電廠海水直流冷卻水管陰極防腐設(shè)計(jì)與施工

趙 越，劉 軍，劉自力

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410007）

前言

鋼企煤氣電廠采用海水直流冷卻水系統(tǒng)可以節(jié)約淡水資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。以海水作為凝汽器等輔機(jī)冷卻水源的電廠，大口徑埋地冷卻水管道管材大多為普通碳鋼。由于海水或鹽堿地的腐蝕，埋地焊接管道往往使用幾年就會(huì)腐蝕穿孔，嚴(yán)重危及電廠的運(yùn)行安全。為防止冷卻水管出現(xiàn)腐蝕，目前多采用“陰極保護(hù)+涂層保護(hù)”。

1 “陰極保護(hù)+涂層保護(hù)”簡(jiǎn)介

陰極保護(hù)就是對(duì)被保護(hù)的金屬材質(zhì)施加一定的陰極電流，使被保護(hù)金屬的電極電位負(fù)于某一電位值，使其上的陽極反應(yīng)電流得到抑制[1]。防腐涂料的主要作用是防止化學(xué)介質(zhì)和水分子等介質(zhì)接觸冷卻水管而與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，起到阻止腐蝕的發(fā)生。涂層在涂覆過程中不可避免地存在著毛細(xì)孔或裸處，而且在安裝和使用過程中也會(huì)破損，腐蝕易集中發(fā)生在這些部位，采用陰極保護(hù)，彌補(bǔ)了涂料的不足，“陰極保護(hù)+涂層保護(hù)”是最經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也是保護(hù)效果最好的方法[2]。

2 “陰極保護(hù)+涂層保護(hù)”設(shè)計(jì)條件分析

2.1 陰極保護(hù)形式

根據(jù)提供陰極保護(hù)電流方式的不同，陰極保護(hù)分兩種形式：一種是犧牲陽極法，另一種是外加電流法[3]?？紤]到冷卻水管采用室外埋地敷設(shè)，不方便接入電源，故采用犧牲陽極保護(hù)形式。

2.2 涂層保護(hù)

供水壓力鋼管內(nèi)外均采用特加強(qiáng)級(jí)防腐，內(nèi)壁涂裝高固體份環(huán)氧重防腐涂料四道，每道200 μm，外壁采用環(huán)氧煤瀝青防腐涂料特加強(qiáng)型（5油4布）。

2.3 犧牲陽極保護(hù)的目標(biāo)

依據(jù)《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》（GB/T16166-2013）的要求，埋地鋼制冷卻水管的保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到-0.85 V～-1.05 V（相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極）。

冷卻水管外壁陰極防腐保護(hù)壽命按30年考慮，內(nèi)壁陰極防腐保護(hù)壽命按10年考慮。

2.4 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

直流冷卻水管施工場(chǎng)地原為濱海地貌，先經(jīng)過吹填土回填，后經(jīng)過多次素填土，場(chǎng)地已平整。地面以下4 m 的素填土視電阻率值實(shí)測(cè)值為3～315 Ω·m。海水鹽度為28.13%～30.39‰。

海水直流供水方式采用母管制，直流供水管一期采用一根D2740×18 供水母管，二期采用一根D2240×16 供水母管，在海水循環(huán)水泵房外通過DN1600閥門及管道聯(lián)絡(luò)，一、二期直流供水管同步敷設(shè)，凈距為1 m，埋深約為地面以下4 m。

3 冷卻水管外壁犧牲陽極設(shè)計(jì)方案

3.1 保護(hù)電流密度

根據(jù)被保護(hù)鋼管的表面狀況（有無覆蓋層及類型、或覆蓋層質(zhì)量）、環(huán)境條件（如溫度、土壤電阻率、pH、含鹽量、微生物的活動(dòng)）等有關(guān)因素，充分估計(jì)涂層在長期使用過程中的破損程度，參照GB/T16166-2013，并結(jié)合多年來的工程經(jīng)驗(yàn)，選取保護(hù)電流密度為i=2 mA/m2。

3.2 犧牲陽極材料

根據(jù)GB/T16166-2013 關(guān)于陽極材料選擇的規(guī)定（見表1），土壤電阻率小于10 Ω·m，采用鋅合金犧牲陽極，大于等于10 Ω·m，采用鎂合金犧牲陽極。本項(xiàng)目直流供水管部分管段土壤電阻率小于10 Ω·m，故直流供水管外壁犧牲陽極材料統(tǒng)一選用ZP-5型鋅合金犧牲陽極。

表1 鋅合金陽極材料技術(shù)參數(shù)

（1）鋅合金犧牲陽極的化學(xué)成分（見表2）

表2 鋅合金犧牲陽極的化學(xué)成分

（2）鋅合金犧牲陽極的電化學(xué)性能（見表3）

表3 鋅合金犧牲陽極的電化學(xué)性能

（3）包裝

管道外壁用犧牲陽極，為了降低犧牲陽極的接地電阻，防止陽極表面鈍化，保持陽極的活性，埋入地下的犧牲陽極周圍要添加50～100 mm 厚的填包料，要保證填包料厚度一致、密實(shí)。包裝材料采用天然纖維（如棉布袋）織品。陽極埋地后應(yīng)充分灌水，并達(dá)到飽和。

3.3 陽極布置

鋅合金陽極沿管外長度方向均勻布置。D2740鋼管外壁陽極兩支為一組，每組陽極間距5 m；D2240 鋼管外壁陽極兩支為一組，每組陽極間距6.1 m。D1620 鋼管外壁陽極單支分布，每組陽極間距4.58 m。外壁犧牲陽極用量表參見表4。

表4 室外循環(huán)水管外壁犧牲陽極用量表

循環(huán)水管外壁犧牲陽極安裝見圖1。

圖1 循環(huán)水管外壁犧牲陽極安裝圖

3.4 測(cè)試樁設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)犧牲陽極對(duì)循環(huán)水鋼管外壁的保護(hù)效果，需要安裝測(cè)試樁與長效Cu/飽和CuSO4參比電極，以測(cè)量循環(huán)水鋼管外壁的保護(hù)電位數(shù)據(jù)。參比電極選用埋地型長壽命Cu/CuSO4參比電極。在有代表性的位置共安裝6 支HFCC-1 型長效飽和Cu/飽和CuSO4參比電極，以便測(cè)量接地網(wǎng)的保護(hù)電位，接地網(wǎng)的保護(hù)電位至少為-0.85 V（相對(duì)于Cu/飽和CuSO4參比電極）。

循環(huán)水管外壁測(cè)試樁安裝見圖2。

圖2 循環(huán)水管外壁測(cè)試樁安裝圖

4 冷卻水管內(nèi)壁犧牲陽極設(shè)計(jì)

4.1 保護(hù)電流密度

循環(huán)冷卻水管內(nèi)介質(zhì)為海水，海水電阻率取30.5 Ω·cm，參照GB/T16166-2013，選取的保護(hù)電流密度i=25 mA/m2。

4.2 犧牲陽極材料

犧牲陽極選用高效鋁犧牲陽極，成分為Al-Zn-In-Mg-Ti，其實(shí)際電容量Q≥2 550 A·h/kg，陽極利用率η≥0.85，陽極消耗率≤3.44 kg/A·a。

管道設(shè)計(jì)選用A21E-55 型平貼式高效鋁犧牲陽極。參數(shù)見表5。

表5 鋁合金陽極材料技術(shù)參數(shù)

（1）鋁合金犧牲陽極的化學(xué)成分（見表6）

表6 鋁合金犧牲陽極的化學(xué)成分

（2）鋁合金犧牲陽極的電化學(xué)性能（見表7）

表7 鋁合金犧牲陽極的電化學(xué)性能

4.3 陽極布置

鋁合金陽極沿管內(nèi)長度方向左右交叉均勻布置。D2740×18管道陽極間距為4.6 m（陽極沿管道方向交錯(cuò)布置，同側(cè)陽極間距9.2 m）；D2240×16 鋼管內(nèi)壁陽極6間距原則5.6 m（陽極沿管道方向交錯(cuò)布置，同側(cè)陽極間距11.2 m）；D1620×14 鋼管內(nèi)壁陽極間距原則6.88 m。若陽極位置與其它結(jié)構(gòu)有矛盾時(shí)，可以上下左右移動(dòng)。內(nèi)壁陽極用量參見表8。

表8 室外循環(huán)水管內(nèi)壁犧牲陽極用量表

循環(huán)水管內(nèi)壁犧牲陽極安裝見圖3。

圖3 循環(huán)水管內(nèi)壁犧牲陽極安裝圖

4.4 測(cè)試樁設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)犧牲陽極對(duì)循環(huán)水鋼管外壁的保護(hù)效果，需要安裝測(cè)試樁與長效Cu/飽和CuSO4參比電極，以測(cè)量循環(huán)水鋼管外壁的保護(hù)電位數(shù)據(jù)。參比電極選用埋地型長壽命Cu/CuSO4參比電極。在有代表性的位置共設(shè)計(jì)安裝4 支HFCC-1 型長效飽和Cu/飽和CuSO4參比電極，以便測(cè)量接地網(wǎng)的保護(hù)電位，接地網(wǎng)的保護(hù)電位至少為-0.85 V（相對(duì)于Cu/飽和CuSO4參比電極）。

循環(huán)水管內(nèi)壁測(cè)試樁安裝見圖4。

圖4 循環(huán)水管內(nèi)壁測(cè)試樁安裝圖

5 冷卻水管犧牲陽極施工

5.1 管道外壁犧牲陽極安裝說明

1)陽極沿管線長度方向均勻分布，若陽極位置與其它結(jié)構(gòu)有矛盾時(shí)，可以上下左右移動(dòng)。

2)陽極的敷設(shè)應(yīng)選擇在土層較厚、潮濕、電阻率低的地方。若土壤干燥，需要在回填前在陽極附近澆水使其保持潮濕，常規(guī)一套陽極一桶水即可。陽極埋設(shè)位置：與管道垂直距離1 m 為宜，最近不小于0.2 m，深度原則在凍土層以下。

3)布置犧牲陽極時(shí)，注意陽極與管道之間不應(yīng)有金屬構(gòu)筑物。

4)管道表面打磨出約3 cm×3 cm 大小的方形區(qū)域，用于焊接電纜。電纜與管道焊接后，應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)傷作業(yè)。補(bǔ)傷前，補(bǔ)傷表面應(yīng)先打毛，再外包覆補(bǔ)傷片或熱收縮帶防腐，或刷防腐用漆(防腐涂料)。陽極帶鐵板，可采用電焊或銅焊焊接電纜。

5)參比電極用作陰極保護(hù)電位的測(cè)量，埋設(shè)盡量靠近管道，埋設(shè)前將參比電極同填包料一起浸水超過10 h，埋設(shè)后再用水將其周圍土壤濕潤。

5.2 管道內(nèi)壁犧牲陽極安裝說明

1)陽極沿管內(nèi)長度方向均勻分布，若陽極位置與其它結(jié)構(gòu)有矛盾時(shí)，可以上下左右移動(dòng)。

2)安裝前，陽極背面涂三道環(huán)氧煤瀝青涂料。

3)安裝時(shí)，陽極背面緊貼管壁，用電焊將陽極兩端鐵腳焊牢在管壁上，沿鐵芯兩邊對(duì)焊，焊縫長度≥10 cm。

4)安裝后，被焊接燒損的油漆要用刮刀或鋼絲刷清理干凈，重新補(bǔ)涂油漆，油漆種類與原方案相同。

5)陽極表面嚴(yán)禁涂漆或沾染油污。

5.3 測(cè)試樁/參比電極安裝

1)測(cè)試樁與管道用電纜連接，電纜一端焊接于管道，另一端連接測(cè)試樁端子。(此處焊點(diǎn)可與陽極焊點(diǎn)近點(diǎn)，0.1～0.2 m左右)

2)測(cè)試樁底部可在圓孔處加裝一根鐵棒或鐵管，便于固定測(cè)試樁。

3)測(cè)試樁宜設(shè)置在被保護(hù)管道中心線的上方，外露0.8～1 m 左右。參比電極與測(cè)試樁同地埋設(shè)，距離管道0.2 m 左右，距離犧牲陽極0.2～1 m。(可適當(dāng)將參比電極與陽極埋設(shè)近一點(diǎn))

4)測(cè)試樁端子：一個(gè)端子接連接管道的電纜，另外一個(gè)端子連接埋地長效參比電極電纜；電纜頭可加線鼻子連接。連接方式做到全線統(tǒng)一。

6 結(jié)語

“陰極保護(hù)+涂層保護(hù)”是海水直流冷卻水管防腐性價(jià)比最高的技術(shù)，以上所述關(guān)于犧牲陽極材料的選擇、陽極的布置和安裝工藝可供同類工程參考和借鑒。