阴极保护培训

陕京管道阴极防护•第一章金属的腐蚀•第二章管道外防腐层•第三章管道阴极保护•第四章管道阴极保护主要参数•第五章管道阴极保护参数测试第一章管道阴极保护的作用•第一节金属的腐蚀金属从矿石中提炼出来时，需要提供很大的能量，使其处于一个高能级状态。这些矿石是典型的金属氧化物，如用来炼钢的赤铁矿（Fe2O3）。热力学的一个规律是：材料总是趋向于以最低能量状态存在。因此，多数的金属处于热力学不稳定状态，具有寻求低能量状态的倾向，如形成氧化物或其他化合物。金属转化成低能量氧化物的过程就是腐蚀。第二节管道腐蚀防护的意义•腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素之一。据美国国家输送局统计，美国45%的管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和集气管线的泄露事故中，有74％是腐蚀造成的。1981～1987年前苏联输气管道事故统计表明，总长约24万公里的管线上曾发生事故1210次，其中外腐蚀517次，占事故的42.7％；内腐蚀29次，占2.4%；因施工质量问题造成的事故280次，占23.2%。•管道的安全性是一个非常重要的问题，日益受到人们的重视。随着管道的大量敷设和运行时间延长，管道事故时有发生。由于管道所输送的物质一般为有害物质，一旦发生泄漏或断裂，就会对其周围的环境和人员产生严重的后果。输气管道，尤其是高压输气管道，一旦破裂，压缩气体迅速膨胀，释放大量的能量，引起爆炸、火灾，会造成巨大的损失。例如，１９６０年美国Transwestern公司的一条Ｘ５６钢级的、直径为７６２毫米的输气管道破裂，破裂长度达１３公里。１９８９年６月苏联拉乌尔山隧道附近由于对天然气管道维护不当，造成天然气泄漏，随后引起大爆炸，烧毁了两列铁路列车，死伤８００多人，成为１９８９年震惊世界的灾难性事故。•六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。•第三节：腐蚀概念腐蚀是金属和周围环境起化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。腐蚀是一种化学过程，而且大多都是电化学过程，伴随着氧化-还原反应的发生。铁锈的成分比较复杂，通常简略用Fe2O3·xH2O表示。铁锈是一种松脆多孔的物质，它不能保护里层的铁不被锈蚀。腐蚀的管道关于电极的一些基本规定1.按电极电位的高低分：电位高者为正极；电位低者为负极。并规定外电路中电流方向：正极→负极2.按电极反应分：发生氧化反应者为阳极；发生还原反应者为阴极。3.一般地，对原电池的电极称正极或负极；对电解池的电极称阳极或阴极。电化学腐蚀在接近环境温度的情况下，绝大多数常见工程材料的腐蚀发生在含水的环境里，其本质是电化学的。含水环境同样也指那些电解质或是埋地腐蚀时的潮湿土壤。腐蚀过程包括金属失去电子（氧化），以及其他还原反应中得到电子，比如氧或水的还原•没有阴极保护时：阴极部分反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-阳极（防腐层破损处）Fe=Fe2++2e-•施加阴极保护后，阴极(防腐层破损处)反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-(电位在-0.85v～-1.15v之间)H2O+2e-=H2+2OH-（电位比-1.15v更负）阳极反应：2H2O-4e-+4Cl-=O2+4HCl•电化学腐蚀发生的条件是：●有电解质溶液和金属相接触；●金属的不同部位或两种金属间存在电极电位差（也就是形成了阳极和阴极）；●电极之间相互连通•电化学腐蚀的前提是形成腐蚀电池，两个浸在电解质中的导体组合称为原电池，其中的导体称为电极。参与反应的电池主要有以下三种类型：异种电极电池；浓差电池（在实际中更重要的是充气差异电池，例如缝隙腐蚀）；温差电池。实际的腐蚀过程可能是这三种腐蚀电池的混合形式腐蚀电池的形成的几种情况腐蚀电池的形成主要有以下几种情况：微电池：1、金属化学成分不均匀；2、金属组织不均匀；3、金属物理状态不均匀；4、金属表面膜不完整；5、土壤微结构的差异。宏电池：1、不同金属与同一电解质相接触（如管道本体金属与焊缝金属）2、同种金属接触不同的电解质溶液（如氧气浓差电池，氧的电极平衡可写成1/2H2O+1/4O2+e→OH-，氧分压高的为阴极，氧分压低的为阳极）3、不同金属接触不同的电解质。腐蚀类型•按部位分：内壁腐蚀、外壁腐蚀•按形态分：全面腐蚀、局部腐蚀•按机理分：化学腐蚀、电化学腐蚀第三节管道腐蚀的检测腐蚀的电化学特征，使得检测和减缓埋地结构的腐蚀成为可能，我们可以检测腐蚀过程伴随的电压和电流。测量腐蚀电位值的另一个作用是评判腐蚀是否会发生。通常用电位测量来检查埋地管线上存在的各种腐蚀电池。与管道做一个电连接，就可以通过放置在管道上方的参比电极测量管道的电位。第二章管道外防腐层•第一节管道外防腐层采用外防腐层和施加阴极保护是管道外腐蚀防护的主要手段，尽管在后面的章节中将要对这两种方法仔细讨论，这里还是要进行一下简单的介绍。防腐层的用意是要在金属表面上形成一层绝缘材料的连续覆盖层，将金属与其直接接触的电解质之间进行绝缘（防止电解质直接接触到金属），也就是设置一个高电阻使得电化学反应无法正常发生。在现实中，所有的防腐层，不论总体质量如何都存在不连续点，也被称做漏点，这些漏点一般是在涂敷、运输或者安装过程中产生的。很多管道从竣工投产到以后的日常运行中，经常处于外防腐层有严重破损的状态下。防腐层漏点一般是由于防腐层老化、土壤应力或是管道在土壤中移动而产生的，有时也可能来自未被及时发现的第三方破坏。在用防腐层的老化有可能导致防腐层从管道表面剥离，进而将金属暴露在地下环境中•理想的外防腐层应具有如下特性：（1）有效的电绝缘体；（2）有效的水分屏障；（3）涂敷方法和过程对管子不产生不利影响；（4）采用产生最少缺陷的方法涂敷到管子上；（5）与管子表面有很好的附着力；（6）抵抗随时间推移产生的漏点的能力；（7）抵抗转运处理、保管储存、安装过程中的损伤的能力；（8）在长时间保持稳定的电阻率；（9）抗剥离；（10）抗化学降解；（11）容易修理；（12）保持物理特性；（13）对环境没有毒害性；（14）抵抗地面储存和长途运输过程中的变化和恶化的能力。•外防腐层选择要考虑的因素包括：（1）环境类型；（2）管线系统在地理位置上的易接近性；（3）管线系统的运行温度；（4）在运输、保管储存、架设、安装和压力测试过程中的周围环境温度；（5）管线的地理和物理位置；（6）系统中已有管线的外防腐层类型；（7）转运处理和保管储存；（8）管线安装方法；（9）成本；（10）管子表面预处理要求。第二节常见的管道外防腐层•石油沥青防腐层的特点(1)石油沥青属于热塑性材料，低温时硬而脆，随温度升高变成可塑状态，升高至软化点以上则具有可流动性，发生沥青流淌的现象。(2)沥青的密度在1.01～1.07g／cm3之间。(3)沥青的耐击穿电压随硬度的增加而增加，随温度的升高而降低。(4)抗植物根茎穿透性能差。(5)不耐微生物腐蚀•煤焦油瓷漆具有哪些基本特点(1)吸水率低，抗水渗透。(2)优良的化学惰性，耐溶剂和石油产品侵蚀。(3)电绝缘性能好。(4)粘结性优于石油沥青。(5)抗植物根茎穿透和耐微生物腐蚀。(6)低温发脆，热稳定性差。(7)施工熬制和浇涂的过程中容易溢出有害物质，对环境和人体健康有影响。我国塔中轮南原油和天然气管道、靖边西安天然气管道等均采用煤焦油瓷漆防腐层•环氧煤沥青防腐蚀层的特点由环氧树脂、煤沥青、固化剂及防锈颜料所组成的环氧煤沥青防腐涂料具有：(1)强度高、绝缘好、耐水、耐热、耐腐蚀介质、抗菌等性能，适用于水下管道及金属构筑物防腐。(2)施工简单(冷涂工艺)、操作安全、施工机具少等优点。(3)较石油沥青、煤焦油瓷漆更优越。(4)环氧煤沥青防腐蚀层属于薄型涂层，厚度小于1mm，而且对钢管表面处理、环境温度、湿度等条件要求很严，稍有疏忽就会产生针孔，影响防腐效果。因此，施工中应特别注意。环氧煤沥青防腐层在我国石油及供水工程中应用较为广泛。•熔结环氧（FBE）最早的商业使用是在1961年底，很长一段时间以来，它只适用于3/4到45/8英寸管子的外防腐层，但是现在在北美可以用到直径48英寸（1220cm）。由于价格适中，厚度在8-10密尔（203.2-254.0µm）的熔结环氧比其它防腐层在管道上更有竞争力。目前该防腐层系统厚度发展到从最小12密尔涂敷到25密尔（304.8-635µm），并且从需要底漆和加热发展到不需要底漆并且多数情况下不需要加热。上世纪90年代，新的双层熔结环氧发明，提高了抗吸湿和抗磨损的能力。熔结环氧防腐层涂敷工艺中每个步骤要求都非常严格，需要仔细、认真完成以保证防腐层质量。表面处理必须达到NACENo.2标准中的近白级金属表面，这样才能在熔结环氧涂敷后保证合格。其最大的特点是良好的土壤和阴极剥离的抵抗能力。为提高该防腐层系统的机械性能，目前趋向于按16密尔（406.4µm）的标准涂敷得更厚。•聚烯烃塑料胶粘带防腐蚀层(1)在制成的塑料带基材上(一般为聚乙烯或聚氯乙烯，厚0.3mm左右)，涂上压敏型粘合剂(厚0.1mm左右)即成压敏型胶粘带，是目前使用较为普遍的一种类型。(2)它是在掺有各种防老化剂的聚乙烯带材上，挂涂特殊胶粘剂而制成的一种常温下有压敏粘结性能，温度升高后能固化而与金属有很好的粘结力的防腐材料。(3)它可在管道表面形成一个完整的密封防腐蚀层。(4)压敏型胶粘带防腐作用主要由塑料基带承担，粘合剂只作为缠绕时的粘合媒介。(5)胶粘带的另一种类型称自融型带，它的塑料基布薄(0.1mm左右)，粘合剂厚(约0.3mm)。(6)塑料布主要起挂胶作用，而粘合剂则具有防腐性能。(7)由于粘合层厚，可以很好地关闭带层之间的间隙，有效地防止水分从间隙侵入。•三层PE防腐层采用聚乙烯对钢管进行防腐，是近年来逐步推广开来的一种钢管防腐技术。聚乙烯涂层的主要特点是：(1)防腐性能极佳，可耐受在自然环境下存在的各种腐蚀。(2)具有较高的质价比。(3)绝缘性能极好，而且在干燥条件下与长期浸水条件下电性能基本不变，可有效的防止杂散电流引起的电化学腐蚀；。(4)耐微生物腐蚀及深根植物根刺能力强，不发生植物根穿透现象；(5)强度高，可以直接用含有直径≤Φ25mm的非人工粉碎砾石的土回填而不会造成任何损伤；抗阴极剥离能力强；(6)产品质量稳定，有利于全面质量控制；(7)使用寿命长，在≤60℃的条件下可以使用50年以上。三层PE结构示意图•底层：熔结环氧底层（primer）,厚度60～80μm；•中间层：共聚物热熔胶(adhesive),厚度170～250μm；•外层（背层）：聚乙烯防腐层（polyethylene）,厚度2.5～3.2mm•根据德国调研数据,三层PE防腐层的使用寿命可在30年以上，阴极保护电流密度在1～5µA/m2，是一种性能优异的外防腐防腐层。•在工程应用上，从强度方面考虑，三层PE分为普通型和加强型，普通型防腐层总厚度为3.0mm左右，加强型防腐层总厚度超过3.7mm；从使用环境方面考虑分为常温型（低于50℃环境使用）和高温型（最高设计温度为70℃）。为满足更高环境温度下的使用需要，目前已成功研制并使用了三层结构聚丙烯防腐层（三层PP）。外防腐层补伤•完成焊接的管道，一般需要下沟、回填使其成为埋地管道，为及时发现和修补在各施工环节中涂层存在的缺陷，回填前必须对管道进行涂层检漏和补伤，最常用的检漏仪器通常都是用电池并配有一些类型的管道环型电极。电极安装应方便操作者能将环型电极在管道表面推过或拉过，以使得电极能够扫过涂层表面的所有部分。•常用的补伤材料为辐射交联聚乙烯补伤片。对于小于30mm的缺陷，补伤时先将破损处污物清除，破损处周围原PE涂层打毛，切成圆形，边缘打成钝角，将整个须修补部位加热后，在破损处填满补伤用胶粘剂，最后贴上补伤片。对于大于30mm的缺陷，使用上述方法补伤后，建议外部再用热收缩带补伤。第三章管道阴极保护化学腐蚀电化腐蚀条件金属跟非金属单质直接接触不纯金属或