電脫水（脫鹽）器電極板采用鍍鋅防腐工藝的商榷

張 兵 羅 鋒 周雪靜

1中國石油海外勘探開發公司2中國石油規劃總院3中國石油大學（北京）

電脫水（脫鹽）器電極板采用鍍鋅防腐工藝的商榷

張 兵1羅 鋒2周雪靜3

1中國石油海外勘探開發公司2中國石油規劃總院3中國石油大學（北京）

為了應對高礦化度原油脫水過程的腐蝕，提出擬對電脫水（脫鹽）器的電極板、管件等碳鋼材質的內部構件采用鍍鋅防腐工藝。相關研究顯示，在高溫狀態下鋅的電極電位將向正向偏移，鋅陽極的驅動電位隨溫度的升高而降低并發生極性逆轉，成為鋼鐵的陰極。對于板材外有鍍鋅層的鋼鐵，若鋅鍍層出現破損有可能造成大陰極、小陽極的狀況，從而加速鋼鐵基體的腐蝕。在高溫環境下，用通過電位正向偏移后的鋅鍍層對鋼鐵基體實施覆蓋隔離保護的方法，缺乏相關的理論依據和確鑿的實驗數據支持。故在理論和實踐沒有證實的情況下，從實用性、經濟性、易維護性、使用壽命等因素綜合考慮，不建議采用鍍鋅防腐的方法。

電脫設備；電極板；鍍鋅防腐；電極電位；腐蝕

近期在一個海外項目的電脫水（脫鹽）器制造中，項目公司反映設計中電脫設備電極板及固定電極的管件采用碳鋼鍍鋅工藝。該公司設計人員認為，電脫設備操作運行溫度較高（設計溫度110℃），鋅在高溫條件下其電極電位將上升并發生逆轉，比鋼鐵的電極電位正，由于鋼材外的鍍鋅層的耐蝕性優于鋼鐵，可對包覆在內的鋼鐵基體起到保護作用。但筆者認為該觀點缺乏實驗數據和實踐應用的支持，因此在下文的研究討論中，建議取消鍍鋅方式。

1 缺乏鋅電極電位比鋼鐵正的實驗數據

國內部分資料和相關標準中提示，在50～60oC以上不能用鋅作為犧牲陽極材料?！队蜌馓幚砣萜鲀缺跔奚枠O陰極保護技術規范（SY/T 0047—2012）》中規定“鋅合金陽極不應用于溫度高于54℃的介質中”，其理由是在高溫狀態下，鋅的電極電位將向正向偏移，鋅陽極的驅動電位隨溫度的升高而降低，并在溫度高于54℃的情況下可能發生極性逆轉，成為鋼鐵的陰極。

資料查詢顯示，高純鋅在淡水中25℃時電極電位最負，為-1 010 mV左右。除此之外，不論溫度上升或下降，電位均正向偏移。

鋅電極浸入介質后，其自腐蝕電位一般均往負向移動。當介質中有氯離子存在時，氯離子濃度愈高，鋅的穩定電極電位愈負，而且隨氯離子濃度升高，呈現出單調負向升高趨勢。高純鋅電極電位與氯離子濃度關系見圖1。

鋅的電極電位隨溫度變化，主要是因為介質溫度導致溶氧量的差異使得鋅上的腐蝕產物發生了變化，高純鋅的腐蝕產物在50℃以下時，鋅表面形成具有很好黏著力和較好保護性能的膠狀Zn(OH)2膜，而在50℃時形成的是顆粒狀、黏和性差、無保護性的ZnO膜，ZnO有導電性，因而鋅的電位將隨溫度升高變得更正[1]。

圖1 高純鋅電極電位與氯離子濃度關系

對于鋼鐵，其電位變化不同于鋅，一般隨著溫度的升高，其自腐蝕電位將變為更負。有資料介紹，50oC時Q235鋼在模擬海水溶液中的自腐蝕電位達到-742 mV（20oC時為-716 mV）。碳鋼在靜止海水中和動態海水中的穩定電位分別為-690 mV、-670 mV[2]。

碳鋼在海水中的電位是隨著時間逐漸正移的，波動較小，最終穩定在-670 mV左右，它與處于同樣溫度和介質中的鋅有350 mV左右的電位差。金屬的電極電位因所處介質不同而不同，碳鋼在室溫下（25℃）的海水和自來水兩種介質中的自腐蝕電位也有近100 mV以上的電位差[3]。

總體來說，隨溫度升高鐵的電位負向變化較小，而鋅的電位則正向變化較大，所以在高溫水中，考慮鋅的電位正向變化可能比鐵正，陰極保護的兩極可能發生逆轉，鋅變成陰極，因此不推薦采用鋅作為犧牲陽極材料。

溫度和介質對鋼鐵、鋅的電極電位都有影響，各自變化幅度如何，對于在高溫、高氯離子環境中鋅的電極電位是否就比鋼鐵正，目前尚未查詢到確鑿的實驗數據。

2 熱鍍鋅層在電脫設備中的保護效果

熱鍍鋅是利用鋅液在鋼鐵表面浸潤，鋅液與鋼鐵基體間進行擴散和界面反應形成鐵鋅合金層，在鐵鋅合金層表面生成純鋅層。鍍鋅涂層的防腐原理主要是：在鍍層沒有破壞的情況下，可以起到一定的隔離作用；在鍍層破壞的情況下，鍍鋅涂層將作為陽極溶解，利用鋅作為犧牲陽極，從而保護鋼鐵基體。目前工程中大量使用熱噴鋅、熱滲鋅板材，其防腐作用原理與熱鍍鋅層相似，僅是制作工藝有所差異。相關資料介紹，在海洋環境中，鋅鍍層的電化學保護性能雖然好于鋁鍍層，但其耐蝕性明顯低于鋁鍍層。一般情況下，鋁鍍層鋼材的腐蝕速率最低，而鋅鍍層鋼材的腐蝕速率最高[4]。

油田用電脫設備處理的介質一般含水、含氯離子較高，介質腐蝕性較強，在常溫浸沒狀態下，僅100 μm厚的鋅鍍層對鋼材基體的保護作用是非常有限的，而且在長距離運輸及安裝過程中對鋅鍍層造成的損傷在所難免。

在高溫狀態下，按上述設計提出的“鋅在高溫條件下電極電位比鋼鐵正，對鋼鐵可起到保護作用”的理論，對于板材外有鍍鋅層的鋼鐵，若鋅鍍層出現破損，首先腐蝕的應是鍍層破壞處外露的鋼鐵部分，加之鋼鐵基體表面大部分被未破壞的鋅鍍層覆蓋，有可能造成大陰極、小陽極的狀況，從而加速鋼鐵基體的腐蝕。

3 鍍鋅防腐在電脫設備中的實例調研

對目前國內外電脫設備使用情況進行調研可知，國內尚未發現采用鍍鋅防腐工藝的電脫設備。大港石化、錦西石化（原葫蘆島煉油五廠）、撫順石化、大港油田、華北油田、大慶油田等企業的電脫鹽器均為碳鋼材質，沒有采用鍍鋅工藝，且設備內沒有采取其他防腐措施，大修打開設備時，發現設備腐蝕并不嚴重。只有錦西石化的電脫鹽器在使用5年后檢修時發現，部分電極板和設備底部腐蝕較為嚴重，檢修時對設備腐蝕嚴重部位進行了更換，且為原材質更換。

國外僅有伊拉克艾哈代布項目的電脫設備電極板和固定極板的管件采用了鍍鋅防腐工藝，設備內部設有鎂犧牲陽極保護。該設備目前已運行3年多，在使用2年左右時曾打開檢查一次，極板未發現明顯腐蝕，但設備筒體內鎂犧牲陽極損耗明顯，因此真正發揮保護作用的是比鋅更活潑的鎂。據廠家介紹，該項目電脫水（脫鹽）器的極板采用鍍鋅工藝是業主設計文件（與文中開篇提到的設計為同一設計單位）的要求。

4 國內外知名電脫設備制造商的反饋

通過國際知名石油設備供應商Frames（荷蘭）、Cameron（Cameron集團兼并了NATCO公司）和國內江蘇揚中電脫鹽設備有限公司、惠博普公司反饋回來的信息可知，電脫設備中電極板及其管件的材質選用，主要是根據處理油品介質的物性選用碳鋼、不銹鋼和合金鋼等不同材質，僅有惠博普公司根據業主要求，曾為伊拉克艾哈代布項目提供的電脫水（脫鹽）器中采用了電極和固定管件鍍鋅工藝。

5 結論

綜上所述，在高溫環境下，用通過電位正向偏移后的鋅鍍層對鋼鐵基體實施覆蓋隔離保護的方法，不僅可靠性較低，而且缺乏相關的理論依據和確鑿的實驗數據支持。同時由于電脫極板在鍍鋅過程中更難于保證鋅鍍層的致密性，無法起到完全隔離作用，故在理論和實踐沒有證實的情況下，從實用性、經濟性、易維護性、使用壽命等因素綜合考慮，不建議在設計中采用此方法。

[1]王增娣，閆永貴，馬力，等．高純鋅參比電極電位穩定性研究[J]．腐蝕與防護，2006，27（9）：450-453.

[2]彭欣．海水環境中帶銹碳鋼腐蝕電化學行為及相關參數的研究[D]．中國海洋大學，2013.

[3]郭敏，彭喬．碳鋼在海水中的腐蝕和防護[J]．四川化工與腐蝕控制，2000，3（3）：14-17.

[4]朱相榮，王相潤．金屬材料的海洋腐蝕與防護[M]．北京：國防工業出版社，1999，217.

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.044

張兵：高級工程師，1992年畢業于西南石油學院采油工程專業，從事海外油氣田地面工程建設管理和設計審查工作。

2015-05-20

（010）60111061、zhangbing@cnpcint.com