循环水埋地管线泄漏原因的分析与对策

(1.北京燕山威立雅水务有限责任公司，北京102500；2.中石化北京燕山石化检验计量中心，北京 102500)

某石化企业供水车间共有循环水装置7套，均为敞开式循环冷却水系统，系统设计供水水量为53.8 kt/h，主要负责为炼油系统及配套装置供应循环冷却水。近年来，循环水埋地管线泄漏现象频发，查漏、堵漏也消耗着大量的人力、物力。循环水埋地管线的泄漏不仅浪费着大量水资源，也给安全稳定生产带来隐患。

从泄漏管线的情况分析来看，管线泄漏源自腐蚀，而腐蚀也源自内外两方面原因：一是内侧腐蚀，即循环水对管线内壁腐蚀；二是外侧腐蚀，即管线所处土壤环境对管线外壁腐蚀。分析了腐蚀机理，并采取了有针对性的措施抑制腐蚀的发生。

1 腐蚀原因分析

1.1 内侧腐蚀

冷却水在循环系统使用过程中，由于水的温度升高、流速的变化和蒸发，各种无机物和有机物不断浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋和粉尘杂物的进入，再加上管线结构和材质(7套循环水系统的管线材质均为20号钢)等诸多因素的综合作用，会产生严重的沉淀物附着和微生物的大量滋生，这些情况导致循环水对管线产生电化学腐蚀、微生物腐蚀和离子腐蚀。

1.1.1 电化学腐蚀

在敞开式循环水冷却系统中，水和空气充分接触，因此水中溶解的O2可达到饱和状态，当碳钢与溶解有O2的冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢管线表面会形成电极电位的差别，电极电位不同的地方通过管线本身连接成许多腐蚀微电池，高电位者为阴极，低电位者为阳极，微电池的阳极区和阴极区分别发生下列氧化反应和还原反应：

这些反应，促使微电池中阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。

1.1.2 微生物腐蚀

在循环水系统不断循环过程中，水质得到不断浓缩，水中养分不断积累，水温的升高、阳光照射，加之装置换热器物料泄漏，为细菌、丝状菌和藻类等微生物创造了迅速繁殖的条件，并以这些微生物为主体，混有泥沙、无机物和尘土等，形成微生物黏泥。

微生物黏泥中的铁细菌利用循环水中溶解的氧气将碳钢材质管线中的铁元素氧化成三价铁，沉淀下来后产生大量黏液，构成锈瘤[1](见图1)。由于耗氧，生成的锈瘤又阻碍氧的扩散，锈瘤下面的金属表面常常处于缺氧状态，从而构成氧浓差电池，引起钢的腐蚀形成腐蚀穿孔。此外，这种缺氧状态促使硫酸盐还原菌等厌氧菌繁殖，分解水中的硫酸盐，产生H2S，引起碳钢管线腐蚀。其反应如下：

图1 锈瘤

1.1.3 离子腐蚀

1.2 外侧腐蚀

管线外侧腐蚀主要是土壤腐蚀。土壤是一个由气、液、固三相物质构成的复杂混合体系，是具有毛细管效应的、多孔性的特殊固体电解质，土壤中的溶解离子、微生物和杂散电流等都会对埋于土壤中的碳钢管线造成腐蚀，土壤腐蚀多表现为局部腐蚀，形成蚀坑甚至蚀孔(见图2)。

图2 土壤腐蚀形成的蚀坑、蚀孔

1.2.1 杂散电流引起的腐蚀

杂散电流主要来自于供电装置、地下电缆的泄漏和建筑物的接地装置等，这些电流在土壤中流动到金属管道上，然后再回到以上装置，这个过程形成两个腐蚀电池，一个是电流自上述装置流入金属管线，上述装置为阳极，管线为阴极，上述装置发生腐蚀；另一个则相反，电流从管线返回上述装置，管线为阳极，上述装置为阴极，管线发生腐蚀(见图3)。

图3 杂散电流腐蚀机理示意

1.2.2 微生物引起的腐蚀

土壤中的微生物在管道表面形成菌落，消耗了局部环境中的氧，加上细菌尸体及所吸附的无机盐，沉积物覆盖了局部表面，造成金属表面氧浓度差，这样使金属表面形成电位差，形成氧浓差腐蚀电池，阳极区释放的亚铁离子能为铁细菌作能源，因而吸引该菌在阳极区聚集，这样一方面细菌能加速亚铁氧化成高铁，促使阳极去极化过程；另一方面细菌在碳钢管壁表面形成结瘤，又促使形成氧浓差腐蚀电池的过程。部分微生物代谢会产生腐蚀性产物，如硫酸盐还原菌的代谢产物不仅促进阴极去极化作用，且电位比铁还低，形成新的腐蚀电池，氧化硫杆菌在代谢过程中产生10%～12%的硫酸，对管线形成腐蚀。

1.2.3 土壤性质引起的腐蚀

管线和不同透气性的土壤而形成氧浓差电池以及盐浓差、温差等各种类型的宏电池, 主要是由于在管线的不同部位的电位不同。此类电池作用距离长，腐蚀类型为局部腐蚀，作用危害大，易造成地下管线的穿孔泄漏。土壤的孔隙度越大越有利于氧气的渗入，管道腐蚀越严重；土壤中盐含量越大，电导率越大，土壤腐蚀性越大；土壤pH值越低，腐蚀速率越高；土壤中水含量越高，腐蚀速率越高。但当水含量超过一定值后，氧的扩散渗透受到阻碍，土壤中的可溶性盐已经全部溶解，此时水量再增加，也不再有新的盐分溶解，从而使腐蚀速率减小。当土壤中的含水在10%以下时，由于水分短缺，土壤的电阻加大，腐蚀速率也会降低。

2 防护措施

循环水系统埋地管线腐蚀泄漏来自于内壁腐蚀和外壁腐蚀两个方面，内壁腐蚀的防护主要从改善、控制循环水水质指标方面进行，管道外壁的防护主要以涂防护层和阴极保护为主。

2.1 控制循环水水质

控制水质主要是通过控制循环水中氧含量、pH值、悬浮物和微生物的养料以及系统预膜等手段，以达到控制内壁腐蚀的目的。

2.1.1 热力除氧

在循环水给水中通过热力除氧器除去水中的氧，抑制氧腐蚀。

2.1.2 去除循环水系统中的微生物

去除循环水系统中的微生物可以通过以下几种方式来完成：(1)由于油的密度小于1而易于浮于水面上，在隔油池中利用集油管将浮油收集而排走，当装置换热器泄漏到循环水系统中油类较多时，可采用人工捞油的办法及时清除，从而达到降低水中油含量的目的，否则会给微生物提供充足的营养，导致微生物迅速繁殖。(2)通过投加杀菌剂，控制微生物的生长，从而控制循环水管线中的微生物黏泥和微生物腐蚀，目前常用的杀菌剂是强氯精。(3)进行物理或者化学清洗(投加剥离药剂)，可以把循环水系统管线中微生物生长所需要的养料、微生物生长的有利场所以及微生物本身从冷却水系统管线金属表面除去，并通过塔底排污等手段从循环水系统中排出。(4)采用石英砂等为滤料的旁滤罐，可以在不影响循环水系统正常运行的情况下通过旁流过滤除去水中的大部分微生物黏泥。

2.1.3 控制pH值和余氯

在pH值为4～10时碳钢管线的腐蚀速率最低，考虑到循环水结垢的因素，将pH值控制指标设定在7.3～9.0。

循环水系统中的氯来自于杀菌剂强氯精，循环水系统中加入适量的强氯精，可以起到有效杀死微生物的作用;但必须控制氯在系统中的含量以降低氯离子对管线的腐蚀，氯离子质量浓度不超过700 mg/L，余氯质量浓度为0.1～1.0 mg/L。

2.1.4 预膜与投加缓蚀剂

预膜是在循环水系统清洗干净后，通过投加大量的缓蚀剂在干净的碳钢金属表面形成致密的保护膜以阻止腐蚀的发生。

投加缓蚀剂可以减缓甚至消除电化学反应，根据缓蚀剂对电化学腐蚀的控制部位不同又分为：阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂和缓和缓蚀剂[2]。

(1)阳极缓蚀剂

铬酸盐是典型的阳极缓蚀剂，在pH值为6.5～8.0时，使阳极有下列反应：

氢氧化铬、氢氧化铁脱水后形成氧化铬、氧化铁的混合物,从而在阳极构成保护膜。

(2)阴极缓蚀剂

磷酸盐类是阴极缓蚀剂，其作用是与水中的阳离子(Ca2+和Fe2+)络合形成带正电的胶体，胶体颗粒向阴极沉积成膜，随着膜的增厚，阴极释放电子的反应被阻挡。阴极释放电子的反应减缓，沉积也就减缓，最后膜停止增厚。

锌盐也是阴极缓蚀剂，在阴极部位产生氢氧化锌沉淀，起到保护膜的作用。

(3)混合缓蚀剂

烷基胺类缓蚀剂具有极性基团，能在金属表面形成单分子膜。一般亲水基团吸附在金属表面，而疏水基团朝向水，这样形成一道屏障，阻止水与水中溶解氧向金属表面扩散，起到缓蚀作用。

2.2 涂层防护和阴极保护

防腐涂层法应用于埋地管线的外壁腐蚀控制的原理为：涂层作为外壁腐蚀控制的第一道防线，将管道的金属基体与具有腐蚀性的土壤环境隔离，阻止杂散电流、微生物等与碳钢管线间离子、电流的渗透，可以有效避免管线受土壤腐蚀的影响。常用的表面防腐材料及涂层有环氧煤沥青和玻璃布、聚乙烯防腐胶带等。

2012年4月3日23时，某石化企业化工厂裂解装置循环水回水埋地管线发生泄漏，开挖后虽找到漏点，但两次带压堵漏尝试均未能成功，最终导致化工厂裂解装置被迫停车。停车后关闭冷却水上水线总阀，泄漏的冷却水迅速被排空，经检查发现泄漏部位在距地面0.3 m处有一约100 mm×150 mm的孔洞。同时发现距地面0.8 m以上管线没有防腐层，0.8 m以下均有防腐层，剥开防腐层，管线表面完好(见图4)。经过更换故障管段，重新做防腐层，装置重新恢复了生产。显然，本次埋地管线泄漏的根本原因就在于没有实施有效的防腐蚀，从而证明了防腐涂层的应用效果和重要性。

图4 有防腐涂层和无防腐涂层的区别

而实施阴极保护则是对涂层破损处的管线金属提供的防腐保护。通过对受保护金属管道进行阴极极化，使之成为一个大阴极，从而防止金属腐蚀。阴极保护可以通过外加电流法和牺牲阳极法实现。

外加电流法是通过外加保护电流来实现，将被保护的金属接到电流电源的负极，并要保持在金属极化的电流范围内，达到防腐蚀的目的。由于外加电流法需要外部提供电源，需要建立专门电流监测站，而且容易受到大电流的影响，造成恒电源的损坏，因此该方法使用较少。

牺牲阳极法是在被保护的接地网上连接电位

更负、更容易腐蚀的金属，靠阳极的腐蚀达到保护阴极的目的。牺牲阳极法不仅适用于新建的埋地管线的防护，还可以用来对已建埋地管线进行改造，延长其使用寿命。

3 结 语

(1)埋地循环水管线的泄漏原因在于受到循环水对管线的内壁腐蚀和土壤环境对埋地管线的外壁腐蚀的双重作用。

(2)控制循环水水质可以降低循环水腐蚀速率，减少内壁腐蚀。

(3)采用外涂层和阴极保护可以有效减轻土壤环境对管线的外壁腐蚀,而且外涂层防护对埋地管线的使用寿命起着至关重要的作用。

(4)根据埋地循环水管线的实际情况采取适当的措施，可以有效降低埋地管线的腐蚀速率，延长埋地管线使用寿命，提高装置运行稳定性。