滲瀝液低溫蒸發(fā)設(shè)備的陰極保護技術(shù)初探＊

常燕青 辛然 常中龍 吳海鎖 辛雁清

（1.維爾利環(huán)保科技集團股份有限公司，江蘇常州 213125；2.常州金源機械設(shè)備有限公司，江蘇常州 213126；3.江蘇省固體廢棄物處理環(huán)保裝備工程技術(shù)研究中心，江蘇常州 213126；4.北京起重運輸機械設(shè)計研究院，北京 100007；5.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇南京 210036；6.山西省汾河二庫管理局，山西太原 030012）

0.引言

環(huán)保設(shè)備長期處于酸堿液等惡劣的工作環(huán)境中，腐蝕問題十分突出。目前，我國環(huán)保行業(yè)的設(shè)備腐蝕保護技術(shù)方法已經(jīng)沿用了幾十年，主要包括兩個方面，一是表面涂以防腐涂層，二是鋼板預留一定的厚度作為被腐蝕層，保證結(jié)構(gòu)厚度。目前基本沒有使用更先進的腐蝕保護新技術(shù)的成功案例。為了延長環(huán)保設(shè)備的使用壽命，保證設(shè)備的運行安全，環(huán)保行業(yè)急需在設(shè)備的腐蝕保護新技術(shù)應(yīng)用方面有所突破。

陰極保護技術(shù)是一種新興的金屬腐蝕保護方法。美國是世界上研究材料腐蝕最早的國家，最早將現(xiàn)代的陰極保護技術(shù)廣泛應(yīng)用于實踐。國內(nèi)的陰極保護技術(shù)在大距離輸送管道工程防腐蝕實踐上取得了良好的效果，由于在環(huán)保行業(yè)中沒有相應(yīng)的陰極保護方面的技術(shù)規(guī)范，本次試驗參考了美國陸軍工程師團工程手冊《水閘與運行設(shè)施》的相關(guān)內(nèi)容和國內(nèi)石油化工等相關(guān)行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，在前期理論研究的基礎(chǔ)上，選擇對填埋場垃圾滲濾液反滲透（RO）濃縮液低溫蒸發(fā)塔采用陰極保護防腐試驗，并初步對試驗進行了總結(jié)，對環(huán)保設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的防腐進行有益的探討。

1.腐蝕的概念和危害

腐蝕是設(shè)備某種材料退化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通常是由某種材料與工作環(huán)境的化學反應(yīng)產(chǎn)生的。本文中的腐蝕僅指鋼等金屬的腐蝕，不包括其他非金屬材料的腐蝕。環(huán)保行業(yè)中的金屬設(shè)備、結(jié)構(gòu)設(shè)施存在嚴重的腐蝕危害，不僅給環(huán)保企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，也嚴重地影響環(huán)境和運行安全，腐蝕保護問題已經(jīng)成為環(huán)保企業(yè)面臨的一大難題。

2.腐蝕的機理

“腐蝕”是材料在工作環(huán)境作用下發(fā)生的可以導致材料發(fā)生明顯的變化從而使材料損壞的化學反應(yīng)。

金屬在電介質(zhì)中的腐蝕是一個電化學過程，在電解質(zhì)溶液中所發(fā)生的金屬腐蝕稱為電化學腐蝕[1]，這是腐蝕電化學的基礎(chǔ)，基于此原理發(fā)展的阻止腐蝕方法就是電化學保護。

電化學腐蝕過程很復雜，電解質(zhì)、環(huán)境要素、腐蝕的物理化學性質(zhì)和金屬特性、金屬微觀和宏觀不均勻因素等都會對反應(yīng)過程產(chǎn)生非常復雜的影響[2］。

電化學腐蝕反應(yīng)主要特征是：

（1）金屬和電解質(zhì)間的界面層帶電，對界面層的各種影響都能明顯的影響金屬的腐蝕。

（2）金屬失去電子（氧化反應(yīng)）和氧化劑獲取電子（還原反應(yīng)），這兩個不同過程不在相同位置點反應(yīng)，金屬及其與電解質(zhì)界面間部分區(qū)域存在電流通過。

（3）在遠離局部陽極和局部陰極的第三處可以產(chǎn)生二次反應(yīng)產(chǎn)物。

3.陰極保護方法

依據(jù)保護對象產(chǎn)生不同電流的特點劃分，陰極保護的措施有犧牲陽極法和外加電流法兩種。本次試驗采用了犧牲陽極法。

3.1 犧牲陽極法簡介

在確定防腐的金屬后，選擇電極電位比被保護金屬更負的一種活潑金屬（合金）[3]，與被保護金屬置于同一個電解質(zhì)環(huán)境中，并從外部實現(xiàn)電連接，構(gòu)成一個腐蝕原電池。負電位低的活潑金屬，在電池系統(tǒng)內(nèi)作為陽極先腐蝕溶解，釋放電子（即負電流），將防腐金屬的陰極極化到合理電位區(qū)間，抑阻腐蝕從而達到防腐目的，就是犧牲陽極法陰極保護技術(shù)[4]的工作原理。試驗中的金屬設(shè)備是電池系統(tǒng)中的陰極，活潑金屬是陽極，設(shè)備中的水是電解質(zhì)溶液。構(gòu)成了一個完整的陰極保護系統(tǒng)。

犧牲陽極法見圖1。被保護對象為鋼制管道，犧牲陽極為鎂陽極，外部電連接為絕緣導線，環(huán)境介質(zhì)為土壤。

圖1 埋地管道的犧牲陽極法陰極保護系統(tǒng)示意圖

3.2 犧牲陽極法的優(yōu)缺點

優(yōu)點是：

（1）不需要借助任何外部電源，具有方便廣泛的應(yīng)用；

（2）用電系統(tǒng)對與相其鄰的結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生的雜散電流無干擾或干擾很小；

（3）對小型金屬設(shè)備和構(gòu)件而言，采用陰極保護的措施成本極低；

（4）在特定范圍內(nèi)，犧牲陽極輸出電流具備自調(diào)節(jié)能力，保護電流分布均勻，利用率較高；

（5）施工安裝簡便，運行維護管理方便，多數(shù)無需維護；

（6）在低電阻率的運行環(huán)境中，運行良好。

缺點是：

（1）鑒于輸出功率較小，犧牲陽極系統(tǒng)在較高電阻率環(huán)境中不建議采用，過高電阻率的環(huán)境中則明顯不宜采用；

（2）系統(tǒng)保護電流較小，可調(diào)節(jié)范圍極小；

（3）為了獲得良好的保護效果，要求在被保護結(jié)構(gòu)物的表面涂敷優(yōu)質(zhì)的防腐蝕涂覆層；

（4）用于消耗的活潑金屬陽極質(zhì)量大，使用年限較短，幾年后即需要更換。

3.3 陰極保護的主要參數(shù)

陰極保護的主要參數(shù)是保護對象能否獲得充分防護的判斷依據(jù)，調(diào)控陰極保護系統(tǒng)的運行過程，是決定陰極保護系統(tǒng)保護效果的關(guān)鍵[5]。因此，主要參數(shù)的確定和控制，在陰極保護的設(shè)計中至關(guān)重要。

通常，陰極保護系統(tǒng)主要的參數(shù)有兩個：一是保護電位和保護電位范圍；二是保護電流密度。

3.3.1 保護電位和保護電位范圍

對給定被保護體系中的最小保護電位的影響因素較多，影響最小保護電位值；理論計算的最小保護電位值也隨條件發(fā)生變化，實踐表明，-0.85V（CSE）是普遍適用的最小保護電位，因此，國外將-0.85V（CSE）作為陰極防腐技術(shù)的重要技術(shù)標準，并成為陰極防腐工程技術(shù)質(zhì)量的重要控制判據(jù)[6]。陰極保護中可以使腐蝕停止的電位叫保護電位。實踐中，鋼鐵的保護電位常取-0.85V（CSE），通常認為，金屬電位低于-0.85V（CSE）這個數(shù)值時[7]，該金屬就受到了保護，腐蝕可以忽略。

從腐蝕的電化學理論來說，通過對金屬的電極電位進行有效控制，使其狀態(tài)處于比最小保護電位更低的數(shù)值，就能實現(xiàn)金屬防腐。但陰極保護電位也不能過負，過負后如果達到析氫電位，將產(chǎn)生析氫反應(yīng)，產(chǎn)生氫脆破壞。這種過保護破壞應(yīng)予防止，需要確定一個最大保護電位。在最小保護電位和最大保護電位之間是保護電位區(qū)間。前蘇聯(lián)將鋼的最小保護電位定為-0.85V，最大保護電位定為-1.15V。

3.3.2 保護電流密度

為了確保合理的保護電位而應(yīng)對其施加的陰極極化電流稱為保護電流[5]。對被保護金屬總面積而言，單位面積上的保護電流量叫做保護電流密度，最小保護電位時陰極對應(yīng)的極化電流密度叫做最小保護電流密度。

保護電流密度是金屬防腐、調(diào)控保護電位的關(guān)鍵參數(shù)，屬于陰極保護設(shè)計的重要參數(shù)[8]。在設(shè)計時，被保護金屬的電流密度要大于最小保護電流密度，否則金屬物不能完全的受到保護。同時，如果實際電流密度比最小保護電流密度大很多，不但增加電量消耗，提高經(jīng)濟成本，還容易導致過保護現(xiàn)象，使保護作用有所降低。

最小保護電流密度是與被保護金屬物的種類、腐蝕介質(zhì)的種類、電路總電阻[9]、金屬表面是否有涂覆層、涂覆層的種類、質(zhì)量和環(huán)境條件等因素有關(guān)。導致最小保護電流密度從數(shù)個μA/m2到數(shù)百個mA/m2之間變化。相比較而言，不同的保護電位只在一個非常有限的電位范圍內(nèi)變化，而最小保護電流密度的選擇范圍則可達5～6個數(shù)量級。

4.陰極保護在填埋場滲濾液低溫蒸發(fā)塔的腐蝕控制試驗

在考慮運行環(huán)境和代表性等因素后，確定在生活垃圾填埋場滲濾液RO后濃縮液低溫蒸發(fā)塔進行了犧牲陽極的陰極保護試驗。填埋垃圾滲瀝液濃縮液低溫蒸發(fā)工藝如下圖2所示，該低溫蒸發(fā)裝置由增濕塔（簡稱干塔）和脫濕塔（簡稱濕塔）及塔體系統(tǒng)及輔助循環(huán)系統(tǒng)組成，其中兩個塔體均為塔徑2m，塔高21.5m, 每個塔體分5節(jié)分段加工制作，使用法蘭拼接緊固。考慮到增濕塔最底部一節(jié)連接膿縮液出口段，濃縮液中成分復雜（見表1），含有大量的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子，氨氮以及難降解有機物等物質(zhì)，氨氮濃度也較高，且電阻率很低，電導率極高，這一段的腐蝕破壞威脅最嚴重。塔體在國外通常設(shè)計選材為2507超級雙相不銹鋼或鈦合金，塔體的造價非常昂貴，難以市場推廣。為此，我們采用“碳鋼+涂層+陰極保護”技術(shù)工藝設(shè)備方案，進行了工程試驗，大幅降低了成本。初步估算設(shè)備節(jié)約投資約為55%，從初步的實驗可以預估設(shè)備完全達到國外設(shè)備的使用年限。

表1 低溫蒸發(fā)系統(tǒng)進出水水質(zhì)匯總表

圖2 低溫蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程圖

在蒸發(fā)塔“碳鋼+涂層+陰極保護” 技術(shù)工藝設(shè)備方案中。陰極保護技術(shù)需要綜合考慮設(shè)備工作的復雜環(huán)境、結(jié)構(gòu)被保護的面積和特征、水樣電阻率的實測值等。低溫蒸發(fā)系統(tǒng)進出水水質(zhì)見表1。

4.1 陰極保護的主要設(shè)計依據(jù)

考慮到本行業(yè)內(nèi)尚無相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在參考美國陸軍工程師團《水閘與運行設(shè)施》工程手冊的基礎(chǔ)上，試驗借鑒了國內(nèi)其他行業(yè)如材料、石油、海港工程的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和其他資料。

4.2 陰極保護材料的選擇

犧牲陽極材料的確定，通常按照介質(zhì)環(huán)境的電阻率確定。試驗中犧牲陽極對滲瀝液蒸發(fā)塔防腐保護效果取決于內(nèi)壁本身質(zhì)量、介質(zhì)流動性以及溫度。一般陽極選擇鋁、鋅、鎂及其合金等自然電極電位較負的材料。這些陽極材料在自然環(huán)境中的腐蝕電位都能達到-10V。其中適用于土壤中的犧牲陽極材料主要是鎂（電阻率＞200Ω?cm），在海水中是鋅和鋁（電阻率＜200Ω?cm）。鎂具有電容量大、電位負、密度小、極化率低等特點，對鋼鐵的驅(qū)動電壓較大(＞0.6V)[10］，在單位面積產(chǎn)生的電流比鋅大,也適用于電阻率較大的介質(zhì)中。本次試驗選用鎂合金為犧牲陽極材料，鎂的自腐蝕很強烈，考慮到安裝方便，鎂的斷面采用梯形，平均布置8支MG-8型鎂陽極（凈重8kg）。

4.3 陰極保護的試驗指標

設(shè)計壽命：試驗選擇的陽極材料按照壽命不小于5年考慮，實際應(yīng)用中選擇的材料要遠高于5年。

設(shè)計保護電位：導電良好的設(shè)計保護電位：＜0.25V（相對高純鋅長效參比電極）。

4.4 陰極保護的試驗安裝

犧牲陽極使用固定支架安裝在濕塔最底部一節(jié)，沿著垂直方向均勻布置8支鎂陽極，電位測量使用壓差液位傳感器從濕罐底部接出的開口法蘭。

鎂陽極的安裝注意事項：

（1）陽極支架的設(shè)立。陽極用鋼支架固定在管壁上，陽極和固定支架之間使用螺栓安裝，陽極支架和管壁焊接。螺栓安裝是將鎂陽極在支架上打孔、固定，要注意螺栓與鎂陽極之間的密封隔絕，如兩者之間密封不嚴，螺栓和鎂陽極之間形成電池，則是螺栓得到保護，設(shè)備反而得不到保護。隔絕方式通常是在螺栓孔內(nèi)使用樹脂密封，在樹脂凝固之后將支架焊接在蒸發(fā)濕塔最底部一節(jié)的環(huán)形內(nèi)壁處。焊接前焊點處要打磨達到St3級，焊接要求牢固、無虛焊、焊縫飽滿。焊接完成后徹底清除焊渣。

（2）安裝間距的控制。一般情況下，盡可能地使鎂陽極靠近內(nèi)壁,距離控制在約5cm～10cm之間為宜，試驗的距離是8cm。

（3）鎂陽極的布置。8只鎂陽極在垂直方向的最底部第一節(jié)等距離均勻分布。由于增濕塔是低溫蒸發(fā)工藝，系統(tǒng)運行最高工況溫度只有95℃。本次試驗不在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別布置鎂陽極，也不對比不同溫度對陽極消耗速度的影響。

（4）防腐涂層的涂裝。濕塔內(nèi)壁防腐涂層使用阿克蘇諾貝爾涂料有限公司的Enviroline 405HT環(huán)氧酚醛涂料，涂層干膜厚度μm：≥1000，塔體連接法蘭凹凸面不涂裝，但需要涂防銹油，防止安裝前生銹。犧牲陽極支架和濕塔內(nèi)壁的防腐處理要求完全相同。所有待涂覆的金屬表面均應(yīng)清潔、干燥、無污染。涂漆之前，應(yīng)根據(jù)ISO 8504:2000標準對所有表面進行評估和處理。必要時，清除焊渣飛濺，打磨光滑焊縫和銳邊。防腐涂層涂刷要保證均勻、美觀、規(guī)則，陽極材料嚴禁涂覆防腐材料，在防腐蝕處理完成后安裝陽極，如果需要安裝后防腐處理，需采取措施保護陽極。

（5）導電性的測試。在鎂陽極安裝完成后必須測試導電性，要確保陽極和被保護設(shè)備間良好的導電性。通過測量被保護設(shè)備的保護電位，確認金屬結(jié)構(gòu)各部分的保護電位滿足要求，如果不滿足，需要重新調(diào)整陽極的數(shù)量和布置方式。在試驗中，要定期對被保護的設(shè)備進行檢查維護，周期是半年測量一次并做好詳細記錄，確保有效運行，如實測數(shù)據(jù)不符合要求時，要盡快查找原因，做出相應(yīng)調(diào)整。

5.檢測結(jié)果分析

開始試驗后，每月測試一次，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)，在前2年約6個月測試一次，從保護電位的實測結(jié)果分析：

在運行6個月后，測試時實測水樣電阻率平均值為615Ω?cm，見表2，布置的8個陰極保護電位測試結(jié)果見表3，保護電位的測量結(jié)果均小于0.25V(相對高純鋅長效參比電極)，對罐體的保護效果很好。

表2 水樣電阻率表（實測水樣電阻率均值為615Ω?cm）

表3 陰極保護電位測試表

在運行一年后，測試時實測水樣電阻率均值為827Ω?cm，陰極保護電位測試結(jié)果見表4，保護電位測量結(jié)果均小于0.25V(相對高純鋅長效參比電極)見表5，對罐體的保護效果很好。

表4 水樣電阻率表（實測水樣電阻率均值為629Ω?cm）

表5 陰極保護電位測試表

6.結(jié)語

試驗表明，在正常工作環(huán)境中，犧牲陽極陰極保護技術(shù)對滲瀝液RO濃縮液低溫蒸發(fā)塔設(shè)備實現(xiàn)了良好的保護效果，和涂層聯(lián)合防腐對設(shè)備保護效果明顯，同理其他環(huán)保設(shè)備的防腐保護完全可以考慮使用陰極保護方法。試驗中也發(fā)現(xiàn)一些問題需要繼續(xù)深入研究，這就是使用的鎂合金犧牲陽極材料在工作中，保護電位存在過負的情況，比較多的測點在多次實測中低于-250mV，有些達到了近-300mV，這樣容易形成鎂陽極與被保護設(shè)備之間驅(qū)動電位比較大，在遇到容器中的水電阻率較低時，陽極的電流比較大，加快了陽極的消耗，設(shè)備如果長期處于這種過保護狀態(tài)，嚴重時會導致設(shè)備防腐層鼓泡、剝離，脫落，給防腐層造成破壞。這也是下一步試驗研究的重點。

腐蝕控制能有效地減緩腐蝕的發(fā)生，是一種儲蓄資源，儲蓄服務(wù)，儲蓄安全的綜合性的工程措施和社會活動。保持和延長基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)壽命是腐蝕控制的關(guān)鍵，是盡量延長和擴展現(xiàn)有設(shè)施或系統(tǒng)的服務(wù)而不是盲目建設(shè)新的替代基礎(chǔ)設(shè)施。其中，陰極保護技術(shù)是環(huán)保設(shè)備經(jīng)濟合理、切實可行的防腐蝕措施，是值得深入研究的經(jīng)濟和可靠的防腐蝕保護辦法，對行業(yè)的防腐具有重要的現(xiàn)實意義。

備注：山西省科技廳將《灌溉設(shè)備(閘門)的陰極保護》列入了省級科技攻關(guān)計劃，2006年5月9日山西省科技廳批準立項，項目編號:2006031185，山西省財政支持科研資金10萬元。至2013年 11月，完成了資料翻譯和理論研究等工作后于2017年7月由山西省科技廳主持完成項目驗收。2019年8月，由維爾利環(huán)保科技集團股份有限公司所屬的常州金源機械設(shè)備有限公司負責，選擇適合的環(huán)保設(shè)備并進行試驗，目前初步實驗已經(jīng)完成。