MM0/Ti柔性陽(yáng)極研制生產(chǎn)

　　

　　□文/劉嚴(yán)強(qiáng),賴廣森·北京碧海舟腐蝕防護(hù)工業(yè)股份有限公司
 

　　陰極保護(hù)技術(shù)是有效抑制埋地或水中金屬結(jié)構(gòu)電化學(xué)腐蝕的有效手段之一,其與防腐涂層一起構(gòu)成了埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)的完整技術(shù)體系。近年來(lái),，柔性陽(yáng)極作為陰極保護(hù)的新型材料之一開始獲得廣泛的應(yīng)用。
 

　　柔性陽(yáng)極是陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物,其形狀類似電纜,并可像電纜一樣鋪設(shè)在欲保護(hù)的埋地管道旁邊或油氣儲(chǔ)罐罐底板基礎(chǔ)內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)對(duì)象的陰極保護(hù),同時(shí)具有傳統(tǒng)分布武陽(yáng)極(如淺埋、深井陽(yáng)極地床)不具備的保護(hù)電流利用效率高,對(duì)其他非保護(hù)對(duì)象雜散電流干擾少的優(yōu)點(diǎn)。并且在山區(qū)等土壤電阻率很高的區(qū)段也可以應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)使得它在目前國(guó)內(nèi)的站內(nèi)區(qū)域性陰極保護(hù)的應(yīng)用方面體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì),油氣站場(chǎng)站內(nèi)埋管道密集,設(shè)施眾多,采用傳統(tǒng)的分布式陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù),極易發(fā)生干擾、屏蔽等電位分布不均勻的問題,需要很高的設(shè)計(jì)和施工能力的配合,才能真正有效實(shí)施陰極保護(hù)。而采用柔性陽(yáng)極則可以完美地克服這些缺點(diǎn),極大地降低設(shè)計(jì)和施工難度,有效保證項(xiàng)目實(shí)施的成功率,因而在近幾年獲得了廣泛的應(yīng)用。
 

　　目前在國(guó)際上,根據(jù)柔性陽(yáng)極芯材質(zhì)的不同,主要有基于導(dǎo)電聚合物的柔性陽(yáng)極和基于MMO(貴金屬氧化物)的柔性陽(yáng)極。其中基于導(dǎo)電聚合物的柔性陽(yáng)極芯采用石墨摻雜的導(dǎo)電聚合物為陽(yáng)極主體,,其具有小電流穩(wěn)定輸出,成本低的優(yōu)點(diǎn),但是在大電流的載流能力上,由于導(dǎo)電聚合物的固有的發(fā)熱膨脹的缺陷,容易在大電流時(shí)發(fā)熱導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物機(jī)械性能喪失而解體,直接導(dǎo)致失效;基于MMO的柔性陽(yáng)極則沒有這些問題,且具有載流能力大(可達(dá)900mA/M)和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
 

　　當(dāng)前的油氣站場(chǎng)區(qū)域性陰極保護(hù)主要應(yīng)用的都是MMO的柔性陽(yáng)極。目前國(guó)內(nèi)尚未開發(fā)MMO的柔性陽(yáng)極產(chǎn)品,使國(guó)內(nèi)柔性陽(yáng)極陰極保護(hù)項(xiàng)目全部采用的為國(guó)外產(chǎn)品,給國(guó)家造成了大量的外匯損失。為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在MMO柔性陽(yáng)極產(chǎn)品方面的空白,并進(jìn)一步促進(jìn)柔性陽(yáng)極技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用,北京碧海舟腐蝕防護(hù)工業(yè)股份有限公司決定開展MMO/Ti柔性陽(yáng)極的研制工作。
 

材料與組成
 

　　要確保柔性陽(yáng)極能夠在陽(yáng)極反應(yīng)的強(qiáng)酸性和強(qiáng)氧化性環(huán)境下保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,需要柔性陽(yáng)極主要組成材料具備在這種環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作能力,因此,研制MMO/Ti柔性陽(yáng)極的第—步是篩選適宜的組成材料。MMO/Ti柔性陽(yáng)極結(jié)構(gòu)組成圖如圖1、2所示
 

　　圖1 MMO/Ti柔性陽(yáng)極橫截面結(jié)構(gòu)圖

　　圖2 MMO/Ti柔性陽(yáng)極縱截面結(jié)構(gòu)圖

　　MMO(貴金屬氧化物)陽(yáng)極絲
 

　　MMO(貴金屬氧化物}陰極保護(hù)技術(shù)的陽(yáng)極是在20世紀(jì)60年代應(yīng)用于氯堿工業(yè)的DSA技術(shù)為基礎(chǔ)而經(jīng)過多年的發(fā)展開發(fā)出來(lái)的。國(guó)際上主要是由意大利迪諾拉公司推出的LiDa系列的貴金屬氧化物陽(yáng)極,其最早的應(yīng)用可以追溯到1971年,其使用24根LiDa陽(yáng)極棒對(duì)一座碼頭實(shí)施了保護(hù)。國(guó)內(nèi)也在20世紀(jì)90年代成功的開發(fā)出了MM0陰極保護(hù)用陽(yáng)極,陽(yáng)極的主體為涂有混合金屬氧化物IO₂/氧化鉭Ta₂O₅鈦基陽(yáng)極,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)獲得了大量的應(yīng)用,并供應(yīng)國(guó)外市場(chǎng)。在土壤中,基于MMO的陽(yáng)極絲的輸出電流密度主要受陽(yáng)極絲周圍環(huán)境的影響，而MMO陽(yáng)極的壽命則主要由陽(yáng)極的輸出電流密度和涂層厚度決定。經(jīng)過周密的調(diào)研和試驗(yàn),MMO陽(yáng)極絲在國(guó)內(nèi)有多家廠家可以生產(chǎn)并完全符合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的要求,完全可以滿足MMO柔性陽(yáng)極生產(chǎn)的需求。
 

　　導(dǎo)電電纜
 

　　由于MMO陽(yáng)極絲的基體金屬鈦的導(dǎo)電性能較差(電阻率:20℃ 時(shí),工業(yè)純鈦的電阻率為0.556μΩ· m),同時(shí)MMO鈦絲較細(xì)的尺寸更增加了縱向?qū)щ婋娮?這樣,排流電流的衰減率會(huì)很高,不能滿足柔性陽(yáng)極長(zhǎng)距離保護(hù)的要求,因此柔性陽(yáng)極需要導(dǎo)電電纜來(lái)保證其縱向的電流傳輸能力,以獲得較小的電流衰減率。由于導(dǎo)電電纜直接處于陽(yáng)極體內(nèi)與陽(yáng)極絲并行,因此處于陽(yáng)極酸性的氧化性環(huán)境內(nèi),需要采用具備耐酸和耐氧化性的絕緣護(hù)套銅芯電纜。經(jīng)過了解目前國(guó)內(nèi)電纜技術(shù)和生產(chǎn)情況,確定了可以滿足柔性陽(yáng)極并行導(dǎo)電電纜需求的電纜型號(hào)和規(guī)格。
 

　　導(dǎo)電電纜與MMO絲的連接
 

　　為了保證導(dǎo)電性需要將MMO絲每隔一定距離與導(dǎo)電電纜連接,連接采用壓接的方式,但是必須保證MMO絲與電纜銅芯的壓接既不破壞鈦絲的導(dǎo)電涂層,也需要足夠的壓接力保證其導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性。由于陽(yáng)極處于正電位狀態(tài),使得陽(yáng)極絲與導(dǎo)電電纜銅芯的連接必須嚴(yán)格密封防水,否則會(huì)立即造成電纜銅芯的電解而斷掉。對(duì)電纜與MMO陽(yáng)極絲接點(diǎn)的密封防水要充分考慮到陽(yáng)極反應(yīng)造成高氯的氧化性環(huán)境,密封材料保證充分的絕緣防水，還要能長(zhǎng)期耐受陽(yáng)極絲周圍高酸性的氧化環(huán)境。
 

　　通過大量的試驗(yàn)工作,選擇了適宜的并行接頭密封材料,并通過特殊的工藝和結(jié)構(gòu),得以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、可靠和長(zhǎng)壽命的有效防水密封,滿足了柔性陽(yáng)極接頭的技術(shù)要求。
 

　　導(dǎo)電焦炭填料
 

　　焦炭導(dǎo)電填料承擔(dān)著降低接地電阻,增加MMO陽(yáng)極絲的排流量和使用壽命的目的,同時(shí)還要避免大排流量時(shí)發(fā)生氣阻問題,影響陽(yáng)極的輸出。
 

　　通過查閱大量的技術(shù)資料,并進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),合理的選擇了填充導(dǎo)電焦炭填料的粒徑及其分布,可達(dá)到排流密度、接觸電阻和排氣要求平衡的最佳效果。
 

　　外部包裹材料
 

　　外部包裹材料承擔(dān)著包裹導(dǎo)電焦炭粉在MMO陽(yáng)極絲周圍，并保證成型后的陽(yáng)極體具備足夠的靈活性,可以隨意彎折敷設(shè)。同時(shí),包裹材料還要具備足夠的透水透氣性,以保證柔性陽(yáng)極可以通過足夠的陽(yáng)極電流。此外，外部包裹材料還要滿足生產(chǎn)線適宜的粘結(jié)方式要求。
 

　　通過對(duì)各種纖維織物進(jìn)行大量的試驗(yàn)篩選后，確定了可以滿足上述要求的品種和織物結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)柔性陽(yáng)極壽命期內(nèi)的完整性和功能。
 

　　編織機(jī)械保護(hù)層
 

　　外部的機(jī)械保護(hù)層負(fù)責(zé)提高柔性陽(yáng)極在現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)各種機(jī)械破壞的能力,因?yàn)閮?nèi)部密實(shí)包裹的導(dǎo)電焦炭粉填料具備極好的流動(dòng)性,因此需要保證包裹材料的完整性。
 

　　同樣,通過合理篩選,選擇了適宜的外部編織機(jī)械保護(hù)層的單絲品種和結(jié)構(gòu),可以滿足機(jī)械保護(hù)和耐酸性的要求。
 

　　總之，通過大量的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和技術(shù)比對(duì),確定了可以滿足MMO/Ti柔性陽(yáng)極使用性能要求的組成材料,下一步的工作是需要確定適宜的成型工藝,以確保將導(dǎo)電焦炭粉密實(shí)地包裹在組合陽(yáng)極芯的周圍,并將外圍包裹材料粘合成型。
 

成形工藝
 

　　從以上柔性陽(yáng)極結(jié)構(gòu)組成可以看出,柔性陽(yáng)極結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但是,由于柔性陽(yáng)極要連續(xù)地包裹焦炭粉,并保證陽(yáng)極芯居中,顯然,人工生產(chǎn),無(wú)法實(shí)現(xiàn)。從以上敘述看到,連續(xù)密實(shí)地包裹焦炭粉是柔性陽(yáng)極的典型特征,如果只有柔性陽(yáng)極芯而沒有連續(xù)的包裹焦炭,就不能有效實(shí)現(xiàn)施工簡(jiǎn)便并保證陽(yáng)極安裝的目標(biāo),也不能成為真正意義上的柔性陽(yáng)極。要實(shí)現(xiàn)焦炭粉連續(xù)灌裝并密實(shí)包裹MMO 陽(yáng)極芯,只有采用連續(xù)的機(jī)械化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前市場(chǎng)上還沒有成熟或可以參考、借用的類似的包裝設(shè)備可以滿足柔性陽(yáng)極生產(chǎn)要求,這也是長(zhǎng)期困擾各柔性陽(yáng)極生產(chǎn)廠家、使得個(gè)別廠家可以壟斷柔性陽(yáng)極產(chǎn)品的多年的根本原因。在這種條件下,只有完全自主研制專用的柔性陽(yáng)極成形機(jī)。
 

　　柔性陽(yáng)極成形機(jī)的研制難點(diǎn)如下:(1)外部包裹織物連續(xù)成桶裝,密實(shí)包裹粉狀的焦炭填料,并連續(xù)有效粘合。(2)在連續(xù)密實(shí)包裹焦炭填料的同時(shí),將陽(yáng)極芯加入其中。(3)連續(xù)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。(4)由于柔性陽(yáng)極本身尺寸有限(直徑約40mm),并有陽(yáng)極芯,，使得焦炭填料的壓實(shí)成為一個(gè)技術(shù)難題。
 

　　以上難點(diǎn)使得柔性陽(yáng)極連續(xù)成形機(jī)的研制需要大量的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)工作。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力,并經(jīng)過大量各種不同技術(shù)方案的組合改進(jìn),北京碧海舟腐蝕防護(hù)工業(yè)股份有限公司的柔性陽(yáng)極項(xiàng)目組的技術(shù)人員克服了中間出現(xiàn)的各種困難,成功獨(dú)立自主開發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一條MMO柔性陽(yáng)極成形機(jī)。

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