渗沥液低温蒸发设备的阴极保护技术初探＊

常燕青 辛然 常中龙 吴海锁 辛雁清

（1.维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213125；2.常州金源机械设备有限公司，江苏常州 213126；3.江苏省固体废弃物处理环保装备工程技术研究中心，江苏常州 213126；4.北京起重运输机械设计研究院，北京 100007；5.江苏环保产业技术研究院股份公司，江苏南京 210036；6.山西省汾河二库管理局，山西太原 030012）

0.引言

环保设备长期处于酸碱液等恶劣的工作环境中，腐蚀问题十分突出。目前，我国环保行业的设备腐蚀保护技术方法已经沿用了几十年，主要包括两个方面，一是表面涂以防腐涂层，二是钢板预留一定的厚度作为被腐蚀层，保证结构厚度。目前基本没有使用更先进的腐蚀保护新技术的成功案例。为了延长环保设备的使用寿命，保证设备的运行安全，环保行业急需在设备的腐蚀保护新技术应用方面有所突破。

阴极保护技术是一种新兴的金属腐蚀保护方法。美国是世界上研究材料腐蚀最早的国家，最早将现代的阴极保护技术广泛应用于实践。国内的阴极保护技术在大距离输送管道工程防腐蚀实践上取得了良好的效果，由于在环保行业中没有相应的阴极保护方面的技术规范，本次试验参考了美国陆军工程师团工程手册《水闸与运行设施》的相关内容和国内石油化工等相关行业的技术规范，在前期理论研究的基础上，选择对填埋场垃圾渗滤液反渗透（RO）浓缩液低温蒸发塔采用阴极保护防腐试验，并初步对试验进行了总结，对环保设备和金属结构的防腐进行有益的探讨。

1.腐蚀的概念和危害

腐蚀是设备某种材料退化现象，这种现象通常是由某种材料与工作环境的化学反应产生的。本文中的腐蚀仅指钢等金属的腐蚀，不包括其他非金属材料的腐蚀。环保行业中的金属设备、结构设施存在严重的腐蚀危害，不仅给环保企业造成巨大的经济损失，也严重地影响环境和运行安全，腐蚀保护问题已经成为环保企业面临的一大难题。

2.腐蚀的机理

“腐蚀”是材料在工作环境作用下发生的可以导致材料发生明显的变化从而使材料损坏的化学反应。

金属在电介质中的腐蚀是一个电化学过程，在电解质溶液中所发生的金属腐蚀称为电化学腐蚀[1]，这是腐蚀电化学的基础，基于此原理发展的阻止腐蚀方法就是电化学保护。

电化学腐蚀过程很复杂，电解质、环境要素、腐蚀的物理化学性质和金属特性、金属微观和宏观不均匀因素等都会对反应过程产生非常复杂的影响[2］。

电化学腐蚀反应主要特征是：

（1）金属和电解质间的界面层带电，对界面层的各种影响都能明显的影响金属的腐蚀。

（2）金属失去电子（氧化反应）和氧化剂获取电子（还原反应），这两个不同过程不在相同位置点反应，金属及其与电解质界面间部分区域存在电流通过。

（3）在远离局部阳极和局部阴极的第三处可以产生二次反应产物。

3.阴极保护方法

依据保护对象产生不同电流的特点划分，阴极保护的措施有牺牲阳极法和外加电流法两种。本次试验采用了牺牲阳极法。

3.1 牺牲阳极法简介

在确定防腐的金属后，选择电极电位比被保护金属更负的一种活泼金属（合金）[3]，与被保护金属置于同一个电解质环境中，并从外部实现电连接，构成一个腐蚀原电池。负电位低的活泼金属，在电池系统内作为阳极先腐蚀溶解，释放电子（即负电流），将防腐金属的阴极极化到合理电位区间，抑阻腐蚀从而达到防腐目的，就是牺牲阳极法阴极保护技术[4]的工作原理。试验中的金属设备是电池系统中的阴极，活泼金属是阳极，设备中的水是电解质溶液。构成了一个完整的阴极保护系统。

牺牲阳极法见图1。被保护对象为钢制管道，牺牲阳极为镁阳极，外部电连接为绝缘导线，环境介质为土壤。

图1 埋地管道的牺牲阳极法阴极保护系统示意图

3.2 牺牲阳极法的优缺点

优点是：

（1）不需要借助任何外部电源，具有方便广泛的应用；

（2）用电系统对与相其邻的结构物可能产生的杂散电流无干扰或干扰很小；

（3）对小型金属设备和构件而言，采用阴极保护的措施成本极低；

（4）在特定范围内，牺牲阳极输出电流具备自调节能力，保护电流分布均匀，利用率较高；

（5）施工安装简便，运行维护管理方便，多数无需维护；

（6）在低电阻率的运行环境中，运行良好。

缺点是：

（1）鉴于输出功率较小，牺牲阳极系统在较高电阻率环境中不建议采用，过高电阻率的环境中则明显不宜采用；

（2）系统保护电流较小，可调节范围极小；

（3）为了获得良好的保护效果，要求在被保护结构物的表面涂敷优质的防腐蚀涂覆层；

（4）用于消耗的活泼金属阳极质量大，使用年限较短，几年后即需要更换。

3.3 阴极保护的主要参数

阴极保护的主要参数是保护对象能否获得充分防护的判断依据，调控阴极保护系统的运行过程，是决定阴极保护系统保护效果的关键[5]。因此，主要参数的确定和控制，在阴极保护的设计中至关重要。

通常，阴极保护系统主要的参数有两个：一是保护电位和保护电位范围；二是保护电流密度。

3.3.1 保护电位和保护电位范围

对给定被保护体系中的最小保护电位的影响因素较多，影响最小保护电位值；理论计算的最小保护电位值也随条件发生变化，实践表明，-0.85V（CSE）是普遍适用的最小保护电位，因此，国外将-0.85V（CSE）作为阴极防腐技术的重要技术标准，并成为阴极防腐工程技术质量的重要控制判据[6]。阴极保护中可以使腐蚀停止的电位叫保护电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），通常认为，金属电位低于-0.85V（CSE）这个数值时[7]，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。

从腐蚀的电化学理论来说，通过对金属的电极电位进行有效控制，使其状态处于比最小保护电位更低的数值，就能实现金属防腐。但阴极保护电位也不能过负，过负后如果达到析氢电位，将产生析氢反应，产生氢脆破坏。这种过保护破坏应予防止，需要确定一个最大保护电位。在最小保护电位和最大保护电位之间是保护电位区间。前苏联将钢的最小保护电位定为-0.85V，最大保护电位定为-1.15V。

3.3.2 保护电流密度

为了确保合理的保护电位而应对其施加的阴极极化电流称为保护电流[5]。对被保护金属总面积而言，单位面积上的保护电流量叫做保护电流密度，最小保护电位时阴极对应的极化电流密度叫做最小保护电流密度。

保护电流密度是金属防腐、调控保护电位的关键参数，属于阴极保护设计的重要参数[8]。在设计时，被保护金属的电流密度要大于最小保护电流密度，否则金属物不能完全的受到保护。同时，如果实际电流密度比最小保护电流密度大很多，不但增加电量消耗，提高经济成本，还容易导致过保护现象，使保护作用有所降低。

最小保护电流密度是与被保护金属物的种类、腐蚀介质的种类、电路总电阻[9]、金属表面是否有涂覆层、涂覆层的种类、质量和环境条件等因素有关。导致最小保护电流密度从数个μA/m2到数百个mA/m2之间变化。相比较而言，不同的保护电位只在一个非常有限的电位范围内变化，而最小保护电流密度的选择范围则可达5～6个数量级。

4.阴极保护在填埋场渗滤液低温蒸发塔的腐蚀控制试验

在考虑运行环境和代表性等因素后，确定在生活垃圾填埋场渗滤液RO后浓缩液低温蒸发塔进行了牺牲阳极的阴极保护试验。填埋垃圾渗沥液浓缩液低温蒸发工艺如下图2所示，该低温蒸发装置由增湿塔（简称干塔）和脱湿塔（简称湿塔）及塔体系统及辅助循环系统组成，其中两个塔体均为塔径2m，塔高21.5m, 每个塔体分5节分段加工制作，使用法兰拼接紧固。考虑到增湿塔最底部一节连接脓缩液出口段，浓缩液中成分复杂（见表1），含有大量的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子，氨氮以及难降解有机物等物质，氨氮浓度也较高，且电阻率很低，电导率极高，这一段的腐蚀破坏威胁最严重。塔体在国外通常设计选材为2507超级双相不锈钢或钛合金，塔体的造价非常昂贵，难以市场推广。为此，我们采用“碳钢+涂层+阴极保护”技术工艺设备方案，进行了工程试验，大幅降低了成本。初步估算设备节约投资约为55%，从初步的实验可以预估设备完全达到国外设备的使用年限。

表1 低温蒸发系统进出水水质汇总表

图2 低温蒸发系统工艺流程图

在蒸发塔“碳钢+涂层+阴极保护” 技术工艺设备方案中。阴极保护技术需要综合考虑设备工作的复杂环境、结构被保护的面积和特征、水样电阻率的实测值等。低温蒸发系统进出水水质见表1。

4.1 阴极保护的主要设计依据

考虑到本行业内尚无相关技术规范，在参考美国陆军工程师团《水闸与运行设施》工程手册的基础上，试验借鉴了国内其他行业如材料、石油、海港工程的相关技术规范和其他资料。

4.2 阴极保护材料的选择

牺牲阳极材料的确定，通常按照介质环境的电阻率确定。试验中牺牲阳极对渗沥液蒸发塔防腐保护效果取决于内壁本身质量、介质流动性以及温度。一般阳极选择铝、锌、镁及其合金等自然电极电位较负的材料。这些阳极材料在自然环境中的腐蚀电位都能达到-10V。其中适用于土壤中的牺牲阳极材料主要是镁（电阻率＞200Ω•cm），在海水中是锌和铝（电阻率＜200Ω•cm）。镁具有电容量大、电位负、密度小、极化率低等特点，对钢铁的驱动电压较大(＞0.6V)[10］，在单位面积产生的电流比锌大,也适用于电阻率较大的介质中。本次试验选用镁合金为牺牲阳极材料，镁的自腐蚀很强烈，考虑到安装方便，镁的断面采用梯形，平均布置8支MG-8型镁阳极（净重8kg）。

4.3 阴极保护的试验指标

设计寿命：试验选择的阳极材料按照寿命不小于5年考虑，实际应用中选择的材料要远高于5年。

设计保护电位：导电良好的设计保护电位：＜0.25V（相对高纯锌长效参比电极）。

4.4 阴极保护的试验安装

牺牲阳极使用固定支架安装在湿塔最底部一节，沿着垂直方向均匀布置8支镁阳极，电位测量使用压差液位传感器从湿罐底部接出的开口法兰。

镁阳极的安装注意事项：

（1）阳极支架的设立。阳极用钢支架固定在管壁上，阳极和固定支架之间使用螺栓安装，阳极支架和管壁焊接。螺栓安装是将镁阳极在支架上打孔、固定，要注意螺栓与镁阳极之间的密封隔绝，如两者之间密封不严，螺栓和镁阳极之间形成电池，则是螺栓得到保护，设备反而得不到保护。隔绝方式通常是在螺栓孔内使用树脂密封，在树脂凝固之后将支架焊接在蒸发湿塔最底部一节的环形内壁处。焊接前焊点处要打磨达到St3级，焊接要求牢固、无虚焊、焊缝饱满。焊接完成后彻底清除焊渣。

（2）安装间距的控制。一般情况下，尽可能地使镁阳极靠近内壁,距离控制在约5cm～10cm之间为宜，试验的距离是8cm。

（3）镁阳极的布置。8只镁阳极在垂直方向的最底部第一节等距离均匀分布。由于增湿塔是低温蒸发工艺，系统运行最高工况温度只有95℃。本次试验不在高温区和低温区分别布置镁阳极，也不对比不同温度对阳极消耗速度的影响。

（4）防腐涂层的涂装。湿塔内壁防腐涂层使用阿克苏诺贝尔涂料有限公司的Enviroline 405HT环氧酚醛涂料，涂层干膜厚度μm：≥1000，塔体连接法兰凹凸面不涂装，但需要涂防锈油，防止安装前生锈。牺牲阳极支架和湿塔内壁的防腐处理要求完全相同。所有待涂覆的金属表面均应清洁、干燥、无污染。涂漆之前，应根据ISO 8504:2000标准对所有表面进行评估和处理。必要时，清除焊渣飞溅，打磨光滑焊缝和锐边。防腐涂层涂刷要保证均匀、美观、规则，阳极材料严禁涂覆防腐材料，在防腐蚀处理完成后安装阳极，如果需要安装后防腐处理，需采取措施保护阳极。

（5）导电性的测试。在镁阳极安装完成后必须测试导电性，要确保阳极和被保护设备间良好的导电性。通过测量被保护设备的保护电位，确认金属结构各部分的保护电位满足要求，如果不满足，需要重新调整阳极的数量和布置方式。在试验中，要定期对被保护的设备进行检查维护，周期是半年测量一次并做好详细记录，确保有效运行，如实测数据不符合要求时，要尽快查找原因，做出相应调整。

5.检测结果分析

开始试验后，每月测试一次，直到达到稳定状态，在前2年约6个月测试一次，从保护电位的实测结果分析：

在运行6个月后，测试时实测水样电阻率平均值为615Ω•cm，见表2，布置的8个阴极保护电位测试结果见表3，保护电位的测量结果均小于0.25V(相对高纯锌长效参比电极)，对罐体的保护效果很好。

表2 水样电阻率表（实测水样电阻率均值为615Ω•cm）

表3 阴极保护电位测试表

在运行一年后，测试时实测水样电阻率均值为827Ω•cm，阴极保护电位测试结果见表4，保护电位测量结果均小于0.25V(相对高纯锌长效参比电极)见表5，对罐体的保护效果很好。

表4 水样电阻率表（实测水样电阻率均值为629Ω•cm）

表5 阴极保护电位测试表

6.结语

试验表明，在正常工作环境中，牺牲阳极阴极保护技术对渗沥液RO浓缩液低温蒸发塔设备实现了良好的保护效果，和涂层联合防腐对设备保护效果明显，同理其他环保设备的防腐保护完全可以考虑使用阴极保护方法。试验中也发现一些问题需要继续深入研究，这就是使用的镁合金牺牲阳极材料在工作中，保护电位存在过负的情况，比较多的测点在多次实测中低于-250mV，有些达到了近-300mV，这样容易形成镁阳极与被保护设备之间驱动电位比较大，在遇到容器中的水电阻率较低时，阳极的电流比较大，加快了阳极的消耗，设备如果长期处于这种过保护状态，严重时会导致设备防腐层鼓泡、剥离，脱落，给防腐层造成破坏。这也是下一步试验研究的重点。

腐蚀控制能有效地减缓腐蚀的发生，是一种储蓄资源，储蓄服务，储蓄安全的综合性的工程措施和社会活动。保持和延长基础设施的服务寿命是腐蚀控制的关键，是尽量延长和扩展现有设施或系统的服务而不是盲目建设新的替代基础设施。其中，阴极保护技术是环保设备经济合理、切实可行的防腐蚀措施，是值得深入研究的经济和可靠的防腐蚀保护办法，对行业的防腐具有重要的现实意义。

备注：山西省科技厅将《灌溉设备(闸门)的阴极保护》列入了省级科技攻关计划，2006年5月9日山西省科技厅批准立项，项目编号:2006031185，山西省财政支持科研资金10万元。至2013年 11月，完成了资料翻译和理论研究等工作后于2017年7月由山西省科技厅主持完成项目验收。2019年8月，由维尔利环保科技集团股份有限公司所属的常州金源机械设备有限公司负责，选择适合的环保设备并进行试验，目前初步实验已经完成。