氣柜接觸淡水介質(zhì)的表面積巨大（一座10萬(wàn)m3的儲(chǔ)氣柜表面積大約為12000m2），所以電化學(xué)腐蝕情況十分嚴(yán)重。盡管定期執(zhí)行除銹油漆的防腐蝕工藝，但僅4mm厚的柜壁還是經(jīng)常被腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏事故。尤其危害最大的是掛圈腐蝕穿孔，它引起掛圈漏水、水位下降失封所造成煤氣柜的溢氣事故，頃刻間少則幾萬(wàn)、多則幾十萬(wàn)m3的煤氣跑得無(wú)影無(wú)蹤。如果此時(shí)遇上明火，甚至是鋼板與鋼板之間摩擦產(chǎn)生的火星，都可使可燃易爆的煤氣造成不可預(yù)見(jiàn)的災(zāi)難性惡果。為此，減緩濕式煤氣儲(chǔ)氣柜掛圈的腐蝕，阻止和消除溢氣事故的發(fā)生是燃?xì)庑袠I(yè)共同關(guān)注的課題。2情況調(diào)查與分析目前我國(guó)國(guó)內(nèi)凡采用煤制氣作為氣體燃料的城市基本使用濕式煤氣儲(chǔ)氣柜用作儲(chǔ)存、調(diào)配功能的重要設(shè)施。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，東北三省及東南沿海城市濕式煤氣儲(chǔ)氣柜有上百座之多，這些氣柜的防腐蝕一般均采用傳統(tǒng)的隔離方法對(duì)氣柜的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕，即采取加涂專(zhuān)用防腐蝕涂料將氣柜鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕介質(zhì)（水、煤氣和大氣）隔離。其防腐蝕現(xiàn)狀見(jiàn)表1。由于涂層本身易形成微孔，老化后又易出現(xiàn)龜裂、剝離等現(xiàn)象，再若施工質(zhì)量不良，產(chǎn)生針孔。裸露的金屬產(chǎn)生局部腐蝕。因此，采用單獨(dú)的涂料隔離防腐蝕保護(hù)，氣柜的腐蝕（特別是孔腐蝕）情況仍然不容樂(lè)觀，見(jiàn)圖1。從圖1可以看出氣柜的溢氣事故在兩年內(nèi)為安全期，五年后是一個(gè)事故發(fā)生概率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，八年后進(jìn)人高峰期。

濕式煤氣儲(chǔ)氣柜掛圈是氣柜各浮塔之間的活動(dòng)密封機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由上下掛圈組成，并由下掛圈內(nèi)的水位對(duì)浮塔內(nèi)的煤氣進(jìn)行密封。當(dāng)氣柜浮塔上升時(shí)，下掛圈將鉤掛起下一個(gè)外塔并在其水槽內(nèi)帶起足夠的水以確保掛圈結(jié)構(gòu)的氣密性。上下掛圈均采用普通低碳鋼板與槽鋼焊接制成，掛圈表面涂有涂層.掛圈內(nèi)密封水為含有污染成分的自然水。儲(chǔ)氣柜在投運(yùn)幾年后。氣柜會(huì)發(fā)生壁板腐蝕穿孔現(xiàn)象。若腐蝕穿孔發(fā)生在拄圈位置造成掛圈漏水.水位下降，如沒(méi)有立即采取有效措施，一旦水位繼續(xù)下降失封，將導(dǎo)致濕式煤氣儲(chǔ)氣柜發(fā)生溢氣事故。造成氣柜腐蝕的原因具有多樣性和疊加性：氣柜上升下降時(shí)，由于直徑大于60m的結(jié)構(gòu)龐大.必然存在一定的傾斜度，再加上風(fēng)等外界因素的影響，上掛圈與下掛圈各部位受力不均勻，形成應(yīng)力腐蝕。均為鋼質(zhì)材料的氣柜壁板和構(gòu)件，自身和相互間都采用電焊進(jìn)行連接，電焊條和氣柜的材料成份差異，氣柜壁板和角鋼、槽鋼等構(gòu)件的材料成分差異，甚至相同規(guī)格不同批次材料間的材料成份差異，都會(huì)造成在它們之間，尤其是焊縫與柜體熔接的界面上形成不同材質(zhì)問(wèn)的滲雜腐蝕。材質(zhì)A3鋼表材質(zhì)A3鋼接縫 水質(zhì) 表面處理 掛圈防腐蝕其它防腐蝕無(wú)留］上海地區(qū)濕式氣柜區(qū)掛圈.其它防腐蝕無(wú)留］上海地區(qū)濕式氣柜區(qū)掛圈.腐蛙發(fā)生溢氣事故掘計(jì)氣柜龐大的體積，在陽(yáng)光照射下，朝陽(yáng)的一面與背陽(yáng)的一面會(huì)形成溫差，其溫差的熱電偶效應(yīng)會(huì)在掛圈的水槽內(nèi)得到釋放，形成溫差腐蝕。氣柜為防止雷擊。對(duì)外壁均采取了接地處理。當(dāng)氣柜周?chē)娎|流經(jīng)較大的三相不平衡電流時(shí)，就會(huì)對(duì)氣柜產(chǎn)生雜散電流腐蝕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析。氣柜的金屬結(jié)構(gòu)在冶煉、加工、安裝、焊接、運(yùn)行等過(guò)程中，不可避免地造成氣柜金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著晶間、應(yīng)力、疲勞、電偶、縫隙等諸多因素而產(chǎn)生的內(nèi)部不同部位之間的電位差，這就導(dǎo)致在氣柜金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著眾多小范圍的陽(yáng)極區(qū)和大片的陰極區(qū)。尤其是始終處于電解質(zhì)環(huán)境下掛圈結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)極區(qū)，腐蝕最為嚴(yán)重。且由于陽(yáng)極區(qū)是分散的、小范圍的，此時(shí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)的是孔蝕，嚴(yán)重威脅著氣柜的安全運(yùn)行。如果不采取有效的防腐蝕措施，儲(chǔ)氣柜的安全使用期將極為短暫。為維持氣柜的安全運(yùn)行，只能將維修當(dāng)作日常保養(yǎng)工作來(lái)實(shí)施。因此。除傳統(tǒng)的隔離防腐蝕外，必需采用更為有效的保護(hù)方法對(duì)氣柜進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。為了進(jìn)一步了解腐蝕狀況并對(duì)保護(hù)方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)水電路儲(chǔ)配站2。氣柜的密封水水樣水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)分析，同時(shí)對(duì)普通低碳鋼板在水樣中的極化性能進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3。表2氣柜水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告臻目羊位檢洲詁果春注pH值5.88電導(dǎo)率27935.840.01C1'tn呼L36so;-79Ca*V岫L92M/|mg/L0,5Fe***20表3普通低碳鋼板在氣柜水樣中的陰極極化性能數(shù)據(jù)朋極極化電掛（V）醇粗極化電源（mA/療）-0.800H100-0.&00些1201S160-1.300@200從水質(zhì)分析數(shù)據(jù)看。氣柜密封水含有一定的硫酸根離子，pH值偏酸性，水的電阻率低于普通淡水，但氯離子含量不高，為具有中等腐蝕性介質(zhì)。從陰極極化性能數(shù)據(jù)看，普通低碳鋼板在氣柜水樣中隨極化電流的增加，陰極極化很快，表明陰極極化性能較好，適于采用陰極保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及氣柜掛圈結(jié)構(gòu)，氣柜掛圈防腐蝕保護(hù)屬于局部保護(hù)，故選用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案作為氣柜的防腐蝕保護(hù)方案。3犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)選用的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范3.1.1SY/T0088—95《鋼制儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。3.1.2SY胛0019—97《埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》。3.2設(shè)計(jì)指標(biāo)3.2.1犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)有效保護(hù)期為8年。衰4鎂陽(yáng)極化學(xué)成分（％）用極型號(hào)AlZnMnMgF*NiCusiMg-Al-Zn^Mn5主6,T%為-3,50.15T.60余重mom<0.001<0.001<0.013.2.2在有效保護(hù)期內(nèi)，掛圈的保護(hù)部位陰極極化電位（相對(duì)Cu/CuSO。參比電極）應(yīng)保持在一0.85—1.15Vf特殊情況下?？捎小?00mV的波動(dòng)范圍）。3.2.3在有效保護(hù)期內(nèi)。被保護(hù)掛圈鋼板的保護(hù)率N85%。3.3方案設(shè)計(jì)及計(jì)算3.3.1方案設(shè)計(jì)鑒于氣柜掛圈水的電阻率較高和氯離子含量低的情況。犧牲陽(yáng)極保護(hù)方案選用三元鎂基合金陽(yáng)極。鎂合金陽(yáng)極的化學(xué)成分及電化學(xué)性能見(jiàn)4、表5。表5陽(yáng)極的電化學(xué)性能 津能 ■位麝度 ]行皿*Mg-Al-Zn-Mni.tj開(kāi)珞電嵌V(SCE)理論發(fā)生電量A?h/f2,11上艱雙淡術(shù)中[0.03mA/cm:>屯流效率發(fā)生電*%>50A?h/g1.11酒標(biāo)率^7.923.3.2設(shè)計(jì)參數(shù)掛圈直徑為DN65m（平均值）；浸水深度為0.6m.夕h側(cè)涂層局部破損。水電阻率N36Q?m。③鋼板自然電位一0.65V（c“cuSO。電極）。④鎂陽(yáng)極與鋼板電位差為650mV。鎂陽(yáng)極效率（考慮酸陛介質(zhì)）為N55%。陰極保護(hù)電流密度（考慮10%外側(cè)涂層局部破損裸露）選為20mA/m2。3.3.3設(shè)計(jì)計(jì)算單個(gè)掛圈保護(hù)面積s=DNnh式中：S一保護(hù)面積，m2；DN一浮塔外徑，m：h一掛圈浸水深度，m。S=65XnX（0.6+0.6+0.2）=285.7m2單個(gè)掛圈保護(hù)電流I=I,S式中：I-保護(hù)電流，A；Ij-保護(hù)電流密度，A/m2I=0.02X285.7=5.71A陽(yáng)極用量G=I/（QXn）X8760XaX1000X1.2/O.85式中：G一陽(yáng)極用量，kg；Q—理論發(fā)生電量，A?h/g；n一電流效率，％；8760一每年小時(shí)數(shù)：A-保護(hù)年數(shù)：0.85一陽(yáng)極利用系數(shù)：1.2一浮塔全浸消耗增加系數(shù)。G=5.71/（2.21X0.45）X8760X8X1.2/0.85=568051gM68kg陽(yáng)極外形尺寸陽(yáng)極外形尺寸采用l000mmX60mmX50mm長(zhǎng)條形陽(yáng)極；單塊陽(yáng)極重量為5.3蠔。單個(gè)掛圈陽(yáng)極用量W=G/Gs式中：W一單個(gè)掛圈陽(yáng)極用量，塊；G一單個(gè)掛圈陽(yáng)極重量，kg；Gs廣每塊陽(yáng)極重量，kg。W=568/5.3=107塊3.3.4陽(yáng)極布置與安裝陽(yáng)極布置采用沿下掛圈底，圓周均勻布置，陽(yáng)極間隔約1m。陽(yáng)極安裝方式可采用陽(yáng)極鐵腳直接與掛圈鋼板焊接，也可采用陽(yáng)極支架與掛圈鋼板焊接，陽(yáng)極鐵腳再與支架用螺栓連接。4試驗(yàn)安裝由于是首次在濕式氣柜上采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法，并且考慮到陰極保護(hù)的復(fù)雜性和不確定性，在上海水電路煤氣儲(chǔ)配站2#一氣柜犧牲陽(yáng)極試驗(yàn)安裝中采用了分步實(shí)施方案。第一階段：在第四塔和第三塔下掛圈部位安裝部分犧牲陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的極化后。根據(jù)測(cè)量的保護(hù)電位調(diào)整犧牲陽(yáng)極的數(shù)量和位置。根據(jù)再次極化后的保護(hù)電位確定第二階段要安裝在第二塔、鐘罩下掛圈部位犧牲陽(yáng)極的數(shù)量。第二階段：在第二塔、鐘罩下掛圈部位安裝部分犧牲陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的極化后，根據(jù)測(cè)量的保護(hù)電位調(diào)整犧牲陽(yáng)極的數(shù)量和位置。見(jiàn)表6。表6原設(shè)計(jì)和實(shí)際安裝的犧牲陽(yáng)極數(shù)量安豆原設(shè)計(jì)歉星實(shí)際安筆敷營(yíng)10784第二岑10734第里塔107n9210796舍計(jì)4283565效果檢查陽(yáng)極自安裝后即進(jìn)入溶解狀態(tài)。通過(guò)數(shù)月的觀察，陽(yáng)極表面溶解情況均勻，表面生成物(氧化物)基本自行脫落，沒(méi)有結(jié)硬殼情況出現(xiàn)。陽(yáng)極正上方不斷有氣泡產(chǎn)生，陽(yáng)極沒(méi)有氣阻現(xiàn)象發(fā)生。從測(cè)得的數(shù)據(jù)也表明：陽(yáng)極活性強(qiáng)度大。電位輸出比較穩(wěn)定，隨著極化時(shí)間的增加，同一陽(yáng)極輸出的波動(dòng)電位W50mV。全部犧牲陽(yáng)極安裝完畢，經(jīng)過(guò)一個(gè)月左右的極化后，測(cè)得保護(hù)電位數(shù)據(jù)如表7：表7極化后的保護(hù)電位數(shù)據(jù)F好」第二塔甬三塔第四塔豪商保護(hù)電炫mV「-902-945-941-936錄低保護(hù)電位,mVr-7^4-S13-637-79S一平埼值,mV或81^878-847項(xiàng)7由于氣柜的上升、下降運(yùn)行，改變了被保護(hù)的表面積，其保護(hù)電位也相應(yīng)地發(fā)生變化。當(dāng)氣柜在低存量時(shí)，入水的氣柜由導(dǎo)輪、導(dǎo)軌等連接成一體，這時(shí)犧牲陽(yáng)極將對(duì)比原保護(hù)面積大8?10倍的氣柜內(nèi)外壁進(jìn)行過(guò)量的保護(hù)，其保護(hù)電位也隨之下降到一650mV一680mV之間。雖然與原自然腐蝕電位(-545mV—604mV)的負(fù)偏未達(dá)到100mV這一標(biāo)準(zhǔn)值，但已經(jīng)非常接近。因此可以說(shuō)，下掛圈內(nèi)的犧牲陽(yáng)極不僅有效地保護(hù)了下掛圈。而且對(duì)整個(gè)氣柜的內(nèi)外壁也起到了一定的保護(hù)作用。另外，為檢驗(yàn)和分析犧牲陽(yáng)極的實(shí)際保護(hù)作用，在氣柜第三塔和第四塔的下掛圈內(nèi)安裝了若干片與氣柜本體材料相同的檢查片，一半加保護(hù)，一半不加保護(hù)。經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行，取出的所有受保護(hù)的檢查片均光潔平整、無(wú)明顯銹蝕、光亮如新，泛出金屬特有的光澤：而對(duì)應(yīng)參照未受保護(hù)的檢查片表面有不同程度的坑蝕現(xiàn)象。從對(duì)照組的不同情況可以看出，氣柜下掛圈得到了有效保護(hù)。氣柜掛圈內(nèi)犧牲陽(yáng)極及其安裝支架的安裝，勢(shì)必增加氣柜的重量。并改變氣柜內(nèi)部固有壓力。氣柜不同狀態(tài)在安裝前后的柜內(nèi)壓力見(jiàn)表8：表8氣柜內(nèi)壓力及氣柜重量變化-塔時(shí)二塔時(shí)三群時(shí)四塔時(shí)五塔時(shí)添內(nèi)部壓力.kPa1J91.632.1]2.603.08睨內(nèi)癡壓丸kPaL21「商2,172.693,16-增加壓力'|kPa0