電脫水（脫鹽）器電極板采用鍍鋅防腐工藝的商榷

張 兵 羅 鋒 周雪靜

1中國(guó)石油海外勘探開發(fā)公司2中國(guó)石油規(guī)劃總院3中國(guó)石油大學(xué)（北京）

電脫水（脫鹽）器電極板采用鍍鋅防腐工藝的商榷

張 兵1羅 鋒2周雪靜3

1中國(guó)石油海外勘探開發(fā)公司2中國(guó)石油規(guī)劃總院3中國(guó)石油大學(xué)（北京）

為了應(yīng)對(duì)高礦化度原油脫水過程的腐蝕，提出擬對(duì)電脫水（脫鹽）器的電極板、管件等碳鋼材質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)件采用鍍鋅防腐工藝。相關(guān)研究顯示，在高溫狀態(tài)下鋅的電極電位將向正向偏移，鋅陽極的驅(qū)動(dòng)電位隨溫度的升高而降低并發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，成為鋼鐵的陰極。對(duì)于板材外有鍍鋅層的鋼鐵，若鋅鍍層出現(xiàn)破損有可能造成大陰極、小陽極的狀況，從而加速鋼鐵基體的腐蝕。在高溫環(huán)境下，用通過電位正向偏移后的鋅鍍層對(duì)鋼鐵基體實(shí)施覆蓋隔離保護(hù)的方法，缺乏相關(guān)的理論依據(jù)和確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。故在理論和實(shí)踐沒有證實(shí)的情況下，從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、易維護(hù)性、使用壽命等因素綜合考慮，不建議采用鍍鋅防腐的方法。

電脫設(shè)備；電極板；鍍鋅防腐；電極電位；腐蝕

近期在一個(gè)海外項(xiàng)目的電脫水（脫鹽）器制造中，項(xiàng)目公司反映設(shè)計(jì)中電脫設(shè)備電極板及固定電極的管件采用碳鋼鍍鋅工藝。該公司設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，電脫設(shè)備操作運(yùn)行溫度較高（設(shè)計(jì)溫度110℃），鋅在高溫條件下其電極電位將上升并發(fā)生逆轉(zhuǎn)，比鋼鐵的電極電位正，由于鋼材外的鍍鋅層的耐蝕性優(yōu)于鋼鐵，可對(duì)包覆在內(nèi)的鋼鐵基體起到保護(hù)作用。但筆者認(rèn)為該觀點(diǎn)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐應(yīng)用的支持，因此在下文的研究討論中，建議取消鍍鋅方式。

1 缺乏鋅電極電位比鋼鐵正的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)部分資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中提示，在50～60oC以上不能用鋅作為犧牲陽極材料?！队蜌馓幚砣萜鲀?nèi)壁犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范（SY/T 0047—2012）》中規(guī)定“鋅合金陽極不應(yīng)用于溫度高于54℃的介質(zhì)中”，其理由是在高溫狀態(tài)下，鋅的電極電位將向正向偏移，鋅陽極的驅(qū)動(dòng)電位隨溫度的升高而降低，并在溫度高于54℃的情況下可能發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，成為鋼鐵的陰極。

資料查詢顯示，高純鋅在淡水中25℃時(shí)電極電位最負(fù)，為-1 010 mV左右。除此之外，不論溫度上升或下降，電位均正向偏移。

鋅電極浸入介質(zhì)后，其自腐蝕電位一般均往負(fù)向移動(dòng)。當(dāng)介質(zhì)中有氯離子存在時(shí)，氯離子濃度愈高，鋅的穩(wěn)定電極電位愈負(fù)，而且隨氯離子濃度升高，呈現(xiàn)出單調(diào)負(fù)向升高趨勢(shì)。高純鋅電極電位與氯離子濃度關(guān)系見圖1。

鋅的電極電位隨溫度變化，主要是因?yàn)榻橘|(zhì)溫度導(dǎo)致溶氧量的差異使得鋅上的腐蝕產(chǎn)物發(fā)生了變化，高純鋅的腐蝕產(chǎn)物在50℃以下時(shí)，鋅表面形成具有很好黏著力和較好保護(hù)性能的膠狀Zn(OH)2膜，而在50℃時(shí)形成的是顆粒狀、黏和性差、無保護(hù)性的ZnO膜，ZnO有導(dǎo)電性，因而鋅的電位將隨溫度升高變得更正[1]。

圖1 高純鋅電極電位與氯離子濃度關(guān)系

對(duì)于鋼鐵，其電位變化不同于鋅，一般隨著溫度的升高，其自腐蝕電位將變?yōu)楦?fù)。有資料介紹，50oC時(shí)Q235鋼在模擬海水溶液中的自腐蝕電位達(dá)到-742 mV（20oC時(shí)為-716 mV）。碳鋼在靜止海水中和動(dòng)態(tài)海水中的穩(wěn)定電位分別為-690 mV、-670 mV[2]。

碳鋼在海水中的電位是隨著時(shí)間逐漸正移的，波動(dòng)較小，最終穩(wěn)定在-670 mV左右，它與處于同樣溫度和介質(zhì)中的鋅有350 mV左右的電位差。金屬的電極電位因所處介質(zhì)不同而不同，碳鋼在室溫下（25℃）的海水和自來水兩種介質(zhì)中的自腐蝕電位也有近100 mV以上的電位差[3]。

總體來說，隨溫度升高鐵的電位負(fù)向變化較小，而鋅的電位則正向變化較大，所以在高溫水中，考慮鋅的電位正向變化可能比鐵正，陰極保護(hù)的兩極可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)，鋅變成陰極，因此不推薦采用鋅作為犧牲陽極材料。

溫度和介質(zhì)對(duì)鋼鐵、鋅的電極電位都有影響，各自變化幅度如何，對(duì)于在高溫、高氯離子環(huán)境中鋅的電極電位是否就比鋼鐵正，目前尚未查詢到確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 熱鍍鋅層在電脫設(shè)備中的保護(hù)效果

熱鍍鋅是利用鋅液在鋼鐵表面浸潤(rùn)，鋅液與鋼鐵基體間進(jìn)行擴(kuò)散和界面反應(yīng)形成鐵鋅合金層，在鐵鋅合金層表面生成純鋅層。鍍鋅涂層的防腐原理主要是：在鍍層沒有破壞的情況下，可以起到一定的隔離作用；在鍍層破壞的情況下，鍍鋅涂層將作為陽極溶解，利用鋅作為犧牲陽極，從而保護(hù)鋼鐵基體。目前工程中大量使用熱噴鋅、熱滲鋅板材，其防腐作用原理與熱鍍鋅層相似，僅是制作工藝有所差異。相關(guān)資料介紹，在海洋環(huán)境中，鋅鍍層的電化學(xué)保護(hù)性能雖然好于鋁鍍層，但其耐蝕性明顯低于鋁鍍層。一般情況下，鋁鍍層鋼材的腐蝕速率最低，而鋅鍍層鋼材的腐蝕速率最高[4]。

油田用電脫設(shè)備處理的介質(zhì)一般含水、含氯離子較高，介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，在常溫浸沒狀態(tài)下，僅100 μm厚的鋅鍍層對(duì)鋼材基體的保護(hù)作用是非常有限的，而且在長(zhǎng)距離運(yùn)輸及安裝過程中對(duì)鋅鍍層造成的損傷在所難免。

在高溫狀態(tài)下，按上述設(shè)計(jì)提出的“鋅在高溫條件下電極電位比鋼鐵正，對(duì)鋼鐵可起到保護(hù)作用”的理論，對(duì)于板材外有鍍鋅層的鋼鐵，若鋅鍍層出現(xiàn)破損，首先腐蝕的應(yīng)是鍍層破壞處外露的鋼鐵部分，加之鋼鐵基體表面大部分被未破壞的鋅鍍層覆蓋，有可能造成大陰極、小陽極的狀況，從而加速鋼鐵基體的腐蝕。

3 鍍鋅防腐在電脫設(shè)備中的實(shí)例調(diào)研

對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電脫設(shè)備使用情況進(jìn)行調(diào)研可知，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)采用鍍鋅防腐工藝的電脫設(shè)備。大港石化、錦西石化（原葫蘆島煉油五廠）、撫順石化、大港油田、華北油田、大慶油田等企業(yè)的電脫鹽器均為碳鋼材質(zhì)，沒有采用鍍鋅工藝，且設(shè)備內(nèi)沒有采取其他防腐措施，大修打開設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備腐蝕并不嚴(yán)重。只有錦西石化的電脫鹽器在使用5年后檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分電極板和設(shè)備底部腐蝕較為嚴(yán)重，檢修時(shí)對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行了更換，且為原材質(zhì)更換。

國(guó)外僅有伊拉克艾哈代布項(xiàng)目的電脫設(shè)備電極板和固定極板的管件采用了鍍鋅防腐工藝，設(shè)備內(nèi)部設(shè)有鎂犧牲陽極保護(hù)。該設(shè)備目前已運(yùn)行3年多，在使用2年左右時(shí)曾打開檢查一次，極板未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕，但設(shè)備筒體內(nèi)鎂犧牲陽極損耗明顯，因此真正發(fā)揮保護(hù)作用的是比鋅更活潑的鎂。據(jù)廠家介紹，該項(xiàng)目電脫水（脫鹽）器的極板采用鍍鋅工藝是業(yè)主設(shè)計(jì)文件（與文中開篇提到的設(shè)計(jì)為同一設(shè)計(jì)單位）的要求。

4 國(guó)內(nèi)外知名電脫設(shè)備制造商的反饋

通過國(guó)際知名石油設(shè)備供應(yīng)商Frames（荷蘭）、Cameron（Cameron集團(tuán)兼并了NATCO公司）和國(guó)內(nèi)江蘇揚(yáng)中電脫鹽設(shè)備有限公司、惠博普公司反饋回來的信息可知，電脫設(shè)備中電極板及其管件的材質(zhì)選用，主要是根據(jù)處理油品介質(zhì)的物性選用碳鋼、不銹鋼和合金鋼等不同材質(zhì)，僅有惠博普公司根據(jù)業(yè)主要求，曾為伊拉克艾哈代布項(xiàng)目提供的電脫水（脫鹽）器中采用了電極和固定管件鍍鋅工藝。

5 結(jié)論

綜上所述，在高溫環(huán)境下，用通過電位正向偏移后的鋅鍍層對(duì)鋼鐵基體實(shí)施覆蓋隔離保護(hù)的方法，不僅可靠性較低，而且缺乏相關(guān)的理論依據(jù)和確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。同時(shí)由于電脫極板在鍍鋅過程中更難于保證鋅鍍層的致密性，無法起到完全隔離作用，故在理論和實(shí)踐沒有證實(shí)的情況下，從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、易維護(hù)性、使用壽命等因素綜合考慮，不建議在設(shè)計(jì)中采用此方法。

[1]王增娣，閆永貴，馬力，等．高純鋅參比電極電位穩(wěn)定性研究[J]．腐蝕與防護(hù)，2006，27（9）：450-453.

[2]彭欣．海水環(huán)境中帶銹碳鋼腐蝕電化學(xué)行為及相關(guān)參數(shù)的研究[D]．中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

[3]郭敏，彭喬．碳鋼在海水中的腐蝕和防護(hù)[J]．四川化工與腐蝕控制，2000，3（3）：14-17.

[4]朱相榮，王相潤(rùn)．金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999，217.

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.044

張兵：高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，從事海外油氣田地面工程建設(shè)管理和設(shè)計(jì)審查工作。

2015-05-20

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