張志剛¹，辜志俊²，李光明¹，郭琦龍²
(1.同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.中國科學院 福建物質結構研究所二部，福建 廈門 361012)

　　摘　要：隨著淡水資源的減少和污染，海水作為碳鋼冷卻器冷卻用水將發揮很大的作用。對冷卻管單獨采用陰極保護或涂裝涂層不能達到理想的保護效果，在分析了管內涂層質量是冷卻管管內電位分布的主要影響因素基礎上，對海水冷卻管采用鋁犧牲陽極陰極保護和涂裝高質量環氧聚酰胺涂層的聯合保護措施。經過近一年的實驗運行，兩種內徑的冷卻管均能達到-0.78V的陰極保護標準，可有效防止海水對冷卻管的腐蝕。
　　關鍵詞：海水；冷卻水；碳鋼冷卻器；陰極保護
　　中圖分類號：TU991.38　　文獻標識碼：A　　文章編號：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
　　
　　隨著淡水資源的日益減少和污染，沿海地區工廠將面臨缺水，而沿海地區又具有豐富的海水資源，有利用海水資源的有利條件。海水具有溫度較低、便宜且可大規模利用等優點。碳鋼冷卻器是最常用的工業冷卻器，但目前碳鋼冷卻器多用于淡水，改用海水為冷卻水時冷卻管極易因腐蝕而穿孔。
　　解決碳鋼冷卻管因海水腐蝕穿孔的問題，通常的方法是對碳鋼冷卻管施加陰極保護。因受到管徑太小的限制，陰極保護的有效距離僅在距管口較短范圍內，管內大部分管壁仍受到海水的腐蝕。若只對冷卻管涂裝涂層，因在涂裝和使用過程中不可避免地存在缺陷，當海水腐蝕介質通過缺陷到達金屬界面時，腐蝕將在缺陷處發生，使冷卻管因孔蝕而穿孔。
　　本工作從理論上分析了冷卻管內電位分布的主要影響因素，在技術上提高管內壁的表面阻抗，使用犧牲陽極陰極保護和冷卻管涂裝高質量涂層的聯合保護措施，以實現冷卻管內各點均能達到陰極保護的目的。

１管道內壁電位分布的理論分析

　　當陰極保護技術用于金屬管道防腐蝕時，由于管道內空間狹窄，電力線分布受到限制，致使內壁電流密度和電位的分布不均勻。因而有效保護距離非常有限。據資料報導^[1]，對于16，22和25mm直徑的未涂裝冷卻管，陰極保護電流達到的距離僅為31，35和38cm，在管內深處無法得到陰極保護。
　　當采用冷卻管內涂裝涂層來保護冷卻管時，涂層能阻擋腐蝕介質到達金屬界面。但當水、腐蝕介質離子滲透到金屬界面時會導致涂層附著力的下降和膜下腐蝕的發生，并且在涂裝和使用過程中不可避免地存在缺陷和破損，即使是高質量的涂層也會隨著冷卻管的運行，水等腐蝕介質通過涂層缺陷處而使冷卻管腐蝕穿孔。表1表示涂層質量與涂層損傷程度的關系。

表1 涂層質量與涂層損傷程度的大致關系(以涂層電阻為依據)

涂層損傷程度

涂層電阻/（Ω·cm²）

涂層評價

無損傷

1×10⁸

優

小點損傷

1×10⁸～2.5×10⁷

良

少數損傷

2.5×10⁷～5×10⁶

可用

相當大面積損傷

5×10⁶～5×10⁵

不可用

嚴重損傷

5×10⁵～5×10⁴

不良

無涂層

5×10⁴

　　對冷卻管單獨采用陰極保護或涂裝涂層，因各自缺陷常不能達到理想的防腐保護效果。因此有些科學工作者^[2-5]研究了涂裝管道內壁電位分布的定量關系，推導出電位分布的方程式。依據此方程，管內離管口x距離點在陰極保護后電位從腐蝕電位負移的數值(電位位移值)。

　　式中：d——管內徑，mm；
　　　　　L——管段總長，cm；
　　　　　x——離陽極端的距離，cm；
　　　　　E——在x點的電位位移值，其值是腐蝕電位與流過陰極極化電流時電極電位之差，V；
　　　　　ρ——管內溶液電阻率，Ω·cm；
　　　　　W₀——單位面積管內壁涂層電阻和法拉第阻抗，Ω·cm²；
　　　　　E₀——管口電位位移值，V。
　　從上式可知，影響冷卻管管內電位位移值的主要因素為管內徑、管長、管內溶液電阻率、管口電位位移值和管內壁涂層阻抗值。
　　對于海水冷卻器，管內徑、管長和管內溶液電阻率一般變化不大，對管內電位分布影響不顯著。管口電位位移值增大后，管內各點電位位移值雖有所增加，但管口電位太負也會造成過保護或損壞涂層。而涂層阻抗對電位分布的影響示于圖1。

　　從圖1可知W₀越大，管內電位分布越均勻，冷卻管越易達到陰極保護。要提高陰極保護的效果，主要是提高W₀的值，即提高涂層的質量。因此管內壁表面的阻抗值是影響管內電位分布的最主要因素。根據上述分析，對海水冷卻管，本工作采用鋁犧牲陽極陰極保護和涂裝高質量的環氧聚酰胺涂層的聯合保護技術。

2 實驗裝置

　　模擬冷卻器示于圖2中，實驗時，海水流速為2m/s，冷卻管為A3碳鋼管，內徑選用目前冷卻器最常用的管徑，分別為16 mm和19mm。海水從儲水槽(A)由耐蝕泵(B)驅動，經冷卻管的水室(C，800 L)、冷卻管(D)，通過流量計(F)返回儲水槽。

3 結果與討論

3.1 管內電位分布隨距離的關系
　　運行一年后，測量海水碳鋼冷卻管用鋁犧牲陽極陰極保護和涂裝環氧聚酰胺涂層時管內電位分布情況。
　　涂裝冷卻管連上鋁犧牲陽極1 d后，兩種管徑的管內電位能達到-1000～-1100mV。后隨著時間保護電位變化不大，圖3是冷卻管聯合保護一年后保護電位位移值隨距離的變化。從圖可知隨著距離的延長，管內電位位移值有所下降，且管徑越大的其內壁電位分布越均勻，即使小口徑16mm的冷卻管300cm處其保護電位也達到-920mV(電位位移值為0.36V)也能得到有效保護。經過一年的實驗運行，兩種內徑的冷卻管均能達到-0.78V的陰極保護標準。因此采用鋁犧牲陽極和冷卻管涂裝涂料的聯合保護措施可以有效地保護海水碳鋼冷卻管。

3.2 海水在靜止和流動下對電位分布影響的比較
　　在海水靜止和流動(2m/s)情況下，分別測量冷卻管內的電位位移值。涂裝碳鋼冷卻管內的電位分布情況列于圖4、圖5中。

　　從圖4、圖5可知，海水在流動狀態下更有利于管內壁的電位分布，其管內電位位移值較靜止狀態下變化要小，電位分布愈均勻。管內徑對其電位分布影響不大。

4 結論及問題

　　①在使用鋁犧牲陽極對涂裝碳鋼海水冷卻器施加陰極保護時，經過近一年的實驗運行可使兩種常用管徑3m長的涂裝碳鋼冷卻管內表面各點的電位達到-0.78V的陰極保護標準，管內陰極保護距離可從0.3m擴展到3 m以上。并且海水在流動下更有利于管內電位的分布。
　　②通過鋁犧牲陽極陰極保護和涂裝環氧聚酰胺涂層的聯合保護技術，可有效地防止海水對碳鋼冷卻器的腐蝕，這項技術可作為海水冷卻器腐蝕防護的有效技術。
　　③在目前工作的基礎上，尚需進行涂層厚度對熱交換影響的實驗，在冷卻效率和保護效果間找尋平衡點，滿足工業實際應用。另外海生物對冷卻管的污損問題及防治技術須進行研究。

參考文獻：
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［2］星野九平.Calculation on internal cathodic protection of steel pipes[J].防蝕技術，1961，10(5)：1-4。
［3］李淑英，朱輝.淡水介質中筒狀設備內壁陰極保護電位分布研究[J].腐蝕科學與防護技術，2000，12(2)：114-116。
［4］葉明庫，林華水，田昭武.數值模擬管道內陰極保護的效率分布[J].材料保護，1982，15(4)：11-15。
［5］徐乃欣，張承典，周風鳴.管道內壁陰極保護時的電位分布[J].中國腐蝕與防護學報，1987，7(2)：249-255。

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作者簡介：張志剛(1966-)男，陜西甘泉人，助理研究員，畢業于中國科學院福建物質結構研究所，現在同濟大學環境科學與工程學院攻讀博士學位，zhgzhang@yeah.net