張志剛¹，辜志俊²，李光明¹，郭琦龍²
(1.同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.中國科學(xué)院 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所二部，福建 廈門 361012)

　　摘　要：隨著淡水資源的減少和污染，海水作為碳鋼冷卻器冷卻用水將發(fā)揮很大的作用。對冷卻管單獨(dú)采用陰極保護(hù)或涂裝涂層不能達(dá)到理想的保護(hù)效果，在分析了管內(nèi)涂層質(zhì)量是冷卻管管內(nèi)電位分布的主要影響因素基礎(chǔ)上，對海水冷卻管采用鋁犧牲陽極陰極保護(hù)和涂裝高質(zhì)量環(huán)氧聚酰胺涂層的聯(lián)合保護(hù)措施。經(jīng)過近一年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，兩種內(nèi)徑的冷卻管均能達(dá)到-0.78V的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可有效防止海水對冷卻管的腐蝕。
　　關(guān)鍵詞：海水；冷卻水；碳鋼冷卻器；陰極保護(hù)
　　中圖分類號：TU991.38　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　文章編號：1009—2455(2004)06—0028-03

A Study of Corrosion Protection of Carbon Steel Coolers Using Sea Water as Cooling Water
ZHANG Zhi-gang¹，GU Zhi-jun²，LI Guang-ming¹，GUO Qi-long²
(1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University,Shanghai 200092，China;
2.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Science, Xiamen，361012，China)

　　Abstract：With the decrease and pollution of the resource of fresh water，sea water will play an important role as a cooling water for carbon steel coolers.To solve the problem that ideal result of protection of cooling pipes cannot be achieved by using cathodic protection or coating only，based on confirming that the quality of the coating inside the pipes is the main factor affecting the potential distribution inside the cooling pipes，a combined protective measure of using aluminium sacrificial anode protection and applying high-quality epoxy polyamide coating was taken for the sea-water cooling pipes.It is shown through an almost one-year experimental running that the cooling pipes of two different inside diameters can reach the standard of cathodic protection，which is -0.78 V，and can effectively protect the cooling pipes from the corrosion by sea water.
　　Key words：seawater；cooling water；carbon steel cooler；cathodic protection
　　
　　隨著淡水資源的日益減少和污染，沿海地區(qū)工廠將面臨缺水，而沿海地區(qū)又具有豐富的海水資源，有利用海水資源的有利條件。海水具有溫度較低、便宜且可大規(guī)模利用等優(yōu)點(diǎn)。碳鋼冷卻器是最常用的工業(yè)冷卻器，但目前碳鋼冷卻器多用于淡水，改用海水為冷卻水時冷卻管極易因腐蝕而穿孔。
　　解決碳鋼冷卻管因海水腐蝕穿孔的問題，通常的方法是對碳鋼冷卻管施加陰極保護(hù)。因受到管徑太小的限制，陰極保護(hù)的有效距離僅在距管口較短范圍內(nèi)，管內(nèi)大部分管壁仍受到海水的腐蝕。若只對冷卻管涂裝涂層，因在涂裝和使用過程中不可避免地存在缺陷，當(dāng)海水腐蝕介質(zhì)通過缺陷到達(dá)金屬界面時，腐蝕將在缺陷處發(fā)生，使冷卻管因孔蝕而穿孔。
　　本工作從理論上分析了冷卻管內(nèi)電位分布的主要影響因素，在技術(shù)上提高管內(nèi)壁的表面阻抗，使用犧牲陽極陰極保護(hù)和冷卻管涂裝高質(zhì)量涂層的聯(lián)合保護(hù)措施，以實(shí)現(xiàn)冷卻管內(nèi)各點(diǎn)均能達(dá)到陰極保護(hù)的目的。

１管道內(nèi)壁電位分布的理論分析

　　當(dāng)陰極保護(hù)技術(shù)用于金屬管道防腐蝕時，由于管道內(nèi)空間狹窄，電力線分布受到限制，致使內(nèi)壁電流密度和電位的分布不均勻。因而有效保護(hù)距離非常有限。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)^[1]，對于16，22和25mm直徑的未涂裝冷卻管，陰極保護(hù)電流達(dá)到的距離僅為31，35和38cm，在管內(nèi)深處無法得到陰極保護(hù)。
　　當(dāng)采用冷卻管內(nèi)涂裝涂層來保護(hù)冷卻管時，涂層能阻擋腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬界面。但當(dāng)水、腐蝕介質(zhì)離子滲透到金屬界面時會導(dǎo)致涂層附著力的下降和膜下腐蝕的發(fā)生，并且在涂裝和使用過程中不可避免地存在缺陷和破損，即使是高質(zhì)量的涂層也會隨著冷卻管的運(yùn)行，水等腐蝕介質(zhì)通過涂層缺陷處而使冷卻管腐蝕穿孔。表1表示涂層質(zhì)量與涂層損傷程度的關(guān)系。

表1 涂層質(zhì)量與涂層損傷程度的大致關(guān)系(以涂層電阻為依據(jù))

涂層損傷程度

涂層電阻/（Ω·cm²）

涂層評價

無損傷

1×10⁸

優(yōu)

小點(diǎn)損傷

1×10⁸～2.5×10⁷

良

少數(shù)損傷

2.5×10⁷～5×10⁶

可用

相當(dāng)大面積損傷

5×10⁶～5×10⁵

不可用

嚴(yán)重?fù)p傷

5×10⁵～5×10⁴

不良

無涂層

5×10⁴

　　對冷卻管單獨(dú)采用陰極保護(hù)或涂裝涂層，因各自缺陷常不能達(dá)到理想的防腐保護(hù)效果。因此有些科學(xué)工作者^[2-5]研究了涂裝管道內(nèi)壁電位分布的定量關(guān)系，推導(dǎo)出電位分布的方程式。依據(jù)此方程，管內(nèi)離管口x距離點(diǎn)在陰極保護(hù)后電位從腐蝕電位負(fù)移的數(shù)值(電位位移值)。

　　式中：d——管內(nèi)徑，mm；
　　　　　L——管段總長，cm；
　　　　　x——離陽極端的距離，cm；
　　　　　E——在x點(diǎn)的電位位移值，其值是腐蝕電位與流過陰極極化電流時電極電位之差，V；
　　　　　ρ——管內(nèi)溶液電阻率，Ω·cm；
　　　　　W₀——單位面積管內(nèi)壁涂層電阻和法拉第阻抗，Ω·cm²；
　　　　　E₀——管口電位位移值，V。
　　從上式可知，影響冷卻管管內(nèi)電位位移值的主要因素為管內(nèi)徑、管長、管內(nèi)溶液電阻率、管口電位位移值和管內(nèi)壁涂層阻抗值。
　　對于海水冷卻器，管內(nèi)徑、管長和管內(nèi)溶液電阻率一般變化不大，對管內(nèi)電位分布影響不顯著。管口電位位移值增大后，管內(nèi)各點(diǎn)電位位移值雖有所增加，但管口電位太負(fù)也會造成過保護(hù)或損壞涂層。而涂層阻抗對電位分布的影響示于圖1。

　　從圖1可知W₀越大，管內(nèi)電位分布越均勻，冷卻管越易達(dá)到陰極保護(hù)。要提高陰極保護(hù)的效果，主要是提高W₀的值，即提高涂層的質(zhì)量。因此管內(nèi)壁表面的阻抗值是影響管內(nèi)電位分布的最主要因素。根據(jù)上述分析，對海水冷卻管，本工作采用鋁犧牲陽極陰極保護(hù)和涂裝高質(zhì)量的環(huán)氧聚酰胺涂層的聯(lián)合保護(hù)技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　模擬冷卻器示于圖2中，實(shí)驗(yàn)時，海水流速為2m/s，冷卻管為A3碳鋼管，內(nèi)徑選用目前冷卻器最常用的管徑，分別為16 mm和19mm。海水從儲水槽(A)由耐蝕泵(B)驅(qū)動，經(jīng)冷卻管的水室(C，800 L)、冷卻管(D)，通過流量計(jì)(F)返回儲水槽。

3 結(jié)果與討論

3.1 管內(nèi)電位分布隨距離的關(guān)系
　　運(yùn)行一年后，測量海水碳鋼冷卻管用鋁犧牲陽極陰極保護(hù)和涂裝環(huán)氧聚酰胺涂層時管內(nèi)電位分布情況。
　　涂裝冷卻管連上鋁犧牲陽極1 d后，兩種管徑的管內(nèi)電位能達(dá)到-1000～-1100mV。后隨著時間保護(hù)電位變化不大，圖3是冷卻管聯(lián)合保護(hù)一年后保護(hù)電位位移值隨距離的變化。從圖可知隨著距離的延長，管內(nèi)電位位移值有所下降，且管徑越大的其內(nèi)壁電位分布越均勻，即使小口徑16mm的冷卻管300cm處其保護(hù)電位也達(dá)到-920mV(電位位移值為0.36V)也能得到有效保護(hù)。經(jīng)過一年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，兩種內(nèi)徑的冷卻管均能達(dá)到-0.78V的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。因此采用鋁犧牲陽極和冷卻管涂裝涂料的聯(lián)合保護(hù)措施可以有效地保護(hù)海水碳鋼冷卻管。

3.2 海水在靜止和流動下對電位分布影響的比較
　　在海水靜止和流動(2m/s)情況下，分別測量冷卻管內(nèi)的電位位移值。涂裝碳鋼冷卻管內(nèi)的電位分布情況列于圖4、圖5中。

　　從圖4、圖5可知，海水在流動狀態(tài)下更有利于管內(nèi)壁的電位分布，其管內(nèi)電位位移值較靜止?fàn)顟B(tài)下變化要小，電位分布愈均勻。管內(nèi)徑對其電位分布影響不大。

4 結(jié)論及問題

　　①在使用鋁犧牲陽極對涂裝碳鋼海水冷卻器施加陰極保護(hù)時，經(jīng)過近一年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行可使兩種常用管徑3m長的涂裝碳鋼冷卻管內(nèi)表面各點(diǎn)的電位達(dá)到-0.78V的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，管內(nèi)陰極保護(hù)距離可從0.3m擴(kuò)展到3 m以上。并且海水在流動下更有利于管內(nèi)電位的分布。
　　②通過鋁犧牲陽極陰極保護(hù)和涂裝環(huán)氧聚酰胺涂層的聯(lián)合保護(hù)技術(shù)，可有效地防止海水對碳鋼冷卻器的腐蝕，這項(xiàng)技術(shù)可作為海水冷卻器腐蝕防護(hù)的有效技術(shù)。
　　③在目前工作的基礎(chǔ)上，尚需進(jìn)行涂層厚度對熱交換影響的實(shí)驗(yàn)，在冷卻效率和保護(hù)效果間找尋平衡點(diǎn)，滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用。另外海生物對冷卻管的污損問題及防治技術(shù)須進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：張志剛(1966-)男，陜西甘泉人，助理研究員，畢業(yè)于中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，現(xiàn)在同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院攻讀博士學(xué)位，zhgzhang@yeah.net