天然气管道阴极保护ppt课件.pptx

管道阴极保护 1 管道腐蚀 2 针对油气田环境 常用的金属防腐蚀技术 合理选材与结构优化设计 阴极保护技术 缓蚀剂保护技术 覆盖层保护技术 3 阴极保护技术 一 金属腐蚀的定义及腐蚀影响 二 电化学腐蚀的分类 三 阴极保护的分类 四 长输天然气管道阴极保护系统 五 阴极保护参数 4 第一节 金属腐蚀的定义及腐蚀影响 5 1 金属腐蚀的定义及腐蚀影响 物质 或材料 的腐蚀时物质 或材料 受环境介质的化学或电化学作用而破坏的现象 称为金属腐蚀 金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程 金属腐蚀一般可分为化学腐蚀与电化学腐蚀 腐蚀时 在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应 使金属转入氧化 离子 状态 这会显著降低金属材料的强度 塑性 韧性等力学性能 破坏金属构件的几何形状 增加零件间的磨损 恶化电学和光学等物理性能 缩短设备的使用寿命 甚至造成燃气泄漏导致火灾 爆炸等灾难性事故发生 6 埋地钢制输气管道锈蚀 7 定义 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 特点 腐蚀过程中无电流的产生 化学腐蚀电化学腐蚀 按腐蚀原理分为 定义 指金属表面与电解质因发生电化学反应而引起的破坏 特点 腐蚀过程中有电流的产生 8 第二节 电化学腐蚀的分类 9 电化学腐蚀是金属的腐蚀中最普遍 也是最重要的一种类型 钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最常见的一种 在潮湿的空气中 钢铁表面会吸附一层薄薄的水膜 如果这层水膜呈较强酸性时 H 得电子析出氢气 这种电化学腐蚀称为析氢腐蚀 如果这层水膜呈弱酸性或中性时 能溶解较多氧气 此时O2得电子而析出OH 这种电化学腐蚀称为吸氧腐蚀 10 电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类 11 12 第三节 阴极保护分类 13 阴极保护原理 金属在电解质溶液中 由于金属本身存在电化学不均匀性或外界环境的不均匀性 都会形成腐蚀原电池 在原电池的阳极区发生腐蚀 不断输出电子 同时金属离子溶入电解液中 阴极区发生阴极反应 视电解液和环境条件的不同 在阴极表面上析出氢气或接受正离子的沉积 如果给金属通以阴极电流 整个腐蚀原电池体系的电位将向负的方向偏移 使金属阴极极化 这就可以抑制阳极区金属的电子释放 从根本上防止金属腐蚀 管道阴极保护就是利用外加的牺牲阳极或外加电流 消除管道在土壤中腐蚀原电池的阳极区 使管道成为其中阴极区 从而受到保护 阴极保护分为牺牲阳极法与强制电流法两种 14 牺牲阳极法阴极保护 外加电流阴极保护 根据电化学保护机理 使被保护金属表面得到足够的电子 这样金属原子不容易失去电子而抑制了金属的腐蚀 阴极保护原理 15 阴极保护原理 以外加电流的阴极保护为例 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为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 如流人阴极电流为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降至I ID与I 的差值就是由辅助阳极流出的外加电流量 16 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值为IP 此时的极化作用已使原来腐蚀电池的微电池作用完全受到抑制 17 一 牺牲阳极保护1 牺牲阳极保护原理 原电池原理 在腐蚀电池中 阳极腐蚀 阴极不腐蚀 根据这一原理 把某种电极电位比较负的金属材料与电极电位比较正的被保护金属构筑物相连接 依靠电位比较负的金属不断腐蚀溶解所产生的电流来保护输气管道 使被保护金属构筑物成为腐蚀电池中阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极阴极保护 18 牺牲阳极保护示意图 Zn 电子流出 被氧化 阳极Fe 电子流入 被还原 阴极 19 为了达到有效保护 牺牲阳极不仅在开路状态 牺牲阳极与被保护金属之间的电路未接通 有足够负的开路电位 即自然腐蚀电位 而且在闭路状态 电路接通后 有足够的闭路电位 即工作电位 这样 在工作时可保持足够的驱动电压 驱动电压指牺牲阳极的闭路电位与金属构筑物阴极极化后的电位两者之差 亦称为有效电压 20 一 牺牲阳极保护2 牺牲阳极组成牺牲阳极保护系统的组成有 土壤中 牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极 填包料 和测试桩组成 水环境中 除导线连接外 牺牲阳极也可直接焊接到被保护结构上 作用是为了使电流输出尽量保持稳定和降低阳极接地电阻 填包料主要由硫酸钙 膨润土和硫酸钠混合而成 21 一 牺牲阳极保护3 牺牲阳极种类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 埋地管道牺牲阳极法牺牲阳极 由电位较负的金属材料制成 当它与被保护的管道连接时 自身发生优先离解 从而抑制了管道的腐蚀 故称为牺牲阳极 牺牲阳极应有足够负的稳定电位 以保持足够大的驱动电压 同时有较大的理论发生电量 还要有高而稳定的电流效率 22 一 牺牲阳极保护3 牺牲阳极种类在生产实际中 现在能作为牺牲阳极材料的只有Al Mg Zn及其合金 镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中 铝合金和锌合金主要用于水环境介质中 23 镁合金牺牲阳极 铝合金牺牲阳极 24 牺牲阳极阴极保护设计 I S ipI 实现完全保护所需的保护电流 mAS 被保护构件的外表面面积 m2 ip 最小保护电流密度 mA m2 管道所需的最小保护电流密度ip与土壤电阻率 管道绝缘层质量有很大关系 25 26 27 牺牲阳极阴极保护设计 Ia ia F式中 Ia 阳极输出电流 A ia 阳极表面电流密度 A m2F 阳极有效表面积 m2 阳极表面的电流密度随阳极材料及介质的不同而不同 应由实验来确定 在初计算中 可取 海水中ia 1mA cm2 土壤中ia 0 03mA cm2 28 牺牲阳极阴极保护设计 N I Ia式中 N 阳极的根数 I 所须保护电流 Ia 阳极输出的电流 阳极的屏蔽系数 它与被保护设备的结构 阳极间的距离 阳极材料的性质等因素有关 取 1 5 3 29 牺牲阳极阴极保护设计 长输管道牺牲阳极的安装 保护长度 每个阳极的保护长度范围一般是200 1000m 阳极距离管道的距离一般为3 6m 管道 30 长输管道的牺牲阳极阴极保护实例 牺牲阳极的安装和位点布置 牺牲阳极阴极保护设计 31 一 牺牲阳极保护4 牺牲阳极主要应用牺牲阳极主要应用于土壤电阻率低的环境及城市燃气钢制埋地管道和区域性设施 32 二 外加电流阴极保护1 外加电流阴极保护 电解池原理 外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极 是给金属输气管道补充大量的电子 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 使被保护金属结构电位低于周围环境 33 外加电流阴极保护示意图 34 二 外加电流阴极保护2 外加电流阴极保护系统组成外加电流阴极保护系统主要由电源 控制柜 辅助阳极 焦炭 碳素 填料 电缆 控制参比电极 电位测试桩 电流测试桩 保护效果测试片 电绝缘装置 电绝缘保护装置 35 外加电流阴极保护设计 按照铺设方式 阳极地床结构可以分为 立式阳极地床 普遍 水平式阳极地床 按埋深可分为 浅埋式阳极地床 多见 深埋式阳极地床浅埋式 埋深距地表1 5米 深埋式 20 40米为次深 50 100米为中深 大于100米为深 为了减少阳极之间的相互屏蔽 阳极之间应保证有一定的距离 阳极到管道的距离 短管道 油田的集输管网 油库管网50 300米 长输管道 300 500米 36 37 浅埋阳极床的安装和布置 38 39 二 外加电流阴极保护3 直流电源系统组成 恒定电位仪 及类型电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流 电源主要有恒流 恒压整流器 恒电位仪 40 外加电流设备 41 二 外加电流阴极保护恒电位仪的功能 恒电位仪可以在无人值守的情况下 自动调节输出电流和电压 使管道阴极保护通电点电位恒定在控制电位范围内 达到最佳保护效果 42 二 外加电流阴极保护4 常用辅助阳极 阳极地床 及作用辅助阳极根据有废钢 硅铁 石墨 混合氧化物阳极 柔性阳极 贵金属电极等 43 二 外加电流阴极保护辅助阳极 辅助阳极又称接地地床 阳极床 它与恒电位仪的正极相连 组成闭合回路 主要用于传导电流 辅助阳极的作用是通过介质 如土壤 水 与管道之间形成电回路 通过在阳极表面发生电化学反应 不断向阴极结构提供电子 从而使阴极极化到保护电位 44 二 外加电流阴极保护5 外加电流阴极保护应用该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构 如 长输埋地管道 大型罐群底座等 45 第四节 长输天然气管道阴极保护系统 46 长输管道阴极保护系统主要由场站电源设备 恒定电位仪 长效型辅助阳极地床 控制台 硫酸铜参比电极 进出站绝缘接头 埋地型火花间隙避雷器 绝缘测试桩 管线电流测试桩 管线保护电位测试桩 连接电缆线等设备构成外加电流阴极保护系统 47 一 通电点 参比电极的安装1 从控制台的零位接阴和输出阴极端子引出两根电缆 穿控制室墙基预埋钢钢制套管出机柜间 敷设至通电点处 采用铝热焊与管道连接 2 通电点设于输气场站气体的管道上 3 安装长效硫酸铜参比电极1支 其应埋设在通电点附近冻土层以下 外用棉布袋装填填包料 填包料充分浸水湿润 参比电极周围用细土回填 参比电缆与阴极 零位电缆同沟埋地敷设至阴保间 接在控制台参比电极端子上 48 通电点 参比电极的安装示意图 49 二 场站绝缘接头的安装绝缘接头一般埋设在输气场站进出站 埋地放空管道及阀室埋地放空管道等部位 1 埋设绝缘接头测试桩一般采用钢制测试桩 规格为 108 4 3000mm 在绝缘接头两端焊接电缆4根 每端2根 电缆另一端接在测试桩接线柱上 2 埋地型火花间隙避雷器1个 埋设在绝缘接头一侧 其两端引线通过测试桩接线板与绝缘接头两端的管道连接 3 绝缘测试桩桩体埋深约1 5m 50 绝缘接头及火花间隙安装示意图 51 三 线路阴极保护电位测试桩1 采用两根测试电缆 电缆一端焊接在管道上 另一端用铜鼻子接在测试桩的接线柱上 2 电位测试桩埋设在管道上方 面向气流方向 测试桩基墩基底置于均匀密实土层 桩体埋深约1 5m 下端用混凝土固定 3 电缆与管道连接采用铝热焊 焊点严格密封绝缘 采用热熔胶和补伤片联合防腐焊口 52 线路阴极保护电位测试桩示意图 53 第五节 阴极保护参数 54 一 自然腐蚀电位自然电位是金属埋入土壤后 在无外部电流影响时的对地电位 自然电位随着金属结构的材质 表面状况和土质状况 含水量等因素不同而异 一般有涂层埋地管道的自然电位在 0 4 0 7VCSE之间 在雨季土壤湿润时 自然电位会偏负 一般取平均值 0 55V 55 二 最小保护电位金属达到完全保护所需要的最低电位值 一般认为 金属在电解质溶液中 极化电位达到阳极区的开路电位时 就达到了完全保护 NACERP0169建议 在通电的情况下 埋地钢铁结构最小保护电位为 0 85VCSE或更负 56 三 最大保护电位保护电位不是愈低愈好 是有限度的 过低的保护电位会造成管道防腐层漏点处大量析出氢气 造成涂层与管道脱离 即 阴极剥离 不仅使防腐层失效 而且电能大量消耗 还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂 所以必须将电位控制在比析氢电位稍高的电位值 此电位称为最大保护电位 超过最大保护电位时称为 过保护 一般取 1 5V CSE 57 缓蚀剂保护技术 1 缓蚀剂的定义 58 2 缓蚀剂的分类 1 按化学组成分 缓蚀剂 无机缓蚀剂 有机缓蚀剂 咪唑啉 59 4 覆盖层保护技术 在金属表面上施用覆盖层是防止金属腐蚀最普遍而又很主要的方法 覆盖层的作用在于使金属与外界介质隔离开 以阻碍金属表面层上发生腐蚀电池作用 暂时性覆盖层 油封 可剥性塑料膜 覆盖层分类 金属覆盖层 电镀 喷镀 渗镀 热镀 碾压 非金属覆盖层 涂料 塑料 橡胶 灰泥 沥青 玻璃 化学和电化学法生成的覆盖层 氧化处理 阳极极化 磷化处理及其他 60 埋地管道腐蚀 管道外壁腐蚀原因 管道内壁腐蚀原因 涂料涂装防腐 阴极保护防腐 涂料涂装防腐 杂散电流 细菌腐蚀 土壤腐蚀 输送介质腐蚀 61 石油石化埋地管道涂装防腐 管道防腐层 涂在管道表面的绝缘材料 把存在着许多不同电极区域的管道同电解质隔开 消除腐蚀电池通路来防止腐蚀 防腐层是防止埋地管道腐蚀的第一道屏障 对管道防腐层的要求 1 具有良好绝缘性能 防止水分侵入 涂敷方便 2 耐老化 抗土壤应力性能好 与管表面黏结性好 3 耐冲击性能好 绝缘性能稳定 4 耐阴极剥离性能好 容易修复 石油沥青防腐层 环氧煤沥青防腐层 冷缠聚乙烯胶带防腐层 保温防腐层 熔结环氧粉末FBE防腐层 三层PE防腐层 62 石油沥青防腐层 石油沥青涂层是一种传统的防腐层 由底漆 石油沥青层 加强玻璃丝布 聚氯乙烯外包膜组成 具有优良的防水性能 再加上价格便宜 耐候性及粘结性较好 施工简单 技术成熟 所以 曾经大量用于金属管道防腐 现在基本淘汰 沥青涂层的缺点是感温性极大 高温软化 易熔融 低温下变脆 冲击时易产生龟裂 63 环氧煤沥青防腐层 环氧煤沥青是以环氧树脂和煤沥青为基料 加热混溶 添加适量溶剂 防锈颜料和填料 混合