第五章储运工程中金属腐蚀的特点及防护方法

2022/5/8西南石油学院储运研究所1第五章储运工程中金属腐蚀的特点及防护方法第一节地下管路腐蚀特点和防护方法一、腐蚀特点油气产地与加工利用、消费区域位置的不一致，常常需要采用长距离管道运输。从偏僻的矿区或海上油气田到繁华的城市，管道要翻山越岭，穿越江河湖海，跨过冻土、峡谷。占管道大部分的埋地管道，主要受不同的土壤腐蚀，并受杂散电流和细菌的影响。2022/5/8西南石油学院储运研究所2管道内部输送的油气介质中，常含有游离水、各种盐类、二氧化碳、硫化氢等腐蚀介质，也多有腐蚀性。因此，管道外壁，内壁均可能遭受腐蚀。由于所输介质是易燃易爆的石油和天然气，输送压力又比较高，腐蚀可能造成严重的事故和巨大的经济损失。2022/5/8西南石油学院储运研究所3二、防护方法针对产生腐蚀的原因，国内外常采取下述防腐蚀措施：l、选用耐腐蚀材料在特定环境下选用耐腐蚀材料在经济上也是合理的。在国外城市煤气管网中逐步推广应用聚氯乙烯管。在海洋油气管道中建议采用含铜钛的合金钢管等。2、在输送或储存时的介质中加入缓蚀剂抑制内壁腐蚀。2022/5/8西南石油学院储运研究所43、采用内、外壁防腐涂层在管道内壁喷涂环氧树脂等，不仅可以防止内壁腐蚀，还可以减少输送介质的摩阻。外壁涂层主要用沥青玻璃布和塑料涂层。4、采用阴极保护在管道上通以阴极电流防止管道外壁由土壤造成的腐蚀。由于难以做到绝对完好的表面涂层，所以管道的腐蚀控制提倡外涂层与阴极保护联合应用。这样涂层不至于太厚，保护电流也小。见表5－l。2022/5/8西南石油学院储运研究所5表5－l不同类型覆盖层所需的保护电流密度2022/5/8西南石油学院储运研究所6三、防腐绝缘层所有埋地金属管道表面都应涂防腐蚀的覆盖层，或习惯称为防腐绝缘层，其功能在于隔绝腐蚀介质、切断腐蚀电池的外部电路，是管道防腐的第一道防线。(一)防腐绝缘层的质量要求防腐绝缘层质量的优劣主要取决于它的粘结力和耐老化性。要得到性能良好的覆盖层，除选用合适的材料外，还需选用先进的施工工艺。其质量必须满足下述要求：2022/5/8西南石油学院储运研究所7l、有良好的电绝缘性覆盖层电阻率不应小于10,000Ωm2；耐击穿电压强度不得低于按种类制定的标准指标。2、有一定的耐阴极剥离强度的能力。3、足够的机械强度有一定的抗冲击强度，以防止由于搬运和土壤压力而造成的损伤；有良好的抗弯曲性，以确保管道施工时不致因受弯曲而损坏；有较好的耐磨性，以防止由于土壤摩擦而损伤；有足够的强度指标；与管道粘结性能良好。2022/5/8西南石油学院储运研究所84、有良好的稳定性耐大气老化性能好；化学性能稳定；耐水性好吸水率低；耐热性能好，既保其在使用温度下不变性、不流淌、不加速老化；耐低温性能好，确保在低温条件下不龟裂、不脱落。5、覆盖层破损后修补容易。6、抗微生物性能好。(二)常见外防腐绝缘层，见表5－2。2022/5/8西南石油学院储运研究所9表5-2外防腐层的性能及使用条件2022/5/8西南石油学院储运研究所10沥青防腐层结构或称防腐绝缘层等级，一般分为普通级、加强级和特加强三种。根据埋设处的土壤腐蚀性等因素来选择，如对于穿越河流、铁路、居民区、有杂散电流影响等地段，采用加强或特加强级。七十年代以来，随着管道向极地、海洋等自然条件严酷地区的发展和加热输送管道的增多，管道防腐层的选用着眼于发展复合材料或称复合结构，以满足防腐、绝缘、保温、增强和加重等多功能的要求。2022/5/8西南石油学院储运研究所11(三)特殊情况下的外防腐层1、防腐保温涂层用于热油管道的保温、防腐的复合结构。常用硬质、闭孔的聚胺酯泡沫塑料作保温层，外面再包覆高密度聚乙烯，形成外壳。2、水下管道防腐涂层目前在海洋管道上采用的较典型的结构是在无机锌二次处理的底漆上涂敷环氧树脂的粘结层和中间加强层，最外层是聚丙烯乙烯树脂。2022/5/8西南石油学院储运研究所123、沼泽地区的地下管道其特点是土壤含水率高，沼泽土中含有较多的矿物盐、有机酸、碱等，还有细菌腐蚀。因季节变化土壤的膨胀收缩严重，故对沼泽地区防腐层的化学稳定性及电绝缘性要求更高。一般由三层组成，第一层保证粘结及电绝缘性，第二层为特殊抗水层，第三层为加重管道及保证机械强度的保护层。4、用顶管法敷设的管道管道的穿越管段用顶管法施工时，绝缘层必须有较高的抗剪耐磨强度。在长期使用下不修理，仍能保证可靠的抗蚀能力。2022/5/8西南石油学院储运研究所13四、管道的阴极保护目前已广泛采用阴极保护方法来保护地下和水中的金属构筑物，阴极保护就是要消除金属结构上的阳极区，使金属腐蚀得到控制。埋地油气管道根据不同的环境，选用外加电流的阴极保护或牺牲阳极的阴极保护。(一)阴极保护参数为使某一腐蚀过程得到抑制，外加的保护电流必须达到一定的数值，或使经外电流极化后的阴极电位降到一定的值。故在阴极保护中常采用最小保护电位或最小保护电流密度作为衡量是否达到完全保护的指标。2022/5/8西南石油学院储运研究所141、最小保护电位为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的电位称为最小保护电位，也就是腐蚀电池阳极的起始电位。其数值与金属的种类、腐蚀介质的组成。浓度及温度等有关。根据实验测定，碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为-0.85伏左右（相对饱和硫酸铜电极）。在细菌繁殖激烈的地区，此值还需要负移100毫伏，即-0.95伏。按此数值保护的管道，保护度一般在95％以上。2022/5/8西南石油学院储运研究所15也有人主张采用比自然电位负0.25～0.3伏的数值作为最小保护电位，当有生物腐蚀共同存在时电位而负移O.4伏。后一标准适用于裸管或保护层很差的管道，以免浪费电流。对于保护良好的埋地管道，两种标准在数值上是相近的。2、最小保护电流密度最小保护电流密度是指为使金属得到完全保护，所必需加入的最小保护电流密度。最小保护电流密度的数值与金属和腐蚀介质的性质、组成，绝缘层质量等许多因素有关。在不同条件下其数值变化很大。钢在不同介质中的最小保护电流度见表5－3。2022/5/8西南石油学院储运研究所16表5－3钢在不同介质中的最小保护电流密度表面状态不同的钢管，最小保护电流密度见表4－4，可以看出：裸管比有绝缘层的管道需要的保护电流密度大得多；土壤电阻率愈小，需要的保护电流密度愈大。2022/5/8西南石油学院储运研究所17表5－4不同表面状况钢管的最小保护电流密度2022/5/8西南石油学院储运研究所18由于在实际工作中很难测定腐蚀电池的阴、阳极的具体地点和面积大小，故上表所列数据都是按与电解质接触的整个被保护金属表面计算的，类似的试验数据对于较小的金属构筑物，如油罐的罐底、平台的桩柱等是适用的。对于沿途土壤电阻率和防腐层质量变化较大的长距离管道，则往往偏差较大。故对于管道的阴极保护，常以最小保护电位和最大保护电位作为衡量标准。2022/5/8西南石油学院储运研究所193、最大保护电位管道通入外加电流后，其负电位提高到一定程度时，土壤液中的H+会在阴极上还原，管道表面析出氢气。氢的析出会减弱甚至破坏绝缘层的粘结力，加速绝缘层的老化。不同绝缘层的析氢电位不同。沥青绝缘层在外加电位低于-1.2伏时开始有氢气析出，当电位达到-1.5伏时有大量氢气析出。因此，对于沥青绝缘层最大保护电位取-1.2伏（相对硫酸钢电板）。聚乙烯涂层的最大保护电位可取-1.50伏。其它防腐绝缘层，最大保护电位应经过实验确定。如聚乙烯涂层的最大保护电位可取-1.5伏。2022/5/8西南石油学院储运研究所20五、阴极保护的干扰腐蚀l、金属构筑物的阴极保护系统，其保护电流流入大地，引起土壤电位改变，使附近的金属构筑物受到地电流的电解腐蚀，这种腐蚀称为干扰腐蚀。干扰腐蚀可分为以下几种类型：a.阳极干扰在阳极地床附近的土壤将形成正电位区，其数值决定于地床的形状、土壤电阻率及地床输出电流，若有其它金属管路通过这个区域，则有电流从靠近阳极地床部分流入而从管道另一部分流出，在流出地方发生腐蚀。这种情况称为阳极干扰。2022/5/8西南石油学院储运研究所21b.阴极干扰阴极保护的管路，附近的土壤电位较低，若有其它金属管路经过这个区域时，则有电流从远端流入金属管路，而从靠近阴极保护管路的地方流出，流出的地方发生腐蚀，称为阴极干扰。阴极干扰影响的范围较小，通常局限于管路交叉处。2022/5/8西南石油学院储运研究所22c.合成干扰在城镇或工矿区，长输管路常常经过阴极保护系统的阳极地床后又经过阴极区域，在这种情况下其干扰腐蚀由两方面合成。在阳极区获得电流又在交叉处阴极吸引下泄放电流引起腐蚀，从而构成合成形式的干扰腐蚀。2022/5/8西南石油学院储运研究所23d.诱导干扰土壤中电流以某一金属构筑物作媒介所引起的腐蚀称诱导干扰蚀。如地下金属管路经过某阴极站的阳极地床附近而不靠近阴极，但是它靠近另一条地下管路（或其它金属构筑物）此管路恰好又与被保护管路交叉，在这样情况下，将有电流从阳极区附近进入靠近的管路经交叉管道最后在阴极区流出。在这两条管路流出电流的部位遭到腐蚀。2022/5/8西南石油学院储运研究所24e.接头干扰接头处由于电位不平衡而引起的腐蚀。例如油气田回注水管道，在绝缘法兰两端管路内壁上引起的腐蚀称接头干扰蚀。干扰腐蚀形式见图5－17。2.对干扰腐蚀，可采取下述防护方法：a．提高防腐绝缘层的质量。b.设计时应使未保护管道尽可能远离用极保护系统。c.对于阳极干扰腐蚀，可以在距阳极较远有电流从管道流出的部位安装一个牺牲阳极，使干扰电流经牺牲阳极流入地下。2022/5/8西南石油学院储运研究所25图5—17干抚腐蚀示意图a.阳极干抚b.阴极干抚c.合成干扰d.诱导干扰e.接头干扰2022/5/8西南石油学院储运研究所26d.采用“均压线”方法，即将未保护管道与阴极保护道用导线连接起来，同时进行阴极保护。其连接点最好放在腐蚀最强的地方，在接头的连线中附加一电阻器。以便调节未保护管道受保护的程度。对于平行管道，可采取一个阴极站综合保护在管道沿线每隔500米左右进一均压线，保持各处电位平衡。但要注意防止在切断电源时在平行管道之间由于自然电位不同而形成腐蚀电池。2022/5/8西南石油学院储运研究所27六、交流输电线对管道的影响一般来说，交流电引起的腐蚀比直流电小，象钢、铅和铜这些金属因60周交流电引起的腐蚀，大约为直流电的1%或更小一些。但是，当高压电线与管道平行架设时，由于蓄电场和交变磁场的影响，在管道上感应出交流电压和电流，它对管道的影响和危害是不可忽视的。2022/5/8西南石油学院储运研究所28在交、直流叠加的情况下，交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，使腐蚀加速。交流干扰电压还会影响牺牲阳极的保护性能，不仅使电流效率下降，当交流干扰电压超过某一范围内时，还会发生极性的逆转。尤其是镁阳极，当交流电压大于10伏时，就可能逆转。管道上为什么会产生交流电压？交流电压的出现可能造成什么后果？怎样克服交流电压的影响？2022/5/8西南石油学院储运研究所291、交流电对管道的影响把管道看作输电线附近的一根导线，输电线对它的影响可分为四种耦合方式：传导——即带电部分直接与管道接通。电容耦合——由于输电线、管道和大地均可看作导体，因此输电线路上的电压可通过电容耦合传给管道和大地。电磁感应——一根载有交流电的导线周围必然有交变磁场存在，处于这个交变磁场中的管道上就会产生感应电动势。2022/5/8西南石油学院储运研究所30电解耦合——土壤中有交流电通过，致使通过该地区的管道在一定的土壤电位梯度下产生电解腐蚀。a.交流电对地下管道用极保护系统的干扰在输电线正常运动时，管道上可能出现连续和持久的交流感应电压，它会使管道沿线的保护电位发生变化。据国内外实测3～4伏的交流干扰电压在非碱性土壤中就可能使有阴极保护的管道发生交流腐蚀。在碱性土壤中，10伏以下的干扰电压可认为是安全的。较高的交流电压也会加速绝缘的老化。2022/5/8西南石油学院储运研究所31b.瞬时过电压对人身和设备的危害中性点直接接地的输电线发生单相短路接地的故