（材料学专业论文）喷锌球墨铸铁管的短周期电化学腐蚀行为研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 目前喷锌防腐已普遍运用于球墨铸铁管道材料中。国内外在喷锌防腐的应用方面已做了 大量研究工作，然而有关球墨铸铁管喷锌防腐方面的研究却不多见，在国内则几乎为空白。 本文采用电化学方法，重点研究喷锌层对球墨铸铁管的防腐保护效应及机理。试验包含三个 方面：喷锌层的保护效应、锌重的影响及球墨铸铁管的腐蚀速率研究。 喷锌层的保护效应采用电化学“二电极”方法定期测定受损喷涂沥青和喷锌( 1 3 0 g m 2 ) 球墨铸铁管样品在5g ，l n a c i 溶液中电位的变化规律并观察记录样品损伤处首次出 现红锈的时间及形貌演变。试验表明，铁的保护电位为0 7 8 0v ( s c e ) 。样品电位高于0 7 8 0 v ( s c e ) 即有红锈出现。相对于沥青涂层，喷锌层对铸管防腐提供了有效的阴极保护及自 愈合保护。 锌重的影响采用电化学“二电极”方法，定期测定三种重量喷锌层( 9 0 、1 3 0 和2 0 0g m 2 ) 的球墨铸铁管样品在5g l n a c i 溶液中电位的变化规律，并观察记录样品首次出现红锈的时 间及形貌演变。试验发现，随喷锌层单位面积重量增加，其对球墨铸铁管基体的防腐效果呈 非线性改善。比较三种锌重的相对保护周期，并考虑喷锌成本，建议球墨铸铁管采用2 0 02 ，m 2 的喷锌工艺。 运用t a f e l 极化法和线性极化法测定喷砂和喷锌样品在盐水和泉水里的腐蚀速率。结果 表明，3 个月周期内喷砂样品在盐水及泉水里的平均腐蚀速率变化均较为平缓：在两 种介质中第l 天喷锌样品的腐蚀相对较快中后期喷锌样品速率大大降低，1 个月后远低于 喷砂样品的腐蚀速率：总体上两种样品在盐水里比在泉水里腐蚀严重，这主要由于盐水中 c r 及泉水中阴极抑制型缓蚀剂的存在。 关键词：喷锌，电化学，红锈， 本文中文字数4 4 6 4 2 图6 0 幅， 阴极保护，自愈合，极化 表1 6 张，公式7 条试验次数6 0 0 次 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u i g ht h ea p p l i c a t i o no f z i n cc o a t i n gt oa n t i c o r r o s i v ep r o t e c t i o no f i r o na n ds t e e lp a r t sh a s b e e nc o n d u c t e de x t e n s i v e l y ，f e wr e s e a r c h e si n t ot h ea n t i c o r r o s i v ep r o t e c t i o ne f f e c to fz i n cc o a t i n g o nd u c t i l ec a s th - o n ( d c i ) p i p e sh a sb e e nf o u n di ni i t e r a t u r eu pt on o w 1 1 1 ea n t i c o r r o s i v e p r o t e c t i o ne f f e c to fz i n cc o a t i n go nd c ip i p e sw e r es t u d i e di n t e n s i v e l yu s i n ge l e c t r o c h e m i c a l t e c h n i q u ei nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gt h ep r o t e c t i v ee f f e c to fz i n cc o a t i n gt h ee f f e c to f t h ew e i g h to f z i n cc o a t i n ga n dt h ec o n o s i v ev e l o c i t yo f d c ip i p e s i ns t u d y i n gt h ep r o t e c t i v ee f f e c to f z i n cc o a t i n g ，b i t u m e np a i n t e da n dz i n cc o a t e d ( 1 3 0g m ) d c ip i p es a m p l e sw i t l ld a m a g e sw e r ei n m a e r s e di n5 玑n a c ls o l u t i o n , t h ee v o l u t i o no ft h e e l e c t r o c h e m i c a ip o t e n t i a io ft h es a m p l e sw a sm e a s u r e dp e r i o d i c a l l yu s i n ge l e c t r o c h e m i c a l t w o e l e c t r o d e s ”t e c h n i q u e a n dt h et i m et of i r s tr e dr u s t i n ga n dt l l em o r p h o l o g ye v o l u t i o no ft h e d a m a g e da r e aw e r er e c o r d e d i tw a sf o u n d e dt h a tt h ep r o t e c t i v ep o t u n t i a lo f i r o ni s - 0 7 8 0v ( s c e ) a b o v e w h i c hr e dr u s t i n gw i l la p p e a r c o m p a r e dt ob i t u m e np a i n t i n g , z i n cc o a t i n gc a np r o v i d ed c i p i p e sw i t he f f e c t i v ec a t h o d i ca n ds e l f - h e a l i n gp r o t e c t i o n i ns t u d y i n gt h ee f f e c to f t h ew e i g h to f z i n cc o a t i n g ，d c ip i p es a m p l e sc o a t e dw i t ht h r e ek i n d s o f w e i g h to f z i n c ( 9 0 ，1 3 0a n d2 0 0g m ) w e r e i m m e r s e d i n5 叽n a c ls o l u t i o n , t h ee v o l u t i o no f t h ee l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i a lo ft h es a m p l e sw a sm e a s u r e dp e r i o d i c a l l yb yu s i n ge l e c t r o c h e m i c a l “t w o e l e c t r o d e s ”t e c h n i q u e a i s o t h et i m et of i r s tr e dr u s t i n ga n dl l l em o r p h o l o g ye v o l u t i o no f t h e s a m p l e sw e l _ i gr e c o r d e d i tw a sf o u n d e dt h a tt h ea n t i c o r r o s i v ep e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e sw a s e n h a n c e d1 1 0 1 3 1 i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e i g h to fz i n cc o a t i n g c o n s i d e r i n gt h er e l a t i v e d u r a t i o no fg a l v a n i cp r o t e c t i o nb yd i f f e r e n tw e i g h to fz i n cc o a t i n g sa n dt h ec o s to fz i n cc o a t i n g p r o c e s s ，i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h ep r o p e rw e l g h to f z i n cc o a t i n gf o rd c ip i p e sw a s2 0 0g m t h ec o r r o s i v ev e l o c i t i e so f s a n db l a s t e dd c ip i p es a m p l e sa n dz i n cc o a t e ds a m p l e si n0 5 扎 n a c ls o l u t i o na n dn o na g g r e s s i v es p r i n gw a t e rw e r em e a s u r e d , u s i n gt a f e lp o l a r i z a t i o na n dl i n e a r p o l a r i z a t i o nt e c h n i q u e s t h er e s u i t sw e 化s h o w n f o f l o w s ：( a ) 血ec o i t o s i v ev e l o c i t i e so f t h es a n d b l a s t e ds a m p l e si nt h et w ok i n d so fs o l u t i o n sc h a n g e dl i t t l ed u r i n gt h ew h o l et e s tp e r i o do f3 m o n t h s ；( b ) t i l ec o l t o s i r ev e l o c i t i e so f 血ez i n cc o a t e ds a m p l e si nt 1 1 et w ok i n d so fs o l u t i o n sw e r e b i gf a c c o r d i n gt o1 h f e lp l o t s ) i nt h ef a s td a y , b u tt h e yd e c r e a s e dt ot h ev a l u e sm u c hs m a l l e rt h a n t h o s eo ft h es a n db l a s t e ds a m p l e so n em o r t t i ll a t e r , ( c ) i ng e n e r a lb o t hk i n d so fs a m p l e sa 馆 c o r r o d e dm o r es e r i o u s l yi n0 5 玑n a c is o l u t i o nt h a ni nn o na g g r e s s i v es p r i n gw a t e rm o s t l yd u e t ot h ep r e s e n c eo fc l _ i n0 5 g ln a c ls o l u t i o na n dc a t h o d i cs u p p r e s s i v ei n h i b i t o ri nn o n a g g r e s s i v es p r i n gw a t e r k e y w o r d s ：z i n cc o a t i n g , e l e c 廿o c h e m i c a l , r e dr e s t i n g , c a t h o d i cp r o t e c t i o n , s e l f - h e a l i n g , p o l a r i z a t i o n w o r dn u m b e r s ：4 4 6 4 2 ，g r a p h sn u m b e r s ：6 0 ，t a b l e sn u m b e r s ：1 6 ，f o r m u l an u m b e r s ：1 5 ， e x p e r i m e n tt i m e s ：6 0 0 符号表 符号表 i 金属阳极的起始电位，v( 卜a 1 ) 阳极反应的传递系数 甲n 阴极的起始电位，v e c 腐蚀体系的腐蚀电位。v e 测试的样品电位，v j c 腐蚀电流密度，m c m 2 k w 平均腐蚀电流密度，m a j c l n 2 金属单电极的交堡电流密度 m c m 。 去极化剂的交换粤流密度， l a 。 a 2 阴极反应的传递系数 阳极反应转移的电子 “1 一数 阴极反应转移的电子 n 2 一数 失重时的腐蚀速度， 7 一咖2 h 增重时的腐蚀速度， 7 一 咖2 h v l 腐蚀的深度指标， r a m y e a r v 。一一平= 警 i - 腐蚀电誓耋标，擘甲# 电流密 t 腐蚀进行的时间，h 度，加a ， k 阴极电流密度，m a ，2 i 电流强度，m a f 法拉第常数 ( 1 f = 9 6 4 9 4 c = 2 6 8 a h ) a 金属原子量 o 金属化合价 p 金属的密度，g m m 3 s 金属的面积，m 2 a w 析出或溶解的物质的量，g 首次出现红锈的时间， d a y 喷锌层的保护周期， d a y 半对数阳极极化曲线 的斜率，m v 半对数阴极极化曲线 的斜率，m v t a f 酎系数，m v c = 捣， 艮一阳鬻嚣翟数 c 2 每2 皂， 氏一阴鬻嚣謦数 c = 啬= 轰， r 檫让由阳q c 1 1 1 2 一 一 一 一一 t r h h b 东南大学硕士学位论文 w o 金属的初始重量，g瓦 w l 一滁了腐紫铺艟毗 平均极化电阻，q c m 2 带有腐蚀产物的金属 的重量，g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 球墨铸铁( d u c t i l ec a s ti r o n ，以下简称d c i ) 管是六十年代国际上开发的一种新型d c i 材料，已经愈来愈广泛地应用于自来水和燃气输送，成为替代输油、输气、输水管道传统产 品的高新技术产品“。目前，d c i 管是供水管网使用量最多的一种管材在国外已有几十 年的应用历史了，国内虽然起步较晚，并且缺乏相应的规范标准和生产规模，但近年来，开 发应用的速度较快。在我国城市供水管网中，d c i 管占8 0 以上，近几年逐渐淘汰了灰口 铸铁管，大量使用d c i 管。 随着d c i 管越来越广泛地应用于输水、输气，其防腐直接关系到管道的长期的使用性 和安全性，因此d c i 管的防腐问题一直是当前的热门话题，也是衡量管网技术及运行的一 个重要指标。 对d c i 管来说，管道防腐设计主要考虑外防腐，内防腐还没有引起足够重视。目前， 国内外采用的管道外防腐方法主要有涂层保护、阴极保护、杂散电流排流保护等1 6 j ，普遍采 用防腐涂层与阴极保护同时使用的联合保护措施。在管道上应用的外防腐涂层有石油沥青、 煤焦油沥青、环氧沥青、聚氨酯石油沥青、煤焦油磁漆、环氧粉末、底胶加聚烯烃、环氧底 漆加底胶加聚烯烃、环氧粉末加改性聚烯烃等”4 “j 。 到目前为止，锌+ 沥青作为典型的防腐涂层加阴极保护的外防腐手段应是最好的也是最 基本的防护材料1 9 1 q 。d c i 管采用水泥内衬作为防腐形式锌+ 沥青作为外防腐形式，并在 生产工艺中已经制作完成，无须在施工安装后进行防腐处理。这已成为国内外d c i 管生产 厂家的通用做法，防腐效果也十分明显。 本试验是我课题组与法国圣戈班管道公司( 马鞍山) 合作开展的，开始于2 0 0 5 年1 2 月。主要研究领域为d c i 输水管道的外防腐问题，重点关注喷锌涂层对d c i 基体的防腐保 护效应。在查阅大量文献的基础上，结合项目规范，试验将借助于电化学方法，围绕d c i 管的喷锌涂层的防腐保护性能展开三个月的短周期测试研究。 在绪论中，将分别从国内外输水管道的应用现状、铸铁输水管的主要防腐手段、国内外 d c i 管的防腐现状、d c i 管的防腐研究现状及存在问题等方面作详细介绍。 1 2 国内外输水管道的应用现状 1 2 1 各种管道的应用现状 各种输水管线( 海水、浑水、工业水、生活饮用水等管线) 是城市公共设施的重要组成部 分，是城市和工业企业生存和发展的生命线。近年来，随着城市规模的扩大、工业企业的发 展和饮用水水源地的变迁各大、中城市的长距离引水、输水工程相继出台，大、中口径给 水管道工程相继上马。 随着科学技术的发展，新材料的城市输水管道不断涌现，使得输水管的应用呈现出日新 月异的竞争。表1 1 列出了一些具有代表性的输水管道应用情况1 1 2 ”j 。 第1 页 东南大学硕士学位论文 塑料管目前所使用的材料多为聚氯乙稀( p v c ) 和聚乙烯( p e ) 口径通常为3 0 m m 以 下，耐压多数在1 0m p a 以下。从其性能和价格比较，它难与d c i 管竞争。 铝塑复合管是近几年发展起来的新管材，它由内外两层塑料管和中间一层铝管组成。 水泥管常作为城市污水管，是一种较为经济的管材。 玻璃纤维管是近年发展起来的新管材，口径大、重量轻，耐压为1 0 - 2 0m p a ，但其老 化性能及管材本体的强度。仍难与d c i 管相比。 钢管是一种广泛使用的管材，但其耐蚀性能较差，施工时需要焊接。日本久保田公司曾 对口径为1 0 0 0m m 的d c i 管与相应的焊接钢管做过对比试验，其结果如表l - 2 所示。可见， 钢管施工费与维修费均高于d c i 管，使用年限却少于d c i 管，漏水率次也远高于d c i 管。 d c i 管是六十年代国际上开发的一种新型d c i 材料，与灰口铸铁管、钢管、p e 管相比， d c i 管具有耐腐蚀、强度高、韧性好、抗冲击和抗震性能强的特点。它既具有灰口铸铁管的 耐腐蚀性能，又具有钢管的韧性和抗冲击性能，是自来水和燃气输送的理想管材。 表1 - 21 0 0 0 m m 球铁管与焊接钢管对比试验结果 比较发现，不同的管材适用于不同的条件和场所。相对而言，d c i 管在城市和工业输水、 供气方面，是首选的管材且有明显的竞争优势。 欧洲和日本用d c i 管输送农田灌溉用水。其生产与应用己有数百年的历史。现今，经 济发达的国家的输水、输气管道多用d c i 管，而我国使用该种铸铁管较少。大口管径管更 少，连续铸造灰铁管又不能完全满足要求，尽管国家建设部从1 9 9 7 年3 月就提倡d n 3 0 0 以上埋地铁管使用d c i 管，但至今很多地方仍然使用钢管或预应力混凝土管。2 0 世纪8 0 年代以来，我国陆续从国外引进了离心铸造d c i 管技术和设备又制定了g b l 3 2 9 5 - 9 l 离 心铸造球墨铸铁管国家标准。虽然我国己发展了该种铸铁管，但与发达国家离心铸造d c i 管占铸铁管9 0 毋5 和占有欧洲管材市场7 0 份额相比相差深远，与我国国内建设和出口 创汇需求极不适应。因此，大力发展离心铸管生产技术，生产d c i 管，加速我国铸铁管的 更新换代实为当务之急。 第2 页 第一章绪论 1 2 2d c i 管国内外各厂家生产现状 目前，全世界约有6 7 个d c i 管生产厂( 公司) ，其中年产大于l o 万t d c i 管生产能力的 公司有1 4 家”j ，见表1 3 。 这1 4 家大公司拥有3 6 家生产厂，年产d c i 离心管4 8 8 5 万t ，占世界产量的8 0 左右， 平均每个厂的产量为1 3 6 万t ，最大的生产厂是法国莫松桥公司南希厂( n a n c y ) ，年产5 0 万 t ，其次是日本久保田公司的武库川厂( f u n a b a s h i ) ，年产4 2 万t 。 我国球铁管生产起步较晚。目前我国有2 0 0 多厂家生产各种铸铁管，年产1 0 0 - - 1 2 0 万t ， 占全国铸造生铁产量的2 0 - - 2 5 ；1 9 9 8 年d c i 离心铸管的产量约3 0 万t ，2 0 0 0 年约为7 0 万t ，2 0 0 3 年约为1 0 0 1 2 0 万t ，口径为1 0 0 2 2 0 0m m 。我国1 9 8 5 年开始从德国、美国等引 进了水冷金属型离心铸管技术及设备；国内也自行研制开发了水冷金属型、热模法及树脂砂 衬离心球管工艺生产线。现今国内d c i 管的生产能力达1 0 0 万“年，口径从1 0 0 - 2 2 0 0 ， 使我国d c i 管铸造技术己达到及赶上国际较好水平，管材、管件除满足国内需求外，还有 一定量的出口。 表1 - 3世界上d c i 管年产量大于1 0 万t 公司情况 第3 页 东南大学硕士学位论文 1 3 铸铁输水管的主要防腐手段 铸铁管是传统的供水管材以其产品性能较稳定、耐蚀性相对较好、使用寿命较长( 至 少3 0 年) 、安装熟悉等特点而成为主要城用输水管道。铸铁管按材质可分为灰口铸铁管和延 性铸铁管。前者又称普通铸铁管，属钢性管，其生产工艺有离心铸铁管和连续铸铁管两种； 后者叉称d c i 管，属柔性管，其生产工艺分为离一t l , d c i 管和铸态离心d c l 管。 随着铸铁管道的大规模应用，其腐蚀问题也日渐突出，腐蚀所导致的危害也不断受到管 道行业的关注。由于长期处于土壤中受各种矿物盐、氧、水分、杂散电流、微生物的腐蚀和 本身输送介质( 水和水中的溶解氧、c 0 2 、c l 一等) 的腐蚀和磨损”，铸铁输水管线易发生 腐蚀穿孔( 或断裂) ，从而造成泄漏事故。缩减埋地管道的使用寿命。埋地管道使用寿命的大 为缩短，不仅造成材料的浪费，甚至影响正常的生活、生产。因此，关注埋地输水管道的防 腐问题、发展和实施埋地输水管道的防腐蚀工程技术已成为保证输水管道长期安全运行极为 重要的措施。 为适应国内外用户对铸管防腐技术要求的提高，国内各铸管厂不断加强对新型的、特殊 的防腐材料和工艺装备的研究，深入地、系统地研究不同土壤条件( 不同的导电率、d h 值) 和输送不同介质时，铸管的内外表面防腐技术。目前，国内外采用的铸铁管道外防腐技术主 要有涂层防护、聚乙烯粘带防护、聚乙烯套管防护、牺牲阳极的阴极保护、外加电流的阴极 保护等【l 。各种防腐蚀技术的实施使输水管道的使用寿命和安全得到了保证，防止了水 的二次污染，提高了铸铁管的输水能力，取得了显著的经济效益。现将主要外防腐技术分类 简介如下： 1 3 1 外防腐蚀涂料 外防腐蚀涂料是应用最广的防护方法。近几十年来，我国从国外引进和开发了多种管道 外防护涂层技术如：石油沥青防护层、环氧煤沥青涂料、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青玻璃鳞片 涂料、聚氨酯石油沥青重防腐蚀涂料等等。外防腐蚀涂料大多采工艺用环氧型、环氧酚醛型、 聚氨酯型和漆酚型等主要基料，底漆掺和铁红类、铬黄类等具有钝化性能的颜填料，中间层、 面层掺加鳞片或玻璃微珠，以提高抗渗透能力。 近年来，我国又陆续研究开发和引进了用于埋地管道外防腐蚀的熔结环氧粉末涂层、熔 结快速固化环氧涂料、熔结环氧一胶一挤塑聚乙烯防护层等新型防腐蚀技术和产品，颇有发 展前途。 1 3 2 聚乙烯( p e ) 冷缠防护胶粘带 防护胶带是人造聚乙烯材料与由人造橡胶、树脂和添加填料、增塑剂、润滑剂、防老剂 调制的沥青合成的，具有弹性且一面有粘性。使用前先在已经处理的钢管外壁上涂一层速干 底漆，然后将胶带用手或机械器具缠在管道上，钢管和包裹材料施工时无需加热。对于大、 中口径输水钢管，为使胶带与管道达到紧密的粘结效果，一般采用电动机械缠带机，此机器 可自动清理管道外壁、涂刷底漆和缠胶带。聚乙烯胶带防护层具有无污染、绝缘强度高、耐 高温、耐冲击、耐湿及能随温度的变化热胀冷缩等特点，设计防护年限超过3 0 年，与阴极 保护联合使用效果尤佳。近年来在杭州、上海等城市输、引水管道工程中，已采用聚乙烯冷 缠带与阴极保护联合保护作为防腐蚀措施。 1 3 3 阴极保护 阴极保护是一项成熟的、经济效益十分显著的电化学保护技术【l ”，将被保护的金属管 道进行阴极极化，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位以消除其电化学不均匀性所引起的 第4 页 第一章绪论 腐蚀电池使金属免遭腐蚀可以成倍地延长金属管道的使用寿命。阴极保护与防护涂料联合 使用时，阴极保护使涂层缺陷处和毛细孔处钢管免遭腐蚀，延长涂料的使用寿命：涂层则可 以降低阴极保护所需要的保护电流，扩大阳极的保护范围，减少阳极安装数量，使阴极保护 电流均匀分布于钢管表面，提高阴极的保护效果。两者的保护相辅相成，使腐蚀保护强度大 大提高，腐蚀控制成本降低。阴极保护分外加电流法和牺牲阳极法，它们的基本原理和保护 效果是相同的，二者各有优缺点。遇到具体工程时，应按保护范围的大小、土壤环境、费用 情况以及管线布置，因地制宜地选择阴极保护的方法。对于牺牲阳极和外加电流两种方法， 设计时可参考埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范( s y t 0 0 1 9 - 9 7 ) 和埋地钢质管 道强制电流阴极保护设计规范( s y j 3 6 8 9 ) 。 1 、牺牲阳极的阴极保护( 外加阳极块) 牺牲阳极的阴极保护是指用比被保护金属管道电位更低的金属材料做阳极，和被保护金 属连接在一起，利用两种金属之间固有的电位差，产生防腐电流的一种防腐方法。阳极随着 流出的电流而逐渐消耗，所以称为牺牲阳极。这种阳极消耗快安设位置及方法必须便于更 换伽。如图1 1 所示。 图1 - 1 牺牲阳极的阴极保护装置图 接头 管道 我国近年来在城市地下管线上主要实施单线阴极保护。在管线较多的城区，仅在一条输 水管线上实施阴极保护即有可能产生杂散电流的电解腐蚀干扰邻近管线，应采取必要的隔离 和降低阴极保护槽压等措施。对此，往往采用牺牲阳极的阴极保护技术，它产生的杂散电流 较少，阳极包敷设的位置离管道较近，易于与邻近管道隔离。 牺牲阳极阴极保护还具有可分段或局部施工、灵活方便、维护工作量小等特点，目前城 市大、中口径的输水钢管较多采用这种方法。 牺牲阳极保护一般需经现场勘测、保护设计、安装调试和运行管理几个方面。首先要沿 管线全程每隔一定距离( jk m ) 测量土壤的电导率，同时还需了解管道沿线有无杂散电流，再 根据土壤电导率、钢管外防护涂料的种类、有效保护年限、杂散电流等确定保护电流密度， 选择牺牲阳极材料，计算出阳极用量。确定阳极包埋设深度、距保护钢管距离和适宜的埋设 位置。牺牲阳极安装完毕运行一周后，需对保护参数( 电位、电流、电阻) 进行测试，达不到 设计参数时需重新调整。 2 、外加电流的阴极保护 外加电流的阴极保护是通过外部的直流电源装置把必要的防腐电流通过地下水或埋设 在水中的电极，流入金属管道的一种方法。所用直流电源一般是由交流电经过硒的整流过程 第5 页 东南大学硕士学位论文 而变作直流电的。外加电流法的优点是电流和电压可根据需要进行调整：缺点是对其他地下 管道的影响比牺牲阳极法大，在市区给水管道上不能使用鲫。外加电流的阴极保护装置见 图1 2 。 奄夕勺l ，q ， 图1 - 2 外加电流的阴极保护装置图 牺牲阳极阴极保护也有它的局限性，如费用较高、受电阻率限制、寿命有限、更换时开 挖路面十分困难等。相比较而言。外加电流阴极保护虽然有干扰影响、管理复杂、需要电源， 但它不受土壤电导率的限制、装置寿命长，有些场合是最佳选择。相比之下，在野外敷设的 长输给水管线，因无杂散电流问愿而普遍采用外加电流的阴极保护技术，费用也相对低一些， 较典型的工程有厦门一鼓浪屿海自来水管道等。 对于埋地管道，阴极保护是作为附加保护方式对涂层破损处的管体金属提供防蚀保护 的。绝大多数管道工程采用了外加电流阴极保护方式，也有部分管道工程或管道工程的部分 管段采取了牺牲阳极保护方式。 阴极保护目前有相应的行业标准可执行，包括设计标准、施工验收规范、运行维护规范 及材料标准，技术应用相对较为成熟。表l 一4 列出了牺牲阳极系统与外加电流系统各自的特 点口目。 表l - 4 牺牲阳极系统与外加电流系统的对比 牺牲阳极系统外加电流系统 ( 1 ) 不需要任何电力网的电源 ( 2 ) 一般限于保护涂敷层良好的结构物，或供局部保 护之用 ( 3 ) 用于土壤或水的电阻率低的环境中 ( 4 ) 它们的安装比较简单，在未获得要求的效果之前， 可以继续进行补充的安装 ( 5 ) 检查时。需要用便携式仪器在每个阳极上或在相 邻的各对阳极之间进行检查 ( 6 ) 需要很多的阳极，其寿命随条件的不同而有很大 的差别 ( 1 ) 需要有供电干线或其它电力电源 ( 2 ) 可应用于许多种结构物，必要时还可用于大型、 无涂敷层的结构物 ( 3 ) 土壤或水的电阻率对其应用限制较小 ( 4 沱的输出可调节，故可适应意外之外的，或正在 变化的一些情况虽有此方便，但必需仔细设计 ( 5 ) 检查时只需在较少的若干位置上进行检测，测 试仪器一般可放在容易达到的供电点上 ( 6 ) 一般需要的阳极数量很少 1 4 国内外d c i 管的防腐现状 第6 页 第一章绪论 1 4 1d c i 管的防腐发展及现状 在铸铁输水管中，灰口铸铁管生产方便，成品率高，成本低，在各类铸铁件中占很大比 例，但它属脆性材料，没有延伸性，受外力作用时应力集中极易发生折断、破裂。相对而言， d c i 管抗拉强度、延伸率较高，耐冲击，韧性好，应变能力高，比钢管的耐腐蚀强2 q 倍p ”， 因而越来越广泛地应用于城市输水、输气，成为铸铁输水管的典型代表。 对于d c i 管而言，目前，国际上比较成熟通用的d c i 管腐蚀控制技术大致有四类：镀 层与涂层；阴极保护：缓蚀剂：电偶腐蚀控制。用的最多的是涂层技术与阴极保护技术，这 与我国情况基本一致。 在我国，从防腐涂层的应用现状看，d c i 管普遍采用加强级石油沥青玻璃布涂层结构、 特殊地段( 穿、跨越公路、河流) 需外加特加强级石油沥青防腐套管、定向钻穿越河流的管道 多采用环氧粉末涂层、国家级重点工程采用聚烯烃三层复合结构防腐涂层；从防腐手段看， 采用涂层隔离防护与阴极保护相结合的工艺技术进行外防腐。 从国际上看，d c i 管防腐经历了相当长的发展阶段。在d c i 管道防腐的研究中，圣戈 班穆松桥一直走在世界的前列，并在1 9 3 8 年最早开始了锌层的研究p ”】。经过多年的无数 种材料的反复试验，最终找到了廉价的适用于在绝大多数情况下的防腐材料辛，并在 1 9 5 8 年正式在其管道产品上采用锌层防腐。如今，锌层外层防护已经在世界范围内被证明 为最有效的防腐措施之_ 1 4 0 4 6 】，可以有效地延长管道的使用寿命。圣戈班穆松桥通过研究发 现，外防腐组成方式：锌层+ 沥青漆具有密不可分优良的防护效果其中锌层起着决定性的 作用。在欧洲标准e n 5 4 5 ：1 9 9 4 供水d c i 管、管件第4 4 2 2 条中，以及在国际标准 i s 0 8 1 7 9 1 ：1 9 9 5 ( d c i 管一外涂层一第一部分第4 4 条中都有明确规定：锌层密度不得低 于1 3 0g m 2 ，局部最低密度不得低于1 1 0g m 2 。在我国国家标准g b t 1 7 4 5 6 1 9 9 8 中，等效 的采用t 国际标准i s 0 8 1 7 9 1 ：1 9 9 5 。 在圣戈班穆松桥的内部标准中将锌+ 沥青外防腐形式确定为d c i 管基本的标准外防腐 层，并适用于绝大多数的土壤类型，同时也是欧洲等发达国家的d c i 管的标准外防腐模式。 这一防腐模式值得我国d c i 管道行业借鉴。 到目前为止，锌+ 沥青作为典型的防腐涂层加阴极保护的外防腐手段应是d c i 管最好的 也是最基本的防护材料。d c i 管采用水泥内衬作为防腐形式锌+ 沥青作为外防腐形式，并 在生产工艺中已经制作完成。无须在施工安装后进行防腐处理。这已成为国内外d c i 管生 产厂家的通用做法，防腐效果也十分明显，但仍需实践应用的进一步检验及相关理论的验证。 1 4 2d c i 管电弧喷锌外防腐工艺简介 锌作为一种极具代表性的热喷涂涂层，目前已经广泛应用于输水管道的外表面防腐，尤 其是d c i 管的外表面防腐。按i s 0 2 5 3 1 ：1 9 9 8 ( e ) 和g b 厂r 1 3 2 9 5 2 0 0 3 标准要求，d c i 管外表 面必须要进行喷锌，锌层厚度必须符合i s 0 8 1 7 9 1 ：1 9 9 5 和g b , t 1 7 4 5 6 标准( 即锌层重量 1 3 0 9 m 2 ) 。d c i 管外表面涂锌工艺主要有热喷涂和热浸镀两种方法。 在圣戈班管道公司( 马鞍山) 内部普遍采用电弧热喷涂锌工艺。如图1 3 所示，电弧 喷涂基本原理是：将喷涂材料金属或合金( 锌) 制成两个熔化电极，以电弧喷枪中的压缩空 气为原动力，在驱动装置推动下，由电动机变速驱动，在喷枪口相交产生短路而引发电弧、 熔化，借助压缩空气雾化成微熔滴并高速喷向经预处理的工件表面，形成电弧喷涂层。由于 喷砂后的基体表面凹凸不平散，热收缩后的金属涂层( 喷锌层) 能牢固地附在工件表面。主 要涉及的设备有：电弧喷枪、压缩空气系统，氧气、乙炔系统、送丝机构、专用喷涂电源及 胶管等 3 5 - 3 ”。采用电弧热喷涂锌工艺法，锌颗粒在d c i 基体呈现颗粒状堆积而呈现镂空状。 第7 页 东南大学硕士学位论文 工件 鼍 图l _ 3 电弧喷涂原理示意图 1 5d c i 管的防腐研究现状及存在问题 1 5 1d c i 管防腐的意义 d c i 管的防腐直接关系到管道的长期的使用性和安全性，因此是衡量管网技术及运行的 一个重要指标。埋地d c i 管道的腐蚀使得其使用寿命大为缩短，这不仅造成管道行业的损 失也影响了正常的城市供水、供气，造成城市生活的极为不便。另外在城市道路已按规 划定型的条件下要求道路下面的管道能长期不维修。d c i 管通常要求至少有5 0 - - 8 0 年的使 用寿命，比化学管材及钢管使用寿命长，其外表面防腐便显得尤为关键。 鉴于欧、美个别国家在历史的发展过程中对铸管外喷锌等防腐技术未引起足够重视，而 使球铁管在本国市场份额下降的现实情况，各铸管厂应清醒地认识到：铸管的防腐技术是严 重地影响到离心d c i 管在管材市场剧烈竞争中能否生存下去的关键问题之一，务必引起足 够的重视和严重的关切。如果铸管厂对铸管外喷锌防腐技术的不重视，有可能在十几年后影 响到离心d c i 管在用户( 特别是自来水公司) 中的声誉口“l 。 根据几个主要铸管厂的生产经营和使用数据，认为： 外喷锌防腐费用只占铸管生产总成本的2 左右。而铸管经外喷锌后，可保证铸管的使用 寿命达到5 0 年以上； 目前外喷锌工艺的锌附着率只有5 0 - 6 0 ，如果锌回收得当，可使外喷锌费用下降到占 铸管生产总成本的1 5 左右。 可见，2 的成本增加可换来提高3 0 年使用寿命的效果不仅在经济效益上是合算的， 而且铸管优良的使用寿命可以换来用户的信赖规避了铸管在与其他管材竞争中的弱点，有 利于d c i 管市场的扩大。 1 5 2d c i 管的防腐研究现状及存在问题 目前，国内外d c i 管外防腐都采用涂层技术与阴极保护技术联合的方法，而应用最为 广泛的就是锌+ 沥青模式。 在我国由于d c i 管道的应用起步较晚，在其防腐意识方面处于相对落后的阶段。首 先，尽管防腐手段开始采用涂层技术与阴极保护技术联合的方法，然而往往存在着以涂层防 腐为主、阴极保护( 喷锌等) 为辅的现象，甚至有些没有采取阴极保护技术。目前我国有 些d c i 管的使用单位，没有意识到喷锌层防腐的重要性，为了节省投资，人为地省去喷锌 层例，所以管件的耐腐蚀性能差已成为影响整条管线寿命的最薄弱环节；其次，我国大部分 铸管厂，对出口铸管全部进行外喷锌，而对销往国内的铸管则不进行外喷锌。因而在腐蚀性 第8 页 第一章绪论 较强的土壤( 导电率 2 0 0 g m 2 。在兼顾成本与防腐效果的前提条件下，需要相关试验的验证以确定d c i 管道的最佳 喷锌防腐标准，亦即确定哪种锌重最适合： 其次，有关受损喷锌层( 运输或施工中受损) 的防腐保护效应研究尚处于“真空”状 态，需要通过试验手段进一步完善其基本理论，以推动喷锌层在d c i 管外防腐领域的实际 应用。目前，己有一些文献 4 7 - $ 0 1 提及到材料。自愈合”或“自修复”的概念，但研究对象为 高温玻璃质涂层、自愈合金、工程材料微裂纹、生物材料及混凝土等等。有关喷锌涂层的自 愈合效应的具体理论阐述至今无人问津，只是在一些场合偶尔提及； 最后，对于如何评价喷锌层的具体防腐效果及研究机制至今没有具体明确的概念提出， 主要体现在以下两个方面： 一方面，有关喷锌d c i 管的腐蚀速率问题需要一种具体的方法来测定，从而能清楚的 了解d c i 管的寿命。目前，对于金属腐蚀速率研究评价方法已经相对成熟，主要分为失重 法与电化学测试方法 2 3 j 。 失重法是把金属因腐蚀而发生的重量变化，换算成相当于单位金属表面积于单位时间内 的重量变化的数值。所谓重量变化，在失重时是指腐蚀前的重量与清除了腐蚀产物后的重量 之间的差值：在增重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的重量与腐蚀前的重量之间的差值。可根 据腐蚀产物容易除去或完全牢固的附着再试件表面的情况来选取失重或增重表示法。 v - ：= w o - w , 一 s t 式中 v 失重时的腐蚀速度，g ，m 2 h ； w r 金属的初始重量，g ： w l 清除了腐蚀产物后金属的重量，g 江金属的面积，l n 2 ： 卜腐蚀进行的时间，h 。 又 。+ ：盟( 1 - 2 ) 式中 ，+ 增重时的腐蚀速度，g ，m 2 h ： w r _ 一带有腐蚀产物的金属的重量。 失重法还以换算成金属腐蚀速率的深度指标。此指标就是把金属的厚度因腐蚀而减少 的量，以线量单位表示，并换算成为相当于单位时间的数值。在衡量密度不同的各种金属的 腐蚀程度时，此种指标极为方便。可按下列公式将腐蚀的失重指标换算为腐蚀的深度指标： v l ：v - 。2 4 x3 6 5 1 0 ：! ：! ：堑( i - 3 i - 3 ) = ：- 一= ) ( 1 0 0 ) 2 pp 第9 页 东南大学硕士学位论文 式中v r 腐蚀的深度指标m m ，y e 盯； p 金属的密度，g c m 。 失重法作为一种最经典的方法，对于金属腐蚀速率评价相对准确可靠，但是失重法十分 费时。由于一些腐蚀过程速率很慢，往往需历经几个月或几年后才知究竟。 电化学测试方法作为一种相对快速的方法，近几年来发展迅速。用电化学方法测得的是 金属的腐蚀电流密度( m a ，c m 2 ) ，是以金属电化学腐蚀过程的阳极电流密度的大小来衡量金 属的电化学腐蚀速率的程度，可以由法拉第( f a z m j a y ) 定律转换成以失重计算的腐蚀速度。 a w = 二n v 一：垒坠1 0 ：垒：! ! 1 0g m e h n f n x 2 6 8 v ：。一x ：(1-4)l v - x 2 4 x 3 6 5 1 0 v - x 8 7 _ _ 6 r a m y e a r = 一x = l - 4 ) ( 1 0 0 ) 2 pp 式中i 广腐蚀电流密度，m a c m 2 ： f l 祛拉第常数( 1f = 9 6 4 9 4c - - 2 6 8a h ) ； w 析出或溶解的物质的量，g ； l 一电流强度，m a ； a 金属原子量； 一金属化合价。 电化学测试方法方便快捷，比较适用于快速测定腐蚀过程相对较慢的金属腐蚀速率，不 足之处在于其影响因素较多相对误差较大。实际试验中，需要权衡失重法与电化学测试法 的利弊，选择合理的方法处理有关腐蚀速率的问题。 另一方面，针对具体喷锌层的d c i 管，有关铁的保护电位( 具体为盐水通气环境下的 保护电位，以下简称铁的保护电位) 的确定也是一个急需解决的课题。喷锌d c i 管腐蚀属 于电化学腐蚀范畴。锌电位必须比铁的保护电位还要负，这样锌在保护系统中才能作为最有 效的阳极而优先溶解使d c i 基体发生阴极极化而电位负移，最终受到完全的阴极保护 2 3 - 2 4 】。 可见，铁的保护电位作为锌能否提供