埋地管道牺牲阳极填包料配比的优化研究

2023-07-27曹峰肇柳金豆邱梦露皮浚佚

广州化工 2023年8期

刘露，曹峰肇，柳金豆，邱梦露，皮浚佚

(重庆科技学院，重庆 401331)

埋地管道是油气输送最经济、安全、有效的一种输送方式。据统计，埋地管道占已建成管道线路总长度的98%。管道埋于地下能够受到覆盖土层的保护，不会影响地面的交通与农作物耕种等，有占地面积小，施工简单、投资成本低等优点[1]。但是，油气在埋地管道输送的过程中往往会遭受管道埋设环境带来的外腐蚀问题，管道发生外腐蚀不仅会造成因穿孔而引起的油、气泄漏等直接经济损失，还会带来停工停产以及维修等造成的间接经济损失[2]。尤其是城市埋地燃气金属管道如果发生外腐蚀穿孔泄漏问题且没有被及时发现并解决，将会造成严重的环境污染和经济损失，甚至有可能发生燃烧爆炸，影响到人身安全问题，造成重大的安全事故，所以有效的外腐蚀防护防措施对管道的安全运行具有重大意义。

对于城市埋地燃气金属管道，由于其保护规模小，市政用地条件等限制，很少使用保护规模较大的强制电流阴极保护法。而牺牲阳极因其无需外接电源、电流干扰较小、管理工作量小、保护电流均匀且自动调节等优点[2]，成为防止城市埋地燃气金属管道腐蚀的常用方法。其中，镁阳极作为国内外使用最多的牺牲阳极材料，具有化学活性高、电量大、不易形成保护膜、对环境污染小的特点[3]。为了使牺牲阳极充分发挥对埋地金属管道的保护性，往往会在阳极材料周围包裹填包料，来提高电流效率，进而改善牺牲阳极对埋地管道防腐层破坏点处的管道保护效果，起到了延长埋地管道的使用寿命、降低管道的维修成本、避免事故发生等作用。

本研究旨在比较镁阳极在不同比例填包料的条件下对20#钢试片的保护效果，从而优选出镁牺牲阳极最佳填包料配比，提高镁阳极的阴极保护效果，为现场实施镁阳极保护20#钢提供理论参考。

1 实验

1.1 实验材料与方法

本研究采用50×25×2 mm的20#钢试片模拟埋地管道防腐层破坏点，用丙酮、无水乙醇，除去试片表面的油污等，再用去离子水冲刷后冷风吹干，在FA2004万分之一电子天平上进行称量，精确到0.1 mg。然后在试片有圆孔的一端连接铜丝导线并用JL-509电子防水密封胶和聚乙烯生料带进行封装，留出工作面积为22.89 cm2，然后再次用去离子水、酒精进行清洗，鼓风机吹干后备用。

牺牲阳极采用Φ 15×30 mm的棒状AZ31B镁合金，其在土壤中的开路电位为-1.57～-1.67 V，闭路电位为-1.47～-1.57 V，理论电容量≥1210 Ah/kg，电流效率大于等于55%[4]。实验前将阳极棒的一端焊接铜丝导线并进行相同的封装处理，只留出8.84 cm2的工作面积。该面积用砂纸打磨至600号，然后用去离子水、无水乙醇进行清洗，再用鼓风机吹干备用。

填包料基本组分为石膏粉、膨润土、硫酸钠、硫酸镁。其中，石膏即硫酸钙，作用是阻止牺牲阳极材料表面形成高电阻的腐蚀产物沉积层，以使阳极材料均匀地溶解消耗。吸水性的膨润土与硅藻土通过特殊的物质结构与性能维持阳极周围土壤的潮湿、均衡土壤湿度的波动。膨润土能形成半透膜，调节填包料的渗滤性，因此也可以降低阳极周围土壤的电阻率。硫酸钠的作用也能降低阳极周围土壤的电阻率，提高阳极的电流效率。

填包料用天然纤维材料进行袋装，将镁牺牲阳极塞入填包料正中，每袋填包料的使用量为45 g。本研究按照质量百分比设计了5组填包料配比实验，见表1。

表1 填包料组成

实验土壤取自重庆市某燃气公司埋地管道埋设深度处的土壤，将其装入52×31×37 mm规格的聚丙烯试验箱内模拟埋地管道土壤环境。

1.2 实验过程

将包裹了填包料的牺牲阳极与腐蚀试片用铜丝导线进行连接后，放入300 mm深的实验土壤中，同时，在同等深度处埋设硫酸铜参比电极，然后用去离子水对土壤进行喷洒，使其湿度达到20%。每次实验重复三次。实验周期为240 h，用聚乙烯膜覆盖在实验箱上，同时在膜上扎大量小孔使土壤通气，保持土壤的湿度。每隔48 h进行电位测量，分别测量牺牲阳极的开路电位、腐蚀试片的自腐蚀电位、腐蚀试片的保护电位。

240 h后取出牺牲阳极与腐蚀试片，用刷子刷去表面的泥土和腐蚀产物，用去离子水、3%的柠檬酸溶液[6]清除难溶腐蚀产物。再用去离子水冲洗后进行烘干，然后在电子天平上进行称重，精确到0.1 mg。最后用ZOOM645显微镜观察腐蚀形貌特征。镁阳极烘干后取出，用腐蚀坑深度测量仪进行腐蚀坑的测量，确定最大腐蚀深度。

为了评价不同填包料条件下镁阳极对20#钢试片的保护效果，需进行一组无牺牲阳极的空白对照实验，其他操作流程如上所述。

2 结果与讨论

2.1 电位分析

本研究用CATⅢ600伏万用表测量电位，所测得的牺牲阳极的开路电位、腐蚀试片的自腐蚀电位、腐蚀试片的保护电位如表2所示。

表2 不同填包料配比条件下的牺牲阳极开路点位、腐蚀试片的自腐蚀电位与保护电位

从表2可以用看出，在不同比例填包料的条件下的腐蚀试片的自腐蚀电位范围在-0.338～-0.311 V，其数值均小于NO.1的腐蚀试片的自腐蚀电位；根据GB/T21448-2017《埋地钢制管道阴极保护技术规范》中碳钢在一般土壤环境中的最小保护电位，本研究的阴极保护电位在-1.238～ -0.969 V，均小于-0.850 V，说明不同填包料配比下的镁阳极都对20#钢试片起到了阴极保护作用。其中NO.3的各电位数值均为最大，说明该组填包料配比的条件下的镁阳极放电量较大。

2.2 20#钢试片的失重腐蚀速度分析

失重法的腐蚀速度用公式(1)进行计算：

(1)

式中：V为失重腐蚀速率，g/(m2·h)；m0、m1分别为腐蚀前后试片的质量，g；S为试片的工作面积，m2；t为腐蚀实验时间，h。

再根据公式(2)计算镁阳极对20#钢试片的保护效率：

(2)

通过以上公式进行计算20#钢试片在不同填包料配比条件下的平均保护效果，数据如表3所示。

表3 不同填包料配比条件下20#钢的平均保护效果

从表3可以看出，NO.6的20#钢试片的腐蚀失重速率最小，镁阳极对20#钢试片的保护效果最好，NO.3则与之相反；在NO.6的镁阳极的腐蚀速率最小，而NO.2最大。可以认为，镁阳极在NO.6的填包料中对20#钢试片的保护效果最好，其填包料配比为最佳。

2.3 20#钢试片腐蚀形貌分析

图1为本研究20#钢试片在不同填包料配比的条件下的腐蚀后的表面形貌特征。图片顺序与实验NO.1～NO.6依次对应。从图中可以对比看出，六组20#钢试片表面发生了不同程度的局部腐蚀如点蚀坑，NO.1空白对照组中20#钢试片的腐蚀情况最严重，同时也发生了大面积的局部腐蚀，腐蚀坑数量多切分布较散，取出该试片时表面的腐蚀产物不易脱落；NO.2标准参照组的腐蚀面积相较NO.1大大减小，但其表面腐蚀坑仍然明显且分布较散，而NO.6的20#钢试片表面腐蚀情况较其他组有很大的改善，腐蚀坑小，取出该试片时的表面的腐蚀产物容易脱落。

图1 不同填包料配比条件下的20#钢试片的宏观腐蚀形貌

2.4 讨论

综合对比试验过程的电位记录结果、20#钢腐蚀试片的腐蚀速率和腐蚀形貌以及对应镁阳极的腐蚀情况，可以发现NO.3牺牲阳极的自腐蚀电位以及保护电位最负、放电量较大，但该组20#钢腐蚀试片的腐蚀失重速率也最大，表面腐蚀程度比NO.2标准参照组更严重，镁阳极对20#钢腐蚀试片的保护效率最低、保护效果最差，表明仅仅根据牺牲阳极保护电位还不能判断对埋地金属管道会产生足够的保护。同时镁阳极腐蚀分布极不均匀，且镁阳极表面上的腐蚀坑深度最大，而且放电量较大，也使得阳极消耗较快，说明该组填包料的配比并不理想。NO.6的牺牲阳极的自腐蚀电位的绝对值均偏小，且该组腐蚀试片的保护电位小于-0.850 V，满足GB/T21448-2017《埋地钢制管道阴极保护技术规范》中所规定的碳钢在一般土壤环境中的最小保护电位的要求，并且20#钢试片的腐蚀失重速率最低。这说明在该组填包料配比下条件下，镁阳极对20#钢腐蚀试片达到了阴极保护要求，镁阳极对20#钢试片的保护效率最高、保护效果最好。通过腐蚀形貌的观察可以发现，在该组填包料配比条件下，20#钢试片表面腐蚀程度最为轻微、腐蚀坑直径极小，牺牲阳极的腐蚀分布较均匀，其腐蚀坑最大深度较小，牺牲阳极的消耗率也较慢，可延长牺牲阳极的使用寿命。

通过对不同实验组的20#钢腐蚀试片失重腐蚀速度和表面腐蚀形貌以及牺牲阳极的腐蚀情况对比可以看出，石膏粉15%、膨润土50%、硫酸钠15%、硫酸镁20%的填包料配比的保护效果最好，可作为本研究镁牺牲阳极填包料的最佳配比。其主要原因是：(1)包裹镁阳极的填包料使其与土壤隔开，维持了镁阳极在土壤中的反应活性与环境稳定性，从而提高镁阳极对20#钢试片的保护效果。(2)NO.5和NO.6的填包料成分中硫酸钠、硫酸镁的质量分数比NO.2标准参照组的质量分数提高了30%，从而大大降低镁阳极周围土壤的电阻率。(3)该五组实验填包料配比实验中，NO.6的膨润土的质量百分比最多，则该组填包料对水分的吸收和均衡作用最好，相对于NO.2～NO.5的牺牲阳极周围土壤电阻率更小。(4)填包料成分对电阻率的降低可以提高镁阳极的输出电流，增强了镁阳极对20#钢试片的保护效果。