陰極保護(hù)技術(shù)在濕式煤氣儲氣柜上的應(yīng)用

陰極保護(hù)技術(shù)在濕式煤氣儲氣柜上的應(yīng)用上海燃?xì)馐斜变N售有限公司馮寶鶴龔敏摘要該文在分析大型濕式煤氣儲氣柜所采用的傳統(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極的陰極保護(hù)法對氣柜掛圈進(jìn)行局部防腐蝕保護(hù)，并詳細(xì)介紹了該法的設(shè)計及計算、試驗(yàn)安裝及應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：陰極保護(hù)犧牲陽極氣柜掛圈1概況大型濕式煤氣儲氣柜作為煤氣輸配的重要儲配設(shè)備，目前在國內(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多座濕式煤氣儲氣柜。由于濕式煤氣儲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m3的儲氣柜表面積大約為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、多則幾十萬m3的煤氣跑得無影無蹤。如果此時遇上明火，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)見的災(zāi)難性惡果。為此，減緩濕式煤氣儲氣柜掛圈的腐蝕，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)查與分析目前我國國內(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氣柜用作儲存、調(diào)配功能的重要設(shè)施。據(jù)不完全統(tǒng)計，東北三省及東南沿海城市濕式煤氣儲氣柜有上百座之多，這些氣柜的防腐蝕一般均采用傳統(tǒng)的隔離方法對氣柜的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕，即采取加涂專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）情況仍然不容樂觀，見圖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。

濕式煤氣儲氣柜掛圈是氣柜各浮塔之間的活動密封機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由上下掛圈組成，并由下掛圈內(nèi)的水位對浮塔內(nèi)的煤氣進(jìn)行密封。當(dāng)氣柜浮塔上升時，下掛圈將鉤掛起下一個外塔并在其水槽內(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。儲氣柜在投運(yùn)幾年后。氣柜會發(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，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留］上海地區(qū)濕式氣柜區(qū)掛圈.其它防腐蝕無留］上海地區(qū)濕式氣柜區(qū)掛圈.腐蛙發(fā)生溢氣事故掘計氣柜龐大的體積，在陽光照射下，朝陽的一面與背陽的一面會形成溫差，其溫差的熱電偶效應(yīng)會在掛圈的水槽內(nèi)得到釋放，形成溫差腐蝕。氣柜為防止雷擊。對外壁均采取了接地處理。當(dāng)氣柜周圍電纜流經(jīng)較大的三相不平衡電流時，就會對氣柜產(chǎn)生雜散電流腐蝕。根據(jù)現(xiàn)場調(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)中的陽極區(qū)，腐蝕最為嚴(yán)重。且由于陽極區(qū)是分散的、小范圍的，此時結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的是孔蝕，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保護(hù)方案提供設(shè)計依據(jù)，對水電路儲配站2。氣柜的密封水水樣水質(zhì)進(jìn)行了檢測分析，同時對普通低碳鋼板在水樣中的極化性能進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)見表2、表3。表2氣柜水質(zhì)檢測報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)簡單、安全可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的犧牲陽極陰極保護(hù)方案作為氣柜的防腐蝕保護(hù)方案。3犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計3.1設(shè)計選用的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范3.1.1SY/T0088—95《鋼制儲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)管道犧牲陽極保護(hù)設(shè)計規(guī)范》。3.2設(shè)計指標(biāo)3.2.1犧牲陽極陰極保護(hù)有效保護(hù)期為8年。衰4鎂陽極化學(xué)成分（％）用極型號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)計及計算3.3.1方案設(shè)計鑒于氣柜掛圈水的電阻率較高和氯離子含量低的情況。犧牲陽極保護(hù)方案選用三元鎂基合金陽極。鎂合金陽極的化學(xué)成分及電化學(xué)性能見4、表5。表5陽極的電化學(xué)性能 津能 ■位麝度 ]行皿*Mg-Al-Zn-Mni.tj開珞電嵌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鎂陽極與鋼板電位差為650mV。鎂陽極效率（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)計計算單個掛圈保護(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陽極用量G=I/（QXn）X8760XaX1000X1.2/O.85式中：G一陽極用量，kg；Q—理論發(fā)生電量，A?h/g；n一電流效率，％；8760一每年小時數(shù)：A-保護(hù)年數(shù)：0.85一陽極利用系數(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陽極外形尺寸陽極外形尺寸采用l000mmX60mmX50mm長條形陽極；單塊陽極重量為5.3蠔。單個掛圈陽極用量W=G/Gs式中：W一單個掛圈陽極用量，塊；G一單個掛圈陽極重量，kg；Gs廣每塊陽極重量，kg。W=568/5.3=107塊3.3.4陽極布置與安裝陽極布置采用沿下掛圈底，圓周均勻布置，陽極間隔約1m。陽極安裝方式可采用陽極鐵腳直接與掛圈鋼板焊接，也可采用陽極支架與掛圈鋼板焊接，陽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配站2#一氣柜犧牲陽極試驗(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極，經(jīng)過一段時間的極化后。根據(jù)測量的保護(hù)電位調(diào)整犧牲陽極的數(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極，經(jīng)過一段時間的極化后，根據(jù)測量的保護(hù)電位調(diào)整犧牲陽極的數(shù)量和位置。見表6。表6原設(shè)計和實(shí)際安裝的犧牲陽極數(shù)量安豆原設(shè)計歉星實(shí)際安筆敷營10784第二岑10734第里塔107n9210796舍計4283565效果檢查陽極自安裝后即進(jìn)入溶解狀態(tài)。通過數(shù)月的觀察，陽極表面溶解情況均勻，表面生成物(氧化物)基本自行脫落，沒有結(jié)硬殼情況出現(xiàn)。陽極正上方不斷有氣泡產(chǎn)生，陽極沒有氣阻現(xiàn)象發(fā)生。從測得的數(shù)據(jù)也表明：陽極活性強(qiáng)度大。電位輸出比較穩(wěn)定，隨著極化時間的增加，同一陽極輸出的波動電位W50mV。全部犧牲陽極安裝完畢，經(jīng)過一個月左右的極化后，測得保護(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，入水的氣柜由導(dǎo)輪、導(dǎo)軌等連接成一體，這時犧牲陽極將對比原保護(hù)面積大8?10倍的氣柜內(nèi)外壁進(jìn)行過量的保護(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，下掛圈內(nèi)的犧牲陽極不僅有效地保護(hù)了下掛圈。而且對整個氣柜的內(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)過一年多時間的運(yùn)行，取出的所有受保護(hù)的檢查片均光潔平整、無明顯銹蝕、光亮如新，泛出金屬特有的光澤：而對應(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)犧牲陽極及其安裝支架的安裝，勢必增加氣柜的重量。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)壓力見表8：表8氣柜內(nèi)壓力及氣柜重量變化-塔時二塔時三群時四塔時五塔時添內(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