海水碳钢冷却器腐蚀防护的研究

张志刚¹，辜志俊²，李光明¹，郭琦龙²
(1.同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；2.中国科学院 福建物质结构研究所二部，福建 厦门 361012)

　　摘　要：随着淡水资源的减少和污染，海水作为碳钢冷却器冷却用水将发挥很大的作用。对冷却管单独采用阴极保护或涂装涂层不能达到理想的保护效果，在分析了管内涂层质量是冷却管管内电位分布的主要影响因素基础上，对海水冷却管采用铝牺牲阳极阴极保护和涂装高质量环氧聚酰胺涂层的联合保护措施。经过近一年的实验运行，两种内径的冷却管均能达到-0.78V的阴极保护标准，可有效防止海水对冷却管的腐蚀。
　　关键词：海水；冷却水；碳钢冷却器；阴极保护
　　中图分类号：TU991.38　　文献标识码：A　　文章编号：1009—2455(2004)06—0028-03

A Study of Corrosion Protection of Carbon Steel Coolers Using Sea Water as Cooling Water
ZHANG Zhi-gang¹，GU Zhi-jun²，LI Guang-ming¹，GUO Qi-long²
(1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University,Shanghai 200092，China;
2.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Science, Xiamen，361012，China)

　　Abstract：With the decrease and pollution of the resource of fresh water，sea water will play an important role as a cooling water for carbon steel coolers.To solve the problem that ideal result of protection of cooling pipes cannot be achieved by using cathodic protection or coating only，based on confirming that the quality of the coating inside the pipes is the main factor affecting the potential distribution inside the cooling pipes，a combined protective measure of using aluminium sacrificial anode protection and applying high-quality epoxy polyamide coating was taken for the sea-water cooling pipes.It is shown through an almost one-year experimental running that the cooling pipes of two different inside diameters can reach the standard of cathodic protection，which is -0.78 V，and can effectively protect the cooling pipes from the corrosion by sea water.
　　Key words：seawater；cooling water；carbon steel cooler；cathodic protection
　　
　　随着淡水资源的日益减少和污染，沿海地区工厂将面临缺水，而沿海地区又具有丰富的海水资源，有利用海水资源的有利条件。海水具有温度较低、便宜且可大规模利用等优点。碳钢冷却器是最常用的工业冷却器，但目前碳钢冷却器多用于淡水，改用海水为冷却水时冷却管极易因腐蚀而穿孔。
　　解决碳钢冷却管因海水腐蚀穿孔的问题，通常的方法是对碳钢冷却管施加阴极保护。因受到管径太小的限制，阴极保护的有效距离仅在距管口较短范围内，管内大部分管壁仍受到海水的腐蚀。若只对冷却管涂装涂层，因在涂装和使用过程中不可避免地存在缺陷，当海水腐蚀介质通过缺陷到达金属界面时，腐蚀将在缺陷处发生，使冷却管因孔蚀而穿孔。
　　本工作从理论上分析了冷却管内电位分布的主要影响因素，在技术上提高管内壁的表面阻抗，使用牺牲阳极阴极保护和冷却管涂装高质量涂层的联合保护措施，以实现冷却管内各点均能达到阴极保护的目的。

１管道内壁电位分布的理论分析

　　当阴极保护技术用于金属管道防腐蚀时，由于管道内空间狭窄，电力线分布受到限制，致使内壁电流密度和电位的分布不均匀。因而有效保护距离非常有限。据资料报导^[1]，对于16，22和25mm直径的未涂装冷却管，阴极保护电流达到的距离仅为31，35和38cm，在管内深处无法得到阴极保护。
　　当采用冷却管内涂装涂层来保护冷却管时，涂层能阻挡腐蚀介质到达金属界面。但当水、腐蚀介质离子渗透到金属界面时会导致涂层附着力的下降和膜下腐蚀的发生，并且在涂装和使用过程中不可避免地存在缺陷和破损，即使是高质量的涂层也会随着冷却管的运行，水等腐蚀介质通过涂层缺陷处而使冷却管腐蚀穿孔。表1表示涂层质量与涂层损伤程度的关系。

表1 涂层质量与涂层损伤程度的大致关系(以涂层电阻为依据)

涂层损伤程度

涂层电阻/（Ω·cm²）

涂层评价

无损伤

1×10⁸

优

小点损伤

1×10⁸～2.5×10⁷

良

少数损伤

2.5×10⁷～5×10⁶

可用

相当大面积损伤

5×10⁶～5×10⁵

不可用

严重损伤

5×10⁵～5×10⁴

不良

无涂层

5×10⁴

　　对冷却管单独采用阴极保护或涂装涂层，因各自缺陷常不能达到理想的防腐保护效果。因此有些科学工作者^[2-5]研究了涂装管道内壁电位分布的定量关系，推导出电位分布的方程式。依据此方程，管内离管口x距离点在阴极保护后电位从腐蚀电位负移的数值(电位位移值)。

　　式中：d——管内径，mm；
　　　　　L——管段总长，cm；
　　　　　x——离阳极端的距离，cm；
　　　　　E——在x点的电位位移值，其值是腐蚀电位与流过阴极极化电流时电极电位之差，V；
　　　　　ρ——管内溶液电阻率，Ω·cm；
　　　　　W₀——单位面积管内壁涂层电阻和法拉第阻抗，Ω·cm²；
　　　　　E₀——管口电位位移值，V。
　　从上式可知，影响冷却管管内电位位移值的主要因素为管内径、管长、管内溶液电阻率、管口电位位移值和管内壁涂层阻抗值。
　　对于海水冷却器，管内径、管长和管内溶液电阻率一般变化不大，对管内电位分布影响不显著。管口电位位移值增大后，管内各点电位位移值虽有所增加，但管口电位太负也会造成过保护或损坏涂层。而涂层阻抗对电位分布的影响示于图1。

　　从图1可知W₀越大，管内电位分布越均匀，冷却管越易达到阴极保护。要提高阴极保护的效果，主要是提高W₀的值，即提高涂层的质量。因此管内壁表面的阻抗值是影响管内电位分布的最主要因素。根据上述分析，对海水冷却管，本工作采用铝牺牲阳极阴极保护和涂装高质量的环氧聚酰胺涂层的联合保护技术。

2 实验装置

　　模拟冷却器示于图2中，实验时，海水流速为2m/s，冷却管为A3碳钢管，内径选用目前冷却器最常用的管径，分别为16 mm和19mm。海水从储水槽(A)由耐蚀泵(B)驱动，经冷却管的水室(C，800 L)、冷却管(D)，通过流量计(F)返回储水槽。

3 结果与讨论

3.1 管内电位分布随距离的关系
　　运行一年后，测量海水碳钢冷却管用铝牺牲阳极阴极保护和涂装环氧聚酰胺涂层时管内电位分布情况。
　　涂装冷却管连上铝牺牲阳极1 d后，两种管径的管内电位能达到-1000～-1100mV。后随着时间保护电位变化不大，图3是冷却管联合保护一年后保护电位位移值随距离的变化。从图可知随着距离的延长，管内电位位移值有所下降，且管径越大的其内壁电位分布越均匀，即使小口径16mm的冷却管300cm处其保护电位也达到-920mV(电位位移值为0.36V)也能得到有效保护。经过一年的实验运行，两种内径的冷却管均能达到-0.78V的阴极保护标准。因此采用铝牺牲阳极和冷却管涂装涂料的联合保护措施可以有效地保护海水碳钢冷却管。

3.2 海水在静止和流动下对电位分布影响的比较
　　在海水静止和流动(2m/s)情况下，分别测量冷却管内的电位位移值。涂装碳钢冷却管内的电位分布情况列于图4、图5中。

　　从图4、图5可知，海水在流动状态下更有利于管内壁的电位分布，其管内电位位移值较静止状态下变化要小，电位分布愈均匀。管内径对其电位分布影响不大。

4 结论及问题

　　①在使用铝牺牲阳极对涂装碳钢海水冷却器施加阴极保护时，经过近一年的实验运行可使两种常用管径3m长的涂装碳钢冷却管内表面各点的电位达到-0.78V的阴极保护标准，管内阴极保护距离可从0.3m扩展到3 m以上。并且海水在流动下更有利于管内电位的分布。
　　②通过铝牺牲阳极阴极保护和涂装环氧聚酰胺涂层的联合保护技术，可有效地防止海水对碳钢冷却器的腐蚀，这项技术可作为海水冷却器腐蚀防护的有效技术。
　　③在目前工作的基础上，尚需进行涂层厚度对热交换影响的实验，在冷却效率和保护效果间找寻平衡点，满足工业实际应用。另外海生物对冷却管的污损问题及防治技术须进行研究。

参考文献：
［1］化学工业部机械研究院.腐蚀与防护手册—耐蚀金属材料及防蚀技术[M].北京：化学工业出版社，1993。
［2］星野九平.Calculation on internal cathodic protection of steel pipes[J].防蚀技术，1961，10(5)：1-4。
［3］李淑英，朱辉.淡水介质中筒状设备内壁阴极保护电位分布研究[J].腐蚀科学与防护技术，2000，12(2)：114-116。
［4］叶明库，林华水，田昭武.数值模拟管道内阴极保护的效率分布[J].材料保护，1982，15(4)：11-15。
［5］徐乃欣，张承典，周风鸣.管道内壁阴极保护时的电位分布[J].中国腐蚀与防护学报，1987，7(2)：249-255。

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作者简介：张志刚(1966-)男，陕西甘泉人，助理研究员，毕业于中国科学院福建物质结构研究所，现在同济大学环境科学与工程学院攻读博士学位，zhgzhang@yeah.net