详解管道阴极保护原理

第九章管道阴极保护•第一节腐蚀•一、腐蚀的定义•二、腐蚀的分类•三、腐蚀的基本原理•四、管道的腐蚀控制一、腐蚀的定义•从广义上讲，腐蚀是材料和环境相互作用而导致的失效。这个定义包含了所有的天然和人造材料，例如塑料、陶瓷和金属。我们通常所研究的腐蚀是金属的腐蚀，金属腐蚀是金属与周围介质发生化学或电化学作用所引起的金属损失的现象和过程。二、腐蚀的分类•腐蚀按材料的类型可分为金属腐蚀和非金属腐蚀，就腐蚀破坏的形态分类，可分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态，包括均匀的全面和不均匀全面腐蚀。按腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。•金属管道常见的腐蚀按其作用原理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。1、化学腐蚀•化学腐蚀指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。化学腐蚀是在一定条件下，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用，即氧化还原反应是在反应粒子相互作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂间直接进行，因而没有电流产生。2、电化学腐蚀•电化学腐蚀指金属与电解质因发生电化学反应而产生的破坏。•特点：在腐蚀过程中有电流产生三、腐蚀的基本原理•腐蚀的基本原理是腐蚀原电池理论。由于不同金属本身的电偶序（即电位）存在着差别，当两种金属处于同一电解质中，并由导体连接这两种金属时，腐蚀电池就形成了。电流通过导体和电解质形成电流回路，此时两种金属之间的电位差越大，则电路产生的电压越大。腐蚀电池一旦形成，阳极金属表面因不断地失去电子，发生氧化反应，使金属原子转化为正离子，形成以氢氧化物为主的化合物，也就是说阳极遭到了腐蚀；而阴极金属则相反，它不断地从阳极处得到电子，其表面因富集了电子，金属表面发生还原反应，没有腐蚀现象发生。•腐蚀过程可表示如下•氧化反应：Fe---→Fe2++2e•还原反应：O2+2H2O+4e---→4OH-•2H2O+2e---→H2+2OH-•腐蚀电池形成的充分必要条件：•1)必须有阴极和阳极。•2)阴极和阳极之间必须有电位差•3)阴极和阳极之间必须有金属的电流通道。•4)阴极和阳极必须浸在同一电解质中，该电解质中有流动的自由离子。四、管道的腐蚀控制•管道腐蚀的控制方法应根据腐蚀机理的不同和所处环境条件的不同，采用相应的腐蚀控制方法，在油气管道保护过程中应用最为广泛的控制金属腐蚀的方法为以下五类：•1、选择耐腐蚀材料•2、控制腐蚀环境•3、选择有效的防腐层•4、阴极保护•5、添加缓蚀剂•第二节管道防腐层•一、管道的外防腐层•二、管道防腐层的维护一、管道的外防腐层•1、管道的外防腐层的基本要求•（1）与金属有良好的粘结性；•（2）电绝缘性能好；•（3）防水及化学稳定性好；•（4）有足够的机械强度和韧性，耐热和抗低温脆性；•（5）耐阴极剥离性能好；•（6）抗微生物腐蚀；•（7）破损后易修复，并要求价格低廉和便于施工。•2、埋地管道防腐层的主要种类•埋地管道的防腐层种类主要有石油沥青、单（双）层环氧粉末涂层、3层PE以及聚乙烯胶粘带等。•3、单层熔结环氧粉末•（1）性能•熔结环氧粉末防腐涂层最早于1961年由美国开发成功并应用于管道防腐工程，之后在许多国家得到进一步的开发和应用。由于熔结环氧粉末防腐涂层与钢管表面粘结力强、耐化学介质侵蚀性能、耐温性能等都比较好，抗腐蚀性、耐阴极剥离性、耐老化性、耐土壤应力等性能也很好，使用温度范围宽(普通熔结环氧粉末为-30～100℃，成为国内外管道内外防腐涂层技术的主要体系之一。但由于涂层较薄（0.3－0.5ｍｍ），抗尖锐物冲击力较差，易被冲击损坏，不适合于石方段，适合于大部分土壤环境和定向钻穿越粘质土壤。•(2)结构•熔结环氧粉末涂层简称FBE，FBE外涂层为一次成膜的结构。•(3)涂敷•涂敷时钢管外表面喷(抛)射除锈等级应达到GB/T8923中规定的Sa2.5级，钢管表面的锚纹深度应在40～l00μm范围内，并应监测环氧粉末涂敷之前瞬间的钢管外表面的温度，并把温度控制在粉末生产商的推荐范围内，但最高不得超过275℃。•(4)修补•在FBE管道上发现缺陷时，应先清除掉缺陷部位的所有锈斑、鳞屑、裂纹、污垢和其他杂质及松脱的涂层；将缺陷部位打磨成粗糙面，用干燥的布或刷子将灰尘清除干净，用双组分液体环氧树脂涂料进行局部修补。•4、聚乙烯防腐层•（1）防腐层结构•三层结构聚乙烯防腐层简称3PE，其底层为环氧粉末涂料，中层为胶粘剂，外层为聚乙烯，•（2）性能•3PE第一层为环氧涂料，第二层为胶粘剂，第三层为挤出聚乙烯，各层之间相互紧密粘接，形成一种复合结构，取长补短。它利用环氧粉末与钢管表面很强的粘结力而提高粘结性；利用挤出聚乙烯优良的机械强度、化学稳定性、绝缘性、抗植物根茎穿透性、抗水浸透性等来提高其整体性能，使得三层PE防腐涂层的整体性能表现更为突出，更为全面，适用于对覆盖层机械性能、耐土壤应力及阻水性能要求较高的苛刻环境，如碎石土壤、石方段、土壤含水量高、植物根系发达地区。•（3）涂敷•在防腐层涂敷前，先清除钢管表面的油脂和污垢等附着物，并对钢管预热后进行表面预处理，钢管预热温度为40～60℃。表面预处理质量应达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T8923中规定的Sa2.5级的要求，锚纹深度达到50μm～75μm。钢管表面的焊渣、毛刺等应清除干净。•应用无污染的热源将钢管加热至合适的涂敷温度，环氧粉末涂料均匀地涂敷到钢管表面；胶粘剂的涂敷必须在环氧粉末胶化过程中进行；聚乙烯层的涂敷可采用纵向挤出工艺或侧向缠绕工艺。公称直径大于5OOmm的钢管，宜采用侧向缠绕工艺。采用侧向缠绕工艺时，应确保搭接部分的聚乙烯及焊缝两侧的聚乙烯完全辊压密实，并防止压伤聚乙烯层表面;采用纵向挤出工艺时，焊缝两侧不应出现空洞。聚乙烯层涂敷后，确保熔结环氧涂层固化完全，然后用水冷却至钢管温度不高于60℃。•（4）修补•在3PE管道上发现缺陷时，对小于或等于30mm的损伤，宜采用辐射交联聚乙烯补伤片修补。修补时，先除去损伤部位的污物，并将该处的聚乙烯层打毛。然后将损伤部位的聚乙烯层修切成圆形，边缘应倒成钝角。在孔内填满与补伤片配套的胶粘剂，然后贴上补伤片，补伤片的大小应保证其边缘距聚乙烯层的孔洞边缘不小于100mm。贴补时，应边加热边用辊子滚压或戴耐热手套用手挤压，排出空气，直至补伤片四周胶粘剂均匀溢出。•对大于30mm的损伤，先除去损伤部位的污物，将该处的聚乙烯层打毛，并将损伤处的聚乙烯层修切成圆形，边缘应倒成钝角。在孔洞部位填满与补伤片配套的胶粘剂，贴上补伤片。最后，在修补处包覆一条热收缩带，包覆宽度应比补伤片的两边至少各大50mm。•补伤时也可以先清理表面，然后用双组分液态环氧涂料防腐，干膜厚度与主体管道相同，然后贴上补伤片或再加热收缩带。二、管道防腐层的维护•1、防腐层失效的原因•（1）防腐层类型选择不当•（2）防腐补口的质量不好•（3）外力破坏造成防腐层损伤•（4）防腐层自然老化•（5）阴极保护的参数不适当•（6）管理不善•2、防腐层的维护•管道的腐蚀几乎都发生在防腐层严重缺陷或破损的地方，由于管道埋在地下，不便于直接观测和检查，加上土壤环境条件复杂多变，给防腐层的管理维护带来困难。防腐层的维护主要采取以下措施：•（1）经常监测防腐层状况。通常采用定期进行防腐层缺陷检漏、防腐层绝缘电阻测量等方法，分析阴极保护参数的变化情况及原因，判定防腐层质量及损伤程度。•（2）防腐层分级管理。对不同管段、不同状况的防腐层，按其技术状况分级，分别采用不同的维修对策。目前对防腐层是根据其绝缘电阻值从大到小分为五个级别：优、良、中、差、劣。最差的一级需要及时维修更换原有的防腐层。•（3）制定实施维修计划。对检测确定的不同级别的防腐层，分别采取定期检测、修补或更换的措施。•3、防腐层检测•防腐层检测分地面检测和地下检测，地面检测有外观、厚度、粘结力及电火花检漏等。•为了能达到预期的防腐效果,防腐管道在埋地前必须保证其防腐层质量完好,这就需要对防腐层质量进行检测,检测防腐层涂敷是否均匀，厚度是否达到要求。还要检测涂层在工厂制作或运输中是否造成针孔缺陷、裂纹等。管道焊接后的防腐处理是否符合质量要求。•防腐层地下检测•管道在埋地后仍应定期或不定期进行防腐层检测,检测其在埋地后的防腐层质量变化情况:有否破损?破损点位置、大小；防腐层绝缘电阻变化速率等,对埋地管道防腐层状况作出确切的评估，并提出处理建议。4、音频信号检漏法•音频信号检漏法也称“人体电容法”，就是用人体作检漏仪的感应元件,通过相应的仪器（如：SL－6地面检测仪）进行埋地管道防腐层破损检测。它是目前国内输油、输气管道维护和检测的通用方法，用这种方法检测防腐层破损点灵活方便。•①、基本原理及方法当发射机向被检测的管道上施加交流信号时,若该管道防腐层有破损,管道金属部分与大地短路，在防腐层破损点处便会有泄漏电流流入土壤中，这样在管道防腐层破损漏点和土壤之间就会形成电压差，且在接近破损点的部位电压差最大，用仪器在埋设管道的地面上方即可检测到这种电位异常，据此即可发现管道防腐层破损点。•作“人体电容法”时两位检漏员分别与检测仪的检测线芯线两端相连，两人保持5-6m的距离，沿管线以步行速度前进，当走到漏点附近时,仪器显示器信号发生变化，漏点中心信号最强，数值最大，据此即可找到漏蚀点(见图3-3)。据此信号强度变化,来判断防腐层有无破损,并可根据信号异常分布特征来确定漏点位置,推测漏点大小。该仪器探管、检漏同步进行，方便快捷,成功率高。人体电容法(纵向)检漏示意图•②适用性•音频信号检漏法适用于一般地段的埋地管道防腐层检漏，不适用于露空管道、覆盖层导电性很差的管道、水下管道、套管内的管道的防腐层地面检漏；水田或沼泽地、高压交流电力线附近的埋地管道，使用本法进行防腐层检漏比较困难。•第三节管道阴极保护基本知识•一、阴极保护的原理•二、阴极保护的基本参数•三、牺牲阳极阴极保护•四、外加电流阴极保护•五、阴极保护投入运行的调试一、阴极保护的原理•每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位,称之为该金属的腐蚀电位（自然电位），腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子,我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子（如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。•阴极保护的原理：•是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。•1、牺牲阳极法•将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。•在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。•牺牲阳极材料有高纯镁，其电位为-1.75V；高钝锌，其电位为-1.1V；工业纯铝，其电位为-0.8V（相对于饱和硫酸铜参比电极）。•2、强制电流法（外加电流法）•将被保护金属与外加电源负极相连，辅助阳极接到电源正极，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。其方式有：恒电位、恒电流等。如图•外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应，因此，辅助阳极本身存在消耗。•阴极保护的上述两种方法，都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀，需要保护的金属体，提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流，使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。一种是利用电位更负的金属或合金，另一种则利用直流电源。•强制电流阴极保护驱动电压高，输出电流大，有效保护范围广，适用于被保护面积大的长距离、大口径管道。•