循環水埋地管線泄漏原因的分析與對策

2019-06-17 03:39:04

石油化工腐蝕與防護 2019年2期

(1.北京燕山威立雅水務有限責任公司，北京102500；2.中石化北京燕山石化檢驗計量中心，北京 102500)

某石化企業供水車間共有循環水裝置7套，均為敞開式循環冷卻水系統，系統設計供水水量為53.8 kt/h，主要負責為煉油系統及配套裝置供應循環冷卻水。近年來，循環水埋地管線泄漏現象頻發，查漏、堵漏也消耗著大量的人力、物力。循環水埋地管線的泄漏不僅浪費著大量水資源，也給安全穩定生產帶來隱患。

從泄漏管線的情況分析來看，管線泄漏源自腐蝕，而腐蝕也源自內外兩方面原因：一是內側腐蝕，即循環水對管線內壁腐蝕；二是外側腐蝕，即管線所處土壤環境對管線外壁腐蝕。分析了腐蝕機理，并采取了有針對性的措施抑制腐蝕的發生。

1 腐蝕原因分析

1.1 內側腐蝕

冷卻水在循環系統使用過程中，由于水的溫度升高、流速的變化和蒸發，各種無機物和有機物不斷濃縮，冷卻塔和冷水池在室外受到陽光照射、風吹雨淋和粉塵雜物的進入，再加上管線結構和材質(7套循環水系統的管線材質均為20號鋼)等諸多因素的綜合作用，會產生嚴重的沉淀物附著和微生物的大量滋生，這些情況導致循環水對管線產生電化學腐蝕、微生物腐蝕和離子腐蝕。

1.1.1 電化學腐蝕

在敞開式循環水冷卻系統中，水和空氣充分接觸，因此水中溶解的O2可達到飽和狀態，當碳鋼與溶解有O2的冷卻水接觸時，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導電性，在碳鋼管線表面會形成電極電位的差別，電極電位不同的地方通過管線本身連接成許多腐蝕微電池，高電位者為陰極，低電位者為陽極，微電池的陽極區和陰極區分別發生下列氧化反應和還原反應：

這些反應，促使微電池中陽極區的金屬不斷溶解而被腐蝕。

1.1.2 微生物腐蝕

在循環水系統不斷循環過程中，水質得到不斷濃縮，水中養分不斷積累，水溫的升高、陽光照射，加之裝置換熱器物料泄漏，為細菌、絲狀菌和藻類等微生物創造了迅速繁殖的條件，并以這些微生物為主體，混有泥沙、無機物和塵土等，形成微生物黏泥。

微生物黏泥中的鐵細菌利用循環水中溶解的氧氣將碳鋼材質管線中的鐵元素氧化成三價鐵，沉淀下來后產生大量黏液，構成銹瘤[1](見圖1)。由于耗氧，生成的銹瘤又阻礙氧的擴散，銹瘤下面的金屬表面常常處于缺氧狀態，從而構成氧濃差電池，引起鋼的腐蝕形成腐蝕穿孔。此外，這種缺氧狀態促使硫酸鹽還原菌等厭氧菌繁殖，分解水中的硫酸鹽，產生H2S，引起碳鋼管線腐蝕。其反應如下：

圖1 銹瘤

1.1.3 離子腐蝕

1.2 外側腐蝕

管線外側腐蝕主要是土壤腐蝕。土壤是一個由氣、液、固三相物質構成的復雜混合體系，是具有毛細管效應的、多孔性的特殊固體電解質，土壤中的溶解離子、微生物和雜散電流等都會對埋于土壤中的碳鋼管線造成腐蝕，土壤腐蝕多表現為局部腐蝕，形成蝕坑甚至蝕孔(見圖2)。

圖2 土壤腐蝕形成的蝕坑、蝕孔

1.2.1 雜散電流引起的腐蝕

雜散電流主要來自于供電裝置、地下電纜的泄漏和建筑物的接地裝置等，這些電流在土壤中流動到金屬管道上，然后再回到以上裝置，這個過程形成兩個腐蝕電池，一個是電流自上述裝置流入金屬管線，上述裝置為陽極，管線為陰極，上述裝置發生腐蝕；另一個則相反，電流從管線返回上述裝置，管線為陽極，上述裝置為陰極，管線發生腐蝕(見圖3)。

圖3 雜散電流腐蝕機理示意

1.2.2 微生物引起的腐蝕

土壤中的微生物在管道表面形成菌落，消耗了局部環境中的氧，加上細菌尸體及所吸附的無機鹽，沉積物覆蓋了局部表面，造成金屬表面氧濃度差，這樣使金屬表面形成電位差，形成氧濃差腐蝕電池，陽極區釋放的亞鐵離子能為鐵細菌作能源，因而吸引該菌在陽極區聚集，這樣一方面細菌能加速亞鐵氧化成高鐵，促使陽極去極化過程；另一方面細菌在碳鋼管壁表面形成結瘤，又促使形成氧濃差腐蝕電池的過程。部分微生物代謝會產生腐蝕性產物，如硫酸鹽還原菌的代謝產物不僅促進陰極去極化作用，且電位比鐵還低，形成新的腐蝕電池，氧化硫桿菌在代謝過程中產生10%～12%的硫酸，對管線形成腐蝕。

1.2.3 土壤性質引起的腐蝕

管線和不同透氣性的土壤而形成氧濃差電池以及鹽濃差、溫差等各種類型的宏電池, 主要是由于在管線的不同部位的電位不同。此類電池作用距離長，腐蝕類型為局部腐蝕，作用危害大，易造成地下管線的穿孔泄漏。土壤的孔隙度越大越有利于氧氣的滲入，管道腐蝕越嚴重；土壤中鹽含量越大，電導率越大，土壤腐蝕性越大；土壤pH值越低，腐蝕速率越高；土壤中水含量越高，腐蝕速率越高。但當水含量超過一定值后，氧的擴散滲透受到阻礙，土壤中的可溶性鹽已經全部溶解，此時水量再增加，也不再有新的鹽分溶解，從而使腐蝕速率減小。當土壤中的含水在10%以下時，由于水分短缺，土壤的電阻加大，腐蝕速率也會降低。

2 防護措施

循環水系統埋地管線腐蝕泄漏來自于內壁腐蝕和外壁腐蝕兩個方面，內壁腐蝕的防護主要從改善、控制循環水水質指標方面進行，管道外壁的防護主要以涂防護層和陰極保護為主。

2.1 控制循環水水質

控制水質主要是通過控制循環水中氧含量、pH值、懸浮物和微生物的養料以及系統預膜等手段，以達到控制內壁腐蝕的目的。

2.1.1 熱力除氧

在循環水給水中通過熱力除氧器除去水中的氧，抑制氧腐蝕。

2.1.2 去除循環水系統中的微生物

去除循環水系統中的微生物可以通過以下幾種方式來完成：(1)由于油的密度小于1而易于浮于水面上，在隔油池中利用集油管將浮油收集而排走，當裝置換熱器泄漏到循環水系統中油類較多時，可采用人工撈油的辦法及時清除，從而達到降低水中油含量的目的，否則會給微生物提供充足的營養，導致微生物迅速繁殖。(2)通過投加殺菌劑，控制微生物的生長，從而控制循環水管線中的微生物黏泥和微生物腐蝕，目前常用的殺菌劑是強氯精。(3)進行物理或者化學清洗(投加剝離藥劑)，可以把循環水系統管線中微生物生長所需要的養料、微生物生長的有利場所以及微生物本身從冷卻水系統管線金屬表面除去，并通過塔底排污等手段從循環水系統中排出。(4)采用石英砂等為濾料的旁濾罐，可以在不影響循環水系統正常運行的情況下通過旁流過濾除去水中的大部分微生物黏泥。

2.1.3 控制pH值和余氯

在pH值為4～10時碳鋼管線的腐蝕速率最低，考慮到循環水結垢的因素，將pH值控制指標設定在7.3～9.0。

循環水系統中的氯來自于殺菌劑強氯精，循環水系統中加入適量的強氯精，可以起到有效殺死微生物的作用;但必須控制氯在系統中的含量以降低氯離子對管線的腐蝕，氯離子質量濃度不超過700 mg/L，余氯質量濃度為0.1～1.0 mg/L。

2.1.4 預膜與投加緩蝕劑

預膜是在循環水系統清洗干凈后，通過投加大量的緩蝕劑在干凈的碳鋼金屬表面形成致密的保護膜以阻止腐蝕的發生。

投加緩蝕劑可以減緩甚至消除電化學反應，根據緩蝕劑對電化學腐蝕的控制部位不同又分為：陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑和緩和緩蝕劑[2]。

(1)陽極緩蝕劑

鉻酸鹽是典型的陽極緩蝕劑，在pH值為6.5～8.0時，使陽極有下列反應：

氫氧化鉻、氫氧化鐵脫水后形成氧化鉻、氧化鐵的混合物,從而在陽極構成保護膜。

(2)陰極緩蝕劑

磷酸鹽類是陰極緩蝕劑，其作用是與水中的陽離子(Ca2+和Fe2+)絡合形成帶正電的膠體，膠體顆粒向陰極沉積成膜，隨著膜的增厚，陰極釋放電子的反應被阻擋。陰極釋放電子的反應減緩，沉積也就減緩，最后膜停止增厚。

鋅鹽也是陰極緩蝕劑，在陰極部位產生氫氧化鋅沉淀，起到保護膜的作用。

(3)混合緩蝕劑

烷基胺類緩蝕劑具有極性基團，能在金屬表面形成單分子膜。一般親水基團吸附在金屬表面，而疏水基團朝向水，這樣形成一道屏障，阻止水與水中溶解氧向金屬表面擴散，起到緩蝕作用。

2.2 涂層防護和陰極保護

防腐涂層法應用于埋地管線的外壁腐蝕控制的原理為：涂層作為外壁腐蝕控制的第一道防線，將管道的金屬基體與具有腐蝕性的土壤環境隔離，阻止雜散電流、微生物等與碳鋼管線間離子、電流的滲透，可以有效避免管線受土壤腐蝕的影響。常用的表面防腐材料及涂層有環氧煤瀝青和玻璃布、聚乙烯防腐膠帶等。

2012年4月3日23時，某石化企業化工廠裂解裝置循環水回水埋地管線發生泄漏，開挖后雖找到漏點，但兩次帶壓堵漏嘗試均未能成功，最終導致化工廠裂解裝置被迫停車。停車后關閉冷卻水上水線總閥，泄漏的冷卻水迅速被排空，經檢查發現泄漏部位在距地面0.3 m處有一約100 mm×150 mm的孔洞。同時發現距地面0.8 m以上管線沒有防腐層，0.8 m以下均有防腐層，剝開防腐層，管線表面完好(見圖4)。經過更換故障管段，重新做防腐層，裝置重新恢復了生產。顯然，本次埋地管線泄漏的根本原因就在于沒有實施有效的防腐蝕，從而證明了防腐涂層的應用效果和重要性。