涂層防護+陰極保護技術在水冷器上的應用

張姮(中海油東方石化有限責任公司，海南 東方 572600)

0 引言

石化設備腐蝕對生產的影響后果日益嚴峻。中海油東方石化有限責任公司自裝置投產以來，146臺循環(huán)水冷卻器已累計發(fā)生10余臺次水冷器腐蝕泄漏問題。出現(xiàn)泄漏的水冷器短的僅運行3個月，稍微長一點運行3年，輕則導致冷換設備切出系統(tǒng)檢修，生產發(fā)生波動，重則導致裝置非計劃停工，嚴重影響了裝置安全穩(wěn)定運行及工藝生產效率，給公司造成巨大的經濟損失。為了降低設備腐蝕損壞故障率，減少設備更換及檢維修費用，確保裝置安全穩(wěn)定運行，2014年起公司決定在推廣使用涂層防護的基礎上，陸續(xù)增加了陰極防護措施，將碳鋼水冷器的服役年限基本延長到6-8年。項目實施前部分水冷器管束的腐蝕情況見圖1。

圖1 新氫壓縮機級間冷卻器腐蝕情況

由圖1可見，新氫壓縮機級間冷卻器腐蝕非常嚴重。這種腐蝕給壓縮機的正常運行帶來了一定的風險。因此，需要采用一定的防護措施—涂層防護+陰極防護以延緩這種腐蝕所帶來的安全隱患。

1 技術原理

下面簡單介紹一下防腐蝕涂料的保護原理以及增加防護壽命的方法。

防腐蝕涂料的保護原理主要包括屏蔽作用、腐蝕保護、陰極保護以及以上三種方法的綜合保護[1]。可以將上述的保護原理簡單的劃分為單一防護和綜合防護兩大類。綜合防護的保護效果要好于單一防護的保護效果。

為了更好的理解防腐蝕涂料的保護原理，我們簡單介紹一下與防護原理最相關的原電池。舉個例子，干電池是日常生活中比較常見的，它的原理很簡單，正極碳棒，負極鋅筒，氯化銨與鋅的電解反應釋放電荷由石墨轉移給正極碳棒形成電流。原電池是通過氧化還原反應產生電流的裝置。原電池既能產生電流造福人類，也能產生不容小覷的腐蝕效果。原電池產生腐蝕后，作為陽極的金屬發(fā)生溶解，造成陽極金屬的消耗，而作為陰極的金屬，則得到了較好的保護。運用這一原理我們可以采用一些方法使我們的冷換器得到很好地保護。

下面介紹一下涂層防護。涂層防護顧名思義，在易腐蝕金屬表面涂抹涂層，使金屬表面與腐蝕介質相互屏蔽。這種方法可以簡單地理解為隔離防護，使腐蝕介質與被保護金屬不接觸以達到防腐目的。陰極保護就是以犧牲陽極為代價，用陽極作為陰極的犧牲品。在水存在的鋅塊和鋼鐵基體之間形成一個以鋅塊為陽極、鋼鐵基體為陰極的原電池，鋅塊逐漸腐蝕消耗而使鋼鐵基體得到較好的保護[2]。

涂層和陰極保護聯(lián)合措施是應對循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕較為有效的方法，其重點在于，涂層與陰極保護是相輔相成的，涂層能夠將底金屬與水隔開，起到防腐蝕作用。但涂層有微孔甚至缺陷的地方，水會慢慢滲入涂層底部，如果沒有陰極保護，就會在缺陷部位形成局部(點)腐蝕，出現(xiàn)“大陰極小陽極”腐蝕加劇的現(xiàn)象，在腐蝕不斷擴散和發(fā)展的過程中，會造成涂層鼓包或剝落，從而進一步加大金屬腐蝕的速度。而在有陰極保護存在的情況下，保護電流會流向缺陷點，可以有效地阻止腐蝕的進一步發(fā)展，減緩涂料失效的速度，從而有效地抑制腐蝕。

因此，涂層的施工好壞決定了防腐蝕的效果。質量越好，缺陷越少，陰極保護系統(tǒng)需要的電流越少，系統(tǒng)壽命越長；反之，如果涂層的施工質量差，老化越快，缺陷愈多，需要的保護電流就越大，陰極保護系統(tǒng)就消耗較快，壽命較短。從另外一方面來看，當有陰極保護系統(tǒng)存在時，陰極保護電流將會彌補涂層的缺陷，延長涂料系統(tǒng)的使用壽命從而保證整個保護體系的保護效果。

2 項目實施情況

(1)2014年5月DCC富氣壓縮機級間冷卻器僅運行3個月就因腐蝕泄漏，新管束采用涂層防護+陰極保護措施后，安全運行至今，且運行狀況良好。見圖2。

圖2 富氣壓縮機級間冷卻器涂層防護+陰極保護措施

(2)2017年4月裝置停工檢修期間，對腐蝕較為嚴重的催化分餾塔頂油氣冷凝冷卻器、壓縮富氣后冷器共14臺水冷器管束采用涂層防護+陰極保護措施，目前已連續(xù)運行三年半未發(fā)生泄漏，使用效果良好。

(3)計劃在2021年裝置大檢修期間，繼續(xù)推廣應用該成果，對循環(huán)水系統(tǒng)所有水冷器運用涂層防護+陰極保護技術，延長水冷器使用壽命。

3 主要技術特點

(1)根據(jù)循環(huán)水水質情況，綜合考慮耐蝕性、防滲性、附著力、殺菌滅藻等因素，選用聚硅氧烷+環(huán)氧+漆酚酞等組成的互穿網絡共聚物為成膜物，并在填料中輔以微米級鋁、鈦微粒以及一定量納米級陶瓷微粒，形成多功能(元)專用冷換設備復合涂料，并通過實驗室實驗驗證其良好的使用性能。

(2)根據(jù)本單位循環(huán)水水質情況篩選合適的犧牲陽極(Mg基合金犧牲陽極)。

(3)選定出適合以海南西部地表水為原水的循環(huán)水系統(tǒng)的涂層+犧牲陽極聯(lián)合保護措施，通過對保護系統(tǒng)進行合理地設計、計算、選型，延長水冷器使用壽命1～4倍，解決水冷器的腐蝕問題。

4 經濟效益分析

4.1 直接經濟效益

東方石化共146臺水冷器，平均每臺水冷器管束重約10噸，以碳鋼材質為例，每臺管束造價約20萬元，采用涂層防護+陰極保護措施若使管束壽命增加一倍(保守估計)：

(1)節(jié)省管束采購費用146×20萬元=2 920萬元

(2)平均每臺水冷器管束內防腐的為費用為5萬元，安裝犧牲陽極的費用為1萬元

總成本為146×(5+1)萬元=876萬元

(3)直接經濟效益為2 920-876=2 044萬元

4.2 間接經濟效益

采用涂層防護+陰極保護措施能夠有效延長水冷器的使用壽命，減少因水冷器泄漏導致的非計劃停工損失及檢維修費用。

綜上經濟效益(直接+間接)，采用涂層防護+陰極保護措施不僅為公司節(jié)約了部分成本，而且達到了對冷換設備延遲腐蝕的目的。

5 持續(xù)改進措施

(1)為方便現(xiàn)場施工以及質量控制，在保證涂層防護性能的前提下，探索涂裝方案由高溫熱固化向常溫固化或光固化轉變。高溫固化是需要一定的加熱設備對涂層處進行加熱固化。該法的缺點首先是需要加熱設備進行高溫固化，而且固化溫度不宜掌控。其次，高溫固化的范圍不能全面照料到，例如，一些邊角部位可能存在溫度不足導致的固化效果不好，后期使用過程中易從這些部位發(fā)生腐蝕。最后，可能存在受熱不均的情況，致使受熱不均處的涂層出現(xiàn)裂痕，這些裂痕導致金屬無法與介質隔離而發(fā)生腐蝕。介于上述高溫固化涂裝方案的缺點，公司積極探索新方案，尋求適合本廠的涂層材料，即能保證與高溫固化相同的防護效果，又能克服高溫固化所帶來的缺點。使高溫固化向常溫固化或光固化轉變。

介于上述原因，公司于2019年4月已在苯乙烯裝置乙苯回收塔冷凝器E-4008管束涂層上使用常溫固化涂料+犧牲陽極聯(lián)合保護措施，效果待驗證。

圖3 E-4008采用常溫固化涂料+犧牲陽極聯(lián)合保護措施

(2)根據(jù)在用冷換設備使用情況，進一步優(yōu)化調整陽極塊的活性金屬元素成分，使之在當前介質電阻率一定的情況下，其發(fā)生電流及消耗速率趨于最理想狀態(tài)。

6 結語

本項目在東方石化的實際應用達到了十分理想的防腐效果，具有性價比高、可操作性強的優(yōu)點，有效延長水冷器的使用壽命。同時該技術在儲罐、長輸管道、地下管網、碼頭等場合具有良好的應用前景與推廣價值。