地下金属管道腐蚀与防护重点.doc

绪论1，腐蚀分类：化学腐蚀、电化学腐蚀2，电化学腐蚀的特点：（1）介质为离子导电的电解质（2）金属/电解质界面反应过程是因为电荷转移而引起的电化学反应（3）界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的氧化和还原过程（4）电化学腐蚀过程伴随电子的流动3，金属/电解质界面上伴随电荷转移发生的化学反应称为电极反应第一章1，电化学腐蚀依靠腐蚀原电池的作用而进行的腐蚀过程叫做电化学腐蚀。2，电位pH图 （p9）（1）m线： 4H+ + 4e + O2 =2H2O n线： 2H+ + 2e=H2n线之下有H2析出，是H2稳定区；高于m线则有O2析出，是O2稳定区（2）D到D的发生过程 Fe位于D点处生成铁锈的腐蚀过程在该区域内Fe(OH)2和H2O是稳定的，因此在PH=9.612.5的范围内能形成Fe(OH)2钝化膜。腐蚀体系中的电极反应为阳极反应：FeFe2+2e 2H2O=2H+2OH-次生反应：Fe2+2OH-Fe(OH)2阴极反应：2H+1/2O2+2eH2O总反应：Fe+1/2O2+ H2OFe(OH)2 当体系的电位升高至D点以上，在图的右上方D时，随着电位上升，氧的平衡分压增加，Fe(OH)2将进一步氧化成Fe(OH)3阳极反应：2Fe(OH)2+2H2O2 Fe(OH)3+2H+2e阴极反应：1/2O2+ H2O+2e2OH-总反应：2Fe(OH)2+1/2O2+ H2O2 Fe(OH)3欲使图1-6中的B点位置移出腐蚀区，可采用的控制腐蚀措施：a：降低电极电位至非腐蚀区，即通常采用的阴极保护法；b：把Fe 的电位升高至钝化区，即采用阳极保护，或在溶液中注入缓蚀剂，使金属表面形成钝化膜；c：调整溶液PH值，在PH=9.612.5的范围内能形成Fe(OH)2 或Fe(OH)3钝化膜3，腐蚀原电池分类：微电池、宏电池地下管道最常见的腐蚀现象氧浓差电池4，腐蚀原电池作用过程：阳极过程：金属溶解，以离子形式转入溶液，并把当量电子留在金属上；电子转移：在电路中电子由阳极流至阴极；阴极过程：由阳极流过来的电子被溶液中能吸收电子的氧化剂D所接受，其本身被还原5，腐蚀原电池形成条件：有电解质溶液与金属相接触；金属的不同部位或两种金属间存在电极电位差；两极之间相互连通6，腐蚀速度v-是指单位时间内单位面积上损失的质量。g/(m2h)v-=W/St=3600IA/(SFn) S阳极的金属表面积凡是能降低腐蚀电流I的因素，都能减缓腐蚀7，极化腐蚀原电池在电路接通以后，电流流过电极时电位偏离初始电位的现象称为电极。阳极电位往正方向偏移，叫阳极极化；阴极电位往负方向偏移，叫阴极极化。电极极化分类：活化计划；浓度极化；电阻极化活化极化由于电极上电化学反应速度缓慢而引起的极化叫活性极化，（电化学极化）过电位是相对可逆电极偏离平衡态时的电位变化值，它是与电极反应相联系的。活化=a+RT/(nF) lni=a+lni8，腐蚀极化图 p17图1-11EA0 阳极的平衡电极电位，曲线EA0S是阳极极化曲线EC0 阴极的平衡电极电位，曲线EC0S是阴极极化曲线两条极化曲线相交于S，横坐标Icorr表示当电池的回路电阻R等于零时电池中流过的电流，也就是电池可能达到的腐蚀电流最大限度Imax，此时两级电位相等。（1） 腐蚀的控制因素（定义）腐蚀原电池的作用过程是由阳极过程、阴极过程和电子转移三步骤构成，其中阻力最大步骤对腐蚀速度起主要影响，称为腐蚀的控制因素（2） 利用腐蚀极化图，说明腐蚀过程受哪些因素控制（p17图1-12）（a） 的控制因素是阳极极化性能（b）的控制因素是阴极极化性能（c）是混合控制（d）为电阻极化所控制9，金属钝化（1） 引起金属钝化的因素：化学钝化、电化学钝化化学钝化一般在强氧化剂（如硝酸、硝酸银、氯酸、重络酸钾或氧）中钝化，属于化学因素引起的钝化，叫做化学钝化电化学钝化外加电流引起的阳极极化时的钝化，电极电位正移，属于电化学因素引起的钝化，叫做电化学钝化（2） 阳极钝化现象是金属钝化的主要特征之一（3） 典型的阳极极化钝化曲线 （P24 图1-19）AB电流随电位升高而增大，处于金属活化溶解区BC电流急剧下降，处于不稳定状态，为活化/钝化过渡区CD随着电位的正移电流几乎保持不变，是稳定钝化区DE电流再次随着电位升高而增大，为过钝化区化学反应AB：FeFe2+2e BC：2Fe+3H2OFe2O3+6H+6eCD：Fe2+Fe3+e 3Fe+4H2OFe3O4+8H+8eDE：4OH-O2+2H2O +4e钝化参数 ic越小越易钝化；Ec越负越易钝化Ip越小形成钝化膜越好10，土壤腐蚀的原因：电化学腐蚀。土壤是固态、液态、气态组成，充满着空气、水和不同盐类，土壤中有水分和能进行离子导电的盐类存在，使土壤具有电解质溶液的特征，因而金属在土壤中发生电化学腐蚀；电解腐蚀。由于工业和民用用电有意或无意地排入或泄露至大地，土壤中有杂散电流通过地下金属构筑物，因而发生电解作用，电解电池的阳极是遭受腐蚀的部位；细菌腐蚀。土壤中细菌作用而引起的腐蚀11，土壤性质对腐蚀过程的影响：氯离子和硫酸根离子的含量愈大（高于1）时，土壤腐蚀性就越强；土壤结构不同直接影响土壤含水量和透气性，进而影响腐蚀过程；土壤的含氧量（1） 矿物盐：Cl- 、SO2-4 结构：砂土、粘土 含氧量（2） 不同结构的土壤交接时，土壤含氧量、湿度和氧透气性的差别，为形成宏观氧浓差电池准备了条件（3） 一般来说，土壤的含盐量越大，含水量越大，土壤电阻率愈小，土壤腐蚀性也愈强12，土壤腐蚀的特点：由于土壤性质及其结构的不均匀性，不仅在小块土壤内可形成腐蚀原电池，而且因不同土壤交接在埋地管道上形成的长线电流，其宏观腐蚀原电池可能达数十公里；：除酸性土壤外，大多数土壤中裸钢腐蚀的主要形式是氧浓差电池；：腐蚀速度比一般水溶液慢，特别是土壤电阻率的影响大，有时成为腐蚀速度的主要控制因素。13，土壤的细菌腐蚀：厌氧性细菌硫酸盐还原细菌SO42-+8HS2-+4H2O14，影响海水腐蚀的因素: 所含盐类及其浓度；溶解的氧量；温度；流速；海洋生物，出现坑蚀。（金属在海水中的腐蚀过程是受阴极反应中氧的去极化作用控制的，这是一个重要因素）15，海水腐蚀的特点：海水接近中性，含大量氯离子，故海水对钢铁等大多数金属的腐蚀，其阳极极化的程度很小，腐蚀速度主要由阴极反应过程中氧的去极化作用所控制；不同金属在海水中的自然电位与其标准电极电位差异很大，电偶序也有所改变；海水电阻率很小，故腐蚀速率一般比土壤中大得多；注意海洋大气带和飞溅区的特点。飞溅区和潮差区；不同水深处，腐蚀速率不同；腐蚀疲劳，在腐蚀环境中由于交变应能力产生裂纹而引起的破坏。飞溅区和潮差区，构筑物受浪花和海潮的冲击，不仅会发生全面腐蚀，还有坑蚀和冲蚀，需要采取特殊的防腐保护层。16，淡水腐蚀是典型的电化学过程，与水中溶解氧量、水的硬度、含盐量、含硫量、温度、流速、pH值等因素有关17，局部腐蚀的五个类型：缝隙腐蚀；点腐蚀（孔蚀）；晶间腐蚀；应力腐蚀；腐蚀疲劳（1） 缝隙腐蚀（原理）许多金属构件是由螺钉、焊接等方式链接，在这些连接或焊接接头缺陷处可能出现狭小的缝隙，其缝宽足以使电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并在缝内发生强烈的腐蚀，这种腐蚀叫做缝隙腐蚀。（2） 点腐蚀（孔蚀）特点：易于生成钝化膜的金属材料表面容易发生深的点蚀；点腐蚀发生于有特殊离子的介质中；点腐蚀发生在某一临界点位以上。（3） 应力腐蚀（定义）：由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用所产生的材料破坏过程称为应力腐蚀。 应力腐蚀开裂（SCC）埋地管道腐蚀事故的主要原因定义：金属在应力与化学介质协同作用下引起的开裂（或断裂）现象，叫做金属应力腐蚀开裂（或断裂）特征：有静应力，特别是拉伸分量存在；拉应力愈大，则断裂时间愈短；腐蚀介质是特定的机理：阳极溶解；氢致开裂氢致开裂的损伤分类：氢脆（HE）；氢鼓泡(HIB)；氢致台阶式开裂（HISC）(4)腐蚀疲劳（定义）：金属在在腐蚀的环境中与交变应力的协同作用下引起材料的破坏，叫做腐蚀疲劳。疲劳强度（N）：称为表现表观疲劳极限或腐蚀疲劳极限（5）将负荷应力对失效的循环次数作图，称为S-N曲线（P35 图1-27）特征：任何金属在任何介质中都发生腐蚀疲劳环境条件对材料的腐蚀疲劳有严重影响腐蚀疲劳与频率有关腐蚀疲劳的裂纹主要是穿晶对金属材料进行阳极极化可使金属裂纹扩展速率降级18，油气管道中的H2S腐蚀（1） 两大类：电化学腐蚀、氢致开裂（HIC）硫化物应力开裂（定义）：在拉伸应力及H2O和H2S的腐蚀介质联合作用下产生开裂，引起的脆性破坏称为硫化物应力开裂（SSC）（2） 氢致开裂（定义）：按应力腐蚀的机理将阴极析氢反应的H进入金属后对应力腐蚀开裂起决定作用或主要作用的破坏称为氢致开裂（HIC）腐蚀过程生成的氢原子，在硫离子的影响下，在管材热影响区的MnS夹杂出富集，加之热影响区的金相组织硬度高，内应力大，常是裂纹的主要形核位置，形成裂纹源，产生氢致开裂（HIC）（3） 硫化物应力开裂的影响因素：钢材的强度（硬度）；钢材的金相组织直接影响其抗硫性能；钢中P、S含量要很低，形成的MnS夹杂尽可能少；冷加工或机械损伤的影响。（4） 对于湿H2S环境，应考虑温度、PH值、H2S的浓度（或分压）、溶液中的杂质（NaCl、HCN）等因素（5） 影响氢脆发生的主要因素：敏感的金相组织；足够的含氢量；足够的拉应力 19，导致管线破裂最危险的地段延压缩机站下游30km左右20，“阴极保护屏蔽”就是指阴极保护系统中保护电流到达被保护金属表面的数量减少的任何情况。21，造成套管内管体腐蚀的原因：套管与管道发生短路；套管对管道的阴极保护系统起到屏蔽作用，使穿越段的管道达不到有效保护22，套管内的防护采用的措施：钢套管要作外壁防腐；在环形空间注入填充物；在套管环形空间安装牺牲阳极（棒状或带状）；采用外加电流阴极保护；新建的穿越工程尽量不采用套管23，输气管道H2S腐蚀的控制：选择耐蚀材料；控制腐蚀环境，关键是脱水，脱除水、氧、硫等；选择有效的内防腐层或缓蚀剂，以保护模形式隔离腐蚀环境与钢管接触；加强和完善管理体制第二章1，对于地下水位低，地表植被较差的地段，采用石油沥青防腐层可以获得最大的投入产出比2，焦煤油瓷漆具有优良的防腐性能，比较经济适用，特别是适合于穿越沙漠、盐沼地等特殊环境3，几种合成树脂防腐层：聚烯烃胶粘带；熔结环氧粉末；挤出聚乙烯；三层PE复合结构4，沼泽地区管道的防腐层：有三层，第一层保证粘结及电绝缘性；第二层为特殊的抗水层；第三层为加重管道及保证机械强度保护层5，选择防腐层的原则：基本原则是确保管道防腐绝缘性能。在此基础上，在多石地段或河流穿越段，应选用机械强度较高的熔解环氧、挤出聚乙烯或双层、三层聚乙烯防腐层；在氯化物盐渍土壤地段应选用熔结环氧、挤出聚乙烯及煤焦油瓷漆等耐氯离子腐蚀的防腐层；在沼泽地段，应选用长期耐水耐化学和腐蚀性的挤出聚乙烯及煤焦油瓷漆防腐层；在碳酸盐型土壤中，可选用耐CO32-腐蚀的石油沥青和聚乙烯胶粘带；在输送介质温度高的条件下，优先选用熔解环氧或改性聚丙烯等耐高温材料6，机械喷涂分类：空气喷涂、高压无空气喷涂、静电喷涂、粉末喷涂7，喷砂除锈指用压缩空气将磨料高速喷射到金属表面，依靠磨料的冲击和研磨作用，将金属表面的铁锈和其他污物清除8，抛丸法是利用高速旋转的叶轮，将进入叶轮腔体内的磨料在离心力作用下又开口处以45o50o的角度定向抛出，射向被除锈的金属面 第三章1，阴极保护原理（P83 图3-1）暂不考虑腐蚀电池的回路电阻，则在未通电流保护以前，腐蚀原电池的自然腐蚀电位为E，相应的最大腐蚀电流IC。通上外加电流后，由电解质流入阴极的电流量增加，由于阴极的进一步极化，其电位将降低。如流入阴极电流为ID，则其电位降至E，此时由原来的阳极流出的腐蚀电流将由IC将至I。ID与I的差值就是有辅助阳极流出的外加电流量。为了使金属构筑物得到完全保护，即没有腐蚀电流从其上流出，就需进一步将阴极极化到使总电位降至等于阳极的初始电位EAo，此时外加的保护电流为IP。从图上可以看出，要达到完全保护，外加的保护电流要比原来的腐蚀电流大得多。显然，保护电流IP与最大腐蚀电流IC的差值决定于腐蚀电流的控制因素。受阴极极化控制时，二者的差值要比受阳极极化时小得多。因此，采用阴极保护的经济效果较好。2，阴极保护法：牺牲阳极法；强制电流法；排流保护3，阴极保护参数：自然腐蚀电位；保护电位；保护电流密度；阴极保护保护度4，保护电位：碳钢在土壤及海水中的最小保护电位是 -0.85V（CSE）左右；对于沥青防腐层取最大保护电位 -1.20 V（CSE）；聚乙烯防腐层的最大保护电位 -1.50 V（CSE）5，世界通用准则 -850mV（CSE）适用于各种土壤环境中钢铁构筑物的阴极保护6，管道实施阴极保护的基本条件：有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流；管道必须处于有电解质的环境中；保持管道纵向电连续性；为确保阴极保护的有效性和提高保护率，必须做好管道的电绝缘7，设计辅助阳极地床，应考虑两个问题：阳极材料的消耗；阳极气体产物的逸放一般阳极应在焦炭回填料地床工作8，1959年，含Cr 4.5的高硅铸铁问世，提高了材料的抗氯离子腐蚀能力。含Si量不小于14.5，不大于18时，能保持较低腐蚀率9，柔性阳极，特别适用于高电阻率，管道覆盖层质量劣化的场合，它可以平行管道敷设，改善沿线电流分布10，当Mg-Mn合金作为牺牲阳极时，其电流效率的高低取决于Mg原料纯度，越纯电流效率越高，电位也越负11，Zn-Al-Cd溶解性能好，电流效率高，制造容易，价格低廉，得到广泛应用。在锌内添加0.3的Al和0.