油田自备电厂循环水管道腐蚀分析及对策.doc

油田自备电厂循环水管道腐蚀分析及对策孙 超，丁继峰（钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，山东 青岛 266071）摘要：本文结合理论及实践经验，对油田自备电厂循环水管道的腐蚀控制提出了防治对策，同时指出在阴极保护设计及施工中应注意的一些问题，希望对生产实践有一定的指导意义。关键词： 油田自备电厂 循环水管道 腐蚀控制 由于淡水资源的缺乏，而电厂又需要大量的循环冷却水，因此现在很多的油田自备电厂都建在滨海并使用海水作为循环冷却水。严酷的海水环境和设备结构的复杂性、材质的多样性使油田自备电厂循环水系统中的金属结构遭受不同形态、不同程度的腐蚀。为此油田自备电厂普遍采取了相应的防腐措施，如选择耐蚀材料、防腐层、阴极保护等。尽管如此，由于设计、施工、操作上的失误及一些意外情况，腐蚀现象仍时有发生，给电厂的正常运行造成一定影响，甚至产生较大的经济损失。通过对油田自备电厂海水循环水系统的腐蚀调研，可以得出如下结论：A 管道腐蚀事故的发生与设计、制造、使用及维护的人员水平密切相关；B 要真正控制腐蚀，首先应从设计开始，在设计与制造管道的同时，进行腐蚀控制设计与制造；C 要真正控制腐蚀，需要设计、制造、使用、维护维修人员的共同配合，从设计开始，进行全员、全方位、全过程的控制；D 要真正控制腐蚀，需要研究和发展相应地腐蚀控制技术；E 管道从投入使用到报废的整个过程中都要预防和控制腐蚀，才能确保使用的可靠性、安全性和耐久性。一、合理选材合理选材是设计阶段腐蚀控制的一项重要任务。总结众多腐蚀事故，经常可以看到选材不当所致的腐蚀失效事例。因此，选材是防止和避免腐蚀问题的重要一步。随着材料科学的发展，耐蚀金属材料发展很快，提高材料耐蚀性是解决腐蚀的根本性途径，但考虑到经济性、实用性，并不是所有的设备及管道都要选用最好的材料，在实际应用中，要综合考虑。对于油田自备电厂的管道材料选择原则如下： 在同类产品中实践证明使用良好，能满足防腐要求的材料可进入首选之列； 碳钢可作为电厂海水循环水系统管道的首选材料，但必须采用防腐涂层和阴极保护的联合保护； 不同金属材料接触时，应当尽可能选用电化学上能相容的材料，以避免电偶腐蚀； 各种金属材料都应考虑适当地防护措施，结构上的关键件、重要件原则上不允许裸露使用。根据以上原则，结合调研情况及我所的材料腐蚀研究成果，对循环水管道材料提出以下建议：油田自备电厂的循环水管道主要是钢管，个别采用预应力钢筒混凝土管(PCCP)。根据DL/T5339-2006火力发电厂水工设计规范，“大口径循环水压力管道靠近主厂房段，可采用钢管。其它地段当管线长度较长时宜采用预应力钢筋混凝土管或预应力钢筒混凝土管”。单从每米管道来看，钢管的造价高于PCCP管，但考虑到制作、运输、安装及工期等因素，海水电厂普遍使用的循环水管道仍是钢管。电厂循环水管道材质主要是Q235和10CrMoAl，应用最多的是Q235。 10CrMoAl材质钢的耐海水性能短期内优于碳钢，材质表面富集了含Cr、Mo、Al的钝化膜，起到耐海水腐蚀的作用，但在海水的长期冲刷下，该钝化膜被消耗，加剧了材质的腐蚀，其耐腐蚀性甚至还不如Q235钢，因此，循环水管道材料无论是Q235，还是10CrMoAl，都必须采用相同的防腐蚀措施，以保证其长期的使用寿命。另外10CrMoAl造价比Q235高80%左右，生产厂家较少，需单独制作，因此我们建议钢质管道材料选用Q235。国内电厂采用PCCP管作为循环水管时，一般不采取防腐蚀措施，由于使用时间较短，暴露出来的腐蚀问题还不是很多，但是国外的一些工程实例中，出现了不少PCCP管道严重腐蚀的情况，对此，国外制订了相关的标准，如NACE RP0100-2004 Cathodic Protection of Prestressed Concrete Cylinder Pipelines。因此，当采用PCCP管作为海水循环水管道长期使用时，建议采取必要的防腐蚀措施，如防腐涂层、阴极保护等。二、合理设计海水冷却系统的腐蚀控制设计，首先应着眼于控制流动海水中的侵蚀腐蚀，其次是控制电偶腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。有些腐蚀问题可以通过合理选材得到基本解决，有的得到部分解决。但也有很多情况下，仅通过选材仍不能得到根本性的解决，甚至明知某种材料有某种腐蚀敏感性，却不得不采用的情况。这时就需要通过合理设计，减轻可能产生的腐蚀问题。此外，即使选材合理，如果设计不慎，也会导致产生腐蚀问题，因此，合理设计是腐蚀控制不可或缺的重要环节之一。对于海水循环水管道而言，合理设计应主要从两个方面给予特别关注。2.1 控制局部流速的增大和紊流程度的增强 应尽量防止或减少局部流速的增大和紊流程度的增大。具体做法举例如下： 每一条管路线路都应沿着最短路线通过，并尽可能多采用直管，尽可能少地采用弯管，弯管半径应统一，弯管段间的直管段长度最好不小于1.52倍的管径。 尽量减少管路沿线的接头数量，特别是可拆接头数量（如法兰连接或螺纹连接）。 当海水流动方向发生变化时，尽量避免急转弯。允许在主管道上安装90度支管，其他情况下，支管的安装应考虑海水流动的方向，最好采用Y形三通。 应尽可能采用标准异形管配件，严禁现场粗制滥造的管配件。2.2 预防和避免电偶腐蚀、水滞留区腐蚀、沉积腐蚀等局部腐蚀 尽量减少异种金属材料结构数量。不可避免时，可选自然腐蚀电位差较小的材料互相配合，并且使阳极性构件表面积远大于阴极性构建表面积，严禁大阴极小阳极的不利组合。 当不可避免必须采用电位差较大的金属材料互相偶合时，应采用电绝缘连接，以防止异种金属间形成腐蚀电池而发生严重电偶腐蚀。 通过设计尽量避免和减少可能发生水滞留和杂物沉积的管段，不可避免时，应在水位最低处设泄流阀，定期排除积水或者沉积物。例如，在大小修期间，循环水管道中的设备存有一定的积水，与积水接触的设备腐蚀很严重，特别是在大修期间，时间长更为严重，另外，不锈钢材质的设备在静止海水中的腐蚀比在流动海水中的要严重的多，因此需要增加泄流阀彻底清除设备中的积水。三、防腐涂层防腐涂层是防止金属腐蚀的有效措施，也是应用最早、最广、最基本的金属防腐蚀措施。防腐涂层对钢铁构件腐蚀控制的贡献率达到50%，可见其作用之大。目前，油田自备电厂循环水管道防腐采用最多的是有机防腐涂层体系，如环氧类重防腐涂料等。目前在油田自备电厂中应用最多的防腐涂层体系为环氧类防腐涂层，如管道常用环氧煤沥青等涂料。油田自备电厂循环水管道部分处于海洋大气环境中，由于大气中的盐含量较高，会导致金属结构的较严重腐蚀，因此应合理选择防腐涂料体系。目前关于防腐涂层体系国内外有很多规范和标准，但国际上应用最广泛，公认最好的是ISO 12944标准，该标准对于涂层体系的选择、施工等都有具体的规定。对于油田自备电厂海水循环水管道内壁涂层体系的选用可依据DL/T5394-2007电力工程地下金属构筑物防腐技术导则中的规定。对于埋地钢质循环水管道外壁，涂层体系的选用可依据DL/T5394-2007电力工程地下金属构筑物防腐技术导则中的规定。对于油田自备电厂的埋地钢质循环水管道，其外壁防护涂层选用加强级或特加强级，应执行DL/T5339-2006火力发电厂水工设计规范的有关规定。四、阴极保护4.1概述阴极保护就是向被保护金属通以一定的直流电，使被保护的金属成为阴极而得到保护。根据提供电流方式的不同，可分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。牺牲阳极保护法就是选择电位较负的金属材料在电解液中与保护的金属相连，依靠其自身腐蚀所产生的电流来保护其它金属的方法。外加电流阴极保护法，是通过外加电源来提供所需的保护电流。外加电流阴极保护系统由控制仪器、辅助阳极、参比电极、阳极屏及相应的电缆组成。4.2 阴极保护的主要参数保护电位保护电位是指阴极保护时使金属停止腐蚀所需的电位值，是设计和监控阴极保护的一个重要指标。保护电位的值有一定范围，如钢铁在海水中的保护电位在-0.80V-1.0V(海水Ag/AgCl)之间。保护电流密度阴极保护时使金属的腐蚀速度降到允许程度所需要的电流密度值，称为最小保护电流密度，它是阴极保护的主要参数之一。4.3阴极保护材料选用准则4.3.1 牺牲阳极材料选用 对海水及淡海水环境中的碳钢、铸铁、低合金钢，可选用铝、锌合金牺牲阳极进行保护，介质电阻率小于100cm时，宜选用铝合金牺牲阳极，介质电阻率大于100cm时，宜选用锌合金牺牲阳极。 对循环水管道外壁进行阴极保护时，应根据土壤电阻率选用合适的牺牲阳极材料。当土壤电阻率在10m及以下时，应选用锌合金牺牲阳极，牺牲阳极材料性能应符合GB/T4950-2002锌-铝-镉合金牺牲阳极的规定；当土壤电阻率在10m以上时，应选用镁合金牺牲阳极，镁牺牲阳极材料性能应符合GB/T17731 -2004镁合金牺牲阳极的规定。 当海水环境中被保护体材质为不锈钢时，应采用铁阳极。4.3.2辅助阳极材料选择辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分，在外加电流保护系统中与直流电源正极连接的外加电极称为辅助阳极，其作用是使电流从电极经介质到被保护体表面。循环水管道外加电流保护系统选用MMO金属氧化物阳极，但在泥砂含量较多的水质环境中不建议使用。4.3.3阳极屏涂料为保证阴极保护电流的均匀发散，避免辅助阳极附近电力线过于密集造成保护电位分布不均匀，在辅助阳极附近应涂刷阳极屏涂料。4.4 循环水管道油田自备电厂海水循环冷却水系统中管道主要包括：循环水管道、开式循环冷却水管道、冷油器进出水管道、胶球清洗系统管道。电厂循环水管道的直径从几百毫米到几米不等，下面对不同管径的管道以及推荐的阴极保护措施进行分述：DN1000以上的循环水管道：采用涂层与牺牲阳极联合保护；设计理由：该方法优点是安装方便、安全可靠，平时无需专人管理。DN400DN1000管道：采用外加电流阴极保护；设计理由：对于管径在DN500DN1000范围内的管道，考虑到牺牲阳极的水阻影响以及牺牲阳极、涂层等施工困难的因素，采用外加电流法进行保护。小口径管道采用外加电流保护时，系统设计应注意以下问题： 辅助阳极应尽量避免海水直接冲刷，可选用MMO阳极、铂铌阳极以及铅银合金阳极； 参比电极可选用海水Ag/AgCl或高纯锌参比电极，电极本体应避免海水直接冲刷； 根据管道情况，合理布置辅助阳极及参比电极，重点考虑弯头、管道与设备相连部位； 辅助阳极电缆应通过阴极保护接线盒再接入恒电位仪或整流器，以便对辅助阳极的工作状态进行监测，同时应具备调节电流功能； 所有被保护管道应电连接良好，必要时采用电缆连接。DN200DN400管道：线性阳极阴极保护法；设计理由：受管道管径的限制，牺牲阳极的保护方法根本无法实施，涂层施工也非常困难，普通的外加电流保护法受工艺及保护半径的限制也无法达到预期的效果，因此推荐使用线性阳极阴极保护法。DN200以下管道：考虑到内壁空间的限制及经济指标的考虑，此范围的管道应从材质上的选择上，选用碳钢衬塑管道、316L或耐腐蚀性能优于316L的不锈钢钢管。当采用不锈钢材质管道时，应注意与其他碳钢管道的连接方式，避免发生电偶腐蚀。五、电偶腐蚀部位的防腐措施油田自备电厂海水循环水系统中常发生电偶腐蚀的区域有：循环水进、出水管道与凝气器的连接处；开式循环冷却水管道与水-水交换器的连接处；冷油器与管道的连接处；连接法兰、金属波纹补偿器（伸缩节）与管道连接处。推荐的防腐措施是：用绝缘材料（绝缘垫片）或涂层在连接处对双金属进行电绝缘，紧固螺栓采用绝缘护套。采用环氧玻璃鳞片等防腐耐磨涂料+阴极保护。本文对油田自备电厂循环水管道的腐蚀控制提出了具体的防治对策，同时结合一些施工案例阐明了具体的防治对策。本文也指出了在油田自备电厂的设备阴极保护设计和施工中需要注意的问题，望能对阴极保护的生产实践有一定的理论指导意义。参考文献1 曲政等，钢质海水管道的选材及防护J.热力发电2004(10):911.2 刘贵昌等，华能丹东电厂海水循环系统的腐蚀与控制.J.中国电力.37:8788.3 庞其伟等, 滨海发电厂外加电流保护技术应用及问题探讨. 5725744 苏振峰, 火力发电厂循环冷却水系统的水质控制及腐蚀保护.M. 中国海洋大学5 姜海峰, 阴极保护在发电厂中的应用.M. 山东大学.6 孟超等, 滨海电厂海水循环水系统中的电偶腐蚀与防护.J.腐蚀与防护,2006,4:1871907 王庆璋等, 海洋腐蚀与防护技术.M.青岛：青岛海洋大学出版社.8 柯伟,中国腐蚀调查报告.M.北京：化学工业出版社,2003.9 安金英，黄艳君.1000MW超超临界机组直流供水系统循环水管材的选择J.中华电力,2007,20(5):35 10 张斌 ，邹婷婷等.色漆和清漆-防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护J. 国际标准ISO12944-1：1998（中文译本），1998(5):2511 王日义等.海水冷却系统的腐蚀及控制M.化学工业出版社200612 藤原和雄 .海水管道材料的选择J1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House13 胡士信,阴极保护手册.M.北京：化学工业出版社,2000.14 S.C.德克斯特,海洋工程材料手册.M.北京：海洋出版社,1982.15 GB/T 16166-1996 滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护16 GB/T 7387-1999 船用参比电极技术条件17 GB/T 7388-1999 船用辅助阳极技术条件18 GB/T 7788-2007 船舶及海洋工程阳极屏涂料