埋地管道犧牲陽極填包料配比的優(yōu)化研究

劉 露，曹峰肇，柳金豆，邱夢(mèng)露，皮浚佚

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

埋地管道是油氣輸送最經(jīng)濟(jì)、安全、有效的一種輸送方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，埋地管道占已建成管道線路總長(zhǎng)度的98%。管道埋于地下能夠受到覆蓋土層的保護(hù)，不會(huì)影響地面的交通與農(nóng)作物耕種等，有占地面積小，施工簡(jiǎn)單、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是，油氣在埋地管道輸送的過程中往往會(huì)遭受管道埋設(shè)環(huán)境帶來的外腐蝕問題，管道發(fā)生外腐蝕不僅會(huì)造成因穿孔而引起的油、氣泄漏等直接經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)帶來停工停產(chǎn)以及維修等造成的間接經(jīng)濟(jì)損失[2]。尤其是城市埋地燃?xì)饨饘俟艿廊绻l(fā)生外腐蝕穿孔泄漏問題且沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，甚至有可能發(fā)生燃燒爆炸，影響到人身安全問題，造成重大的安全事故，所以有效的外腐蝕防護(hù)防措施對(duì)管道的安全運(yùn)行具有重大意義。

對(duì)于城市埋地燃?xì)饨饘俟艿?，由于其保護(hù)規(guī)模小，市政用地條件等限制，很少使用保護(hù)規(guī)模較大的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法。而犧牲陽極因其無需外接電源、電流干擾較小、管理工作量小、保護(hù)電流均勻且自動(dòng)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為防止城市埋地燃?xì)饨饘俟艿栏g的常用方法。其中，鎂陽極作為國(guó)內(nèi)外使用最多的犧牲陽極材料，具有化學(xué)活性高、電量大、不易形成保護(hù)膜、對(duì)環(huán)境污染小的特點(diǎn)[3]。為了使?fàn)奚枠O充分發(fā)揮對(duì)埋地金屬管道的保護(hù)性，往往會(huì)在陽極材料周圍包裹填包料，來提高電流效率，進(jìn)而改善犧牲陽極對(duì)埋地管道防腐層破壞點(diǎn)處的管道保護(hù)效果，起到了延長(zhǎng)埋地管道的使用壽命、降低管道的維修成本、避免事故發(fā)生等作用。

本研究旨在比較鎂陽極在不同比例填包料的條件下對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果，從而優(yōu)選出鎂犧牲陽極最佳填包料配比，提高鎂陽極的陰極保護(hù)效果，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施鎂陽極保護(hù)20#鋼提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本研究采用50×25×2 mm的20#鋼試片模擬埋地管道防腐層破壞點(diǎn)，用丙酮、無水乙醇，除去試片表面的油污等，再用去離子水沖刷后冷風(fēng)吹干，在FA2004萬分之一電子天平上進(jìn)行稱量，精確到0.1 mg。然后在試片有圓孔的一端連接銅絲導(dǎo)線并用JL-509電子防水密封膠和聚乙烯生料帶進(jìn)行封裝，留出工作面積為22.89 cm2，然后再次用去離子水、酒精進(jìn)行清洗，鼓風(fēng)機(jī)吹干后備用。

犧牲陽極采用Φ 15×30 mm的棒狀A(yù)Z31B鎂合金，其在土壤中的開路電位為-1.57～-1.67 V，閉路電位為-1.47～-1.57 V，理論電容量≥1210 Ah/kg，電流效率大于等于55%[4]。實(shí)驗(yàn)前將陽極棒的一端焊接銅絲導(dǎo)線并進(jìn)行相同的封裝處理，只留出8.84 cm2的工作面積。該面積用砂紙打磨至600號(hào)，然后用去離子水、無水乙醇進(jìn)行清洗，再用鼓風(fēng)機(jī)吹干備用。

填包料基本組分為石膏粉、膨潤(rùn)土、硫酸鈉、硫酸鎂。其中，石膏即硫酸鈣，作用是阻止?fàn)奚枠O材料表面形成高電阻的腐蝕產(chǎn)物沉積層，以使陽極材料均勻地溶解消耗。吸水性的膨潤(rùn)土與硅藻土通過特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能維持陽極周圍土壤的潮濕、均衡土壤濕度的波動(dòng)。膨潤(rùn)土能形成半透膜，調(diào)節(jié)填包料的滲濾性，因此也可以降低陽極周圍土壤的電阻率。硫酸鈉的作用也能降低陽極周圍土壤的電阻率，提高陽極的電流效率。

填包料用天然纖維材料進(jìn)行袋裝，將鎂犧牲陽極塞入填包料正中，每袋填包料的使用量為45 g。本研究按照質(zhì)量百分比設(shè)計(jì)了5組填包料配比實(shí)驗(yàn)，見表1。

表1 填包料組成

實(shí)驗(yàn)土壤取自重慶市某燃?xì)夤韭竦毓艿缆裨O(shè)深度處的土壤，將其裝入52×31×37 mm規(guī)格的聚丙烯試驗(yàn)箱內(nèi)模擬埋地管道土壤環(huán)境。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將包裹了填包料的犧牲陽極與腐蝕試片用銅絲導(dǎo)線進(jìn)行連接后，放入300 mm深的實(shí)驗(yàn)土壤中，同時(shí)，在同等深度處埋設(shè)硫酸銅參比電極，然后用去離子水對(duì)土壤進(jìn)行噴灑，使其濕度達(dá)到20%。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。實(shí)驗(yàn)周期為240 h，用聚乙烯膜覆蓋在實(shí)驗(yàn)箱上，同時(shí)在膜上扎大量小孔使土壤通氣，保持土壤的濕度。每隔48 h進(jìn)行電位測(cè)量，分別測(cè)量犧牲陽極的開路電位、腐蝕試片的自腐蝕電位、腐蝕試片的保護(hù)電位。

240 h后取出犧牲陽極與腐蝕試片，用刷子刷去表面的泥土和腐蝕產(chǎn)物，用去離子水、3%的檸檬酸溶液[6]清除難溶腐蝕產(chǎn)物。再用去離子水沖洗后進(jìn)行烘干，然后在電子天平上進(jìn)行稱重，精確到0.1 mg。最后用ZOOM645顯微鏡觀察腐蝕形貌特征。鎂陽極烘干后取出，用腐蝕坑深度測(cè)量?jī)x進(jìn)行腐蝕坑的測(cè)量，確定最大腐蝕深度。

為了評(píng)價(jià)不同填包料條件下鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果，需進(jìn)行一組無犧牲陽極的空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其他操作流程如上所述。

2 結(jié)果與討論

2.1 電位分析

本研究用CATⅢ600伏萬用表測(cè)量電位，所測(cè)得的犧牲陽極的開路電位、腐蝕試片的自腐蝕電位、腐蝕試片的保護(hù)電位如表2所示。

表2 不同填包料配比條件下的犧牲陽極開路點(diǎn)位、腐蝕試片的自腐蝕電位與保護(hù)電位

從表2可以用看出，在不同比例填包料的條件下的腐蝕試片的自腐蝕電位范圍在-0.338～-0.311 V，其數(shù)值均小于NO.1的腐蝕試片的自腐蝕電位；根據(jù)GB/T21448-2017《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中碳鋼在一般土壤環(huán)境中的最小保護(hù)電位，本研究的陰極保護(hù)電位在-1.238～ -0.969 V，均小于-0.850 V，說明不同填包料配比下的鎂陽極都對(duì)20#鋼試片起到了陰極保護(hù)作用。其中NO.3的各電位數(shù)值均為最大，說明該組填包料配比的條件下的鎂陽極放電量較大。

2.2 20#鋼試片的失重腐蝕速度分析

失重法的腐蝕速度用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：V為失重腐蝕速率，g/(m2·h)；m0、m1分別為腐蝕前后試片的質(zhì)量，g；S為試片的工作面積，m2；t為腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h。

再根據(jù)公式(2)計(jì)算鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效率：

(2)

通過以上公式進(jìn)行計(jì)算20#鋼試片在不同填包料配比條件下的平均保護(hù)效果，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同填包料配比條件下20#鋼的平均保護(hù)效果

從表3可以看出，NO.6的20#鋼試片的腐蝕失重速率最小，鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果最好，NO.3則與之相反；在NO.6的鎂陽極的腐蝕速率最小，而NO.2最大?？梢哉J(rèn)為，鎂陽極在NO.6的填包料中對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果最好，其填包料配比為最佳。

2.3 20#鋼試片腐蝕形貌分析

圖1為本研究20#鋼試片在不同填包料配比的條件下的腐蝕后的表面形貌特征。圖片順序與實(shí)驗(yàn)NO.1～NO.6依次對(duì)應(yīng)。從圖中可以對(duì)比看出，六組20#鋼試片表面發(fā)生了不同程度的局部腐蝕如點(diǎn)蝕坑，NO.1空白對(duì)照組中20#鋼試片的腐蝕情況最嚴(yán)重，同時(shí)也發(fā)生了大面積的局部腐蝕，腐蝕坑數(shù)量多切分布較散，取出該試片時(shí)表面的腐蝕產(chǎn)物不易脫落；NO.2標(biāo)準(zhǔn)參照組的腐蝕面積相較NO.1大大減小，但其表面腐蝕坑仍然明顯且分布較散，而NO.6的20#鋼試片表面腐蝕情況較其他組有很大的改善，腐蝕坑小，取出該試片時(shí)的表面的腐蝕產(chǎn)物容易脫落。

圖1 不同填包料配比條件下的20#鋼試片的宏觀腐蝕形貌

2.4 討 論

綜合對(duì)比試驗(yàn)過程的電位記錄結(jié)果、20#鋼腐蝕試片的腐蝕速率和腐蝕形貌以及對(duì)應(yīng)鎂陽極的腐蝕情況，可以發(fā)現(xiàn)NO.3犧牲陽極的自腐蝕電位以及保護(hù)電位最負(fù)、放電量較大，但該組20#鋼腐蝕試片的腐蝕失重速率也最大，表面腐蝕程度比NO.2標(biāo)準(zhǔn)參照組更嚴(yán)重，鎂陽極對(duì)20#鋼腐蝕試片的保護(hù)效率最低、保護(hù)效果最差，表明僅僅根據(jù)犧牲陽極保護(hù)電位還不能判斷對(duì)埋地金屬管道會(huì)產(chǎn)生足夠的保護(hù)。同時(shí)鎂陽極腐蝕分布極不均勻，且鎂陽極表面上的腐蝕坑深度最大，而且放電量較大，也使得陽極消耗較快，說明該組填包料的配比并不理想。NO.6的犧牲陽極的自腐蝕電位的絕對(duì)值均偏小，且該組腐蝕試片的保護(hù)電位小于-0.850 V，滿足GB/T21448-2017《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的碳鋼在一般土壤環(huán)境中的最小保護(hù)電位的要求，并且20#鋼試片的腐蝕失重速率最低。這說明在該組填包料配比下條件下，鎂陽極對(duì)20#鋼腐蝕試片達(dá)到了陰極保護(hù)要求，鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效率最高、保護(hù)效果最好。通過腐蝕形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在該組填包料配比條件下，20#鋼試片表面腐蝕程度最為輕微、腐蝕坑直徑極小，犧牲陽極的腐蝕分布較均勻，其腐蝕坑最大深度較小，犧牲陽極的消耗率也較慢，可延長(zhǎng)犧牲陽極的使用壽命。

通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)組的20#鋼腐蝕試片失重腐蝕速度和表面腐蝕形貌以及犧牲陽極的腐蝕情況對(duì)比可以看出，石膏粉15%、膨潤(rùn)土50%、硫酸鈉15%、硫酸鎂20%的填包料配比的保護(hù)效果最好，可作為本研究鎂犧牲陽極填包料的最佳配比。其主要原因是：(1)包裹鎂陽極的填包料使其與土壤隔開，維持了鎂陽極在土壤中的反應(yīng)活性與環(huán)境穩(wěn)定性，從而提高鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果。(2)NO.5和NO.6的填包料成分中硫酸鈉、硫酸鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比NO.2標(biāo)準(zhǔn)參照組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了30%，從而大大降低鎂陽極周圍土壤的電阻率。(3)該五組實(shí)驗(yàn)填包料配比實(shí)驗(yàn)中，NO.6的膨潤(rùn)土的質(zhì)量百分比最多，則該組填包料對(duì)水分的吸收和均衡作用最好，相對(duì)于NO.2～NO.5的犧牲陽極周圍土壤電阻率更小。(4)填包料成分對(duì)電阻率的降低可以提高鎂陽極的輸出電流，增強(qiáng)了鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果。

3 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用腐蝕失重法分析土壤中鎂陽極在不同比例填包料的條件下對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果，得到的結(jié)論如下：

(1)通過對(duì)比NO.1空白對(duì)照組與五組填包料配比實(shí)驗(yàn)組的中20#鋼腐蝕試片腐蝕速率、腐蝕形貌，發(fā)現(xiàn)加上填包料后，20#鋼腐蝕試片的腐蝕失重速率大大降低，說明在填包料作用下，鎂陽極對(duì)20#鋼腐蝕試片都具有一定的保護(hù)效果；

(2)在土壤中，鎂陽極對(duì)20#鋼有較好的保護(hù)作用，五組填包料配比實(shí)驗(yàn)中的鎂陽極對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效率均大于85.0%，其中有四組的保護(hù)效率超過了92.0%；

(3)通過比較鎂陽極在不同填包料對(duì)20#鋼試片的保護(hù)效果，發(fā)現(xiàn)NO.6的保護(hù)效率最高，可達(dá)98.7%，即NO.6石膏粉15%、膨潤(rùn)土50%、硫酸鈉15%、硫酸鎂20%為最佳填包料配比。