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压力管道防腐蚀知识 中国工业防腐蚀技术协会张炎明2012年7月 2020 3 21 1 2020 3 21 2 1 前言 管道输送是与铁路 公路 水运 空运并列的第五大运输方式 它作为一种特种的运输设备越来越广泛地用于石油 化工 冶金 电力等行业以及城市输气 供水和供热系统中 随着经济的发展 管道数量在不断的增加 其重要性也日益突出 在石油 化工行业中 管道被视为 工厂的血管 2020 3 21 3 压力管道的范围 从广义上理解 压力管道是指所有承受内压或外压的管道 无论其管内介质如何 压力管道是管道中的一部分 管道是用以输送 分配 混合 分离 排放 计量 控制和制止流体流动的 由管子 管件 法兰 螺栓连接 垫片 阀门 其他组成件或受压部件和支承件组成的装配总成 特种设备安全监察条例 中 将压力管道进一步明确为 利用一定的压力 用于输送气体或者液体的管状设备 其范围规定为最高工作压力大于或者等于0 1MPa 表压 的气体 液化气体 蒸汽介质或者可燃 易爆 有毒 有腐蚀性 最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质 且公称直径大于25mm的管道 2020 3 21 4 在 压力管道元件制造许可规则 TSGD2001 2006中规定的压力管道元件制造许可项目及其级别 2020 3 21 5 在 压力管道安装许可规则 TSGD3001 2009中规定的压力管道安装许可类别及其级别 2020 3 21 6 在 压力容器压力管道设计许可规则 TSGR1001 2008中规定的压力管道类别 级别 略 在 压力管道安全技术监察规程 工业管道 TSGD0001 2009中规定的适用范围 略 中华人民共和国石油天然气管道保护法 2010年6月25日第十一届全国人民代表大会常务委员会第十五次会议通过2010年10月1日起开始实施 2020 3 21 7 钢带螺旋缠绕增强柔性PE管材结构图及专用的管件 海底集束管道 2020 3 21 8 2020 3 21 9 压力管道进行腐蚀控制的重要性 相关资料也表明 在美国管道事故原因中第一位的原因是腐蚀造成的 占事故比例近60 其次原因是由于第三者破坏所造成 约占事故比例的20 我国的地下油气管道投产1 2年后即发生腐蚀穿孔的情况屡见不鲜 据我国某气田40年来的管道失效原因统计 自然因素和人为因素 洪水冲毁 山体滑坡 人为破坏和建设施工 占5 管道质量和焊接质量不合格占10 而腐蚀泄漏和腐蚀开裂占85 它不仅造成因穿孔引起的油 气 水泄漏损失 而且还可能因腐蚀造成水灾 特别是燃气管道因腐蚀引起的爆炸 威胁人身安全 污染环境 后果极其严重 可见腐蚀对压力管道的危害是相当大的 是影响压力管道系统可靠性 使用寿命及造成管道失效的主要因素之一 2020 3 21 10 管道暴炸 输油管腐蚀泄露 管道的腐蚀 2020 3 21 11 2020 3 21 12 2 腐蚀与防护基础知识 2 1腐蚀的概念和腐蚀理论2 1 1腐蚀的概念 金属在周围介质 最常见的液体和气体 作用下 由于化学变化 电化学变化或物理溶解而产生的破化 环境 材料 腐蚀是由于物质与周围环境作用而产生的损坏 由于材料和它所在的环境发生反应而使材料和材料的性质发生恶化的现象 2020 3 21 13 2 1 2腐蚀理论 1 氢去极化腐蚀氢去极化腐蚀的反应式 以金属铁为例 可以简单表示为 阴极反应 2H 2e H2阳极反应 Fe 2e Fe2 2 氧去极化腐蚀氧去极化腐蚀的反应式 以金属铁 中性溶液为例 可以简单表示为 阴极反应 O2 2H2O 4e 4OH 阳极反应 Fe 2e Fe2 2020 3 21 14 2 2腐蚀的分类2 2 1金属腐蚀 全面腐蚀 均匀腐蚀 发生在整个金属表面上的腐蚀称为全面腐蚀 它可能是均匀的 也可能是不均匀的 均匀腐蚀的危害性相对比较小 因为我们在知道了腐蚀速度后 就能够估算出材料的使用寿命 局部腐蚀 主要集中于金属表面某一区域的腐蚀称为局部腐蚀 在局部腐蚀中 金属的某一区域腐蚀严重 而其他部分则几乎未被腐蚀 局部腐蚀主要有以下类型 如 电偶腐蚀 小孔腐蚀 点蚀 晶间腐蚀 缝隙腐蚀 选择性腐蚀 应力腐蚀 疲劳腐蚀 磨损腐蚀 空泡腐蚀和湍流腐蚀 氢损伤 氢鼓泡和氢脆 沉积腐蚀 如垢下腐蚀 浓差电池腐蚀等也均属于局部腐蚀之列 2020 3 21 15 电偶腐蚀 电偶腐蚀又称接触腐蚀或双金属腐蚀 凡具有不同电极电位的金属互相接触 并在一定的介质中所发生的电化学腐蚀即属电偶腐蚀 例如热交换器的不锈钢管和碳钢花板连接处 碳钢在水中作为阳极而被加速腐蚀 但当在两种金属的接触面上同时存在缝隙时 而缝隙中又存留有电解液 这时构件可能受到电偶腐蚀与缝隙腐蚀的联合作用 电偶腐蚀的示意图 阴极 阳极面积比不同的连接结构 a 同时存在两种不同电位的金属或非金属导体 b 有电解质溶液存在 c 两种金属通过导线连接或直接接触 2020 3 21 16 小孔腐蚀 小孔腐蚀又称为点蚀这种破坏主要集中在金属表面的某些活性点上 并向金属内部深处发展 通常其腐蚀深度大于其孔径 严重时可使设备穿孔 点蚀通常发生在易钝化金属或合金中 往往在有侵蚀性阴离子与氧化剂共存的条件下发生 如不锈钢和铝合金在含有氯离子的溶液中常呈现这种破坏形式 小孔腐蚀示意图 18 8不锈钢在充气NaCl溶液中孔蚀的闭塞电池示意图 2020 3 21 17 晶间腐蚀 金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒边界或晶界附近发生腐蚀 使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏的腐蚀现象称为晶界腐蚀 这种腐蚀首先在晶粒边界上发生 并沿着晶界向纵深处发展 这时 虽然从金属外观看不出有明显的变化 但其机械性能却已大为降低了 严重时材料强度完全丧失 轻轻一击就碎 不锈钢焊件在其热影响区 敏化温度的范围内 容易引起对晶界腐蚀的敏化 晶界腐蚀常常会转化为沿晶应力腐蚀开裂 而成为应力腐蚀裂纹的起源 通常晶间腐蚀出现于奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢和铝合金的构件 除非经过稳定化处理或含碳量低者例外 奥氏体不锈钢暴露在450 850 温度区间内足够时间后 对发生晶间腐蚀比较敏感 2020 3 21 18 选择性腐蚀 广义上讲 所有局部腐蚀都是选择性腐蚀 即腐蚀是在合金中的某一组分由于腐蚀优先地溶解到电解质溶液中去 从而造成另一组分富集于金属表面上 例如黄铜的脱锌现象即属这类腐蚀 选择性腐蚀形态 2020 3 21 19 应力腐蚀破裂 受一定拉伸应力作用的金属材料在某些特定介质中 由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的脆性断裂现象 应力腐蚀破裂 SCC 在局部腐蚀中居于首位 根据腐蚀介质性质和应力状态的不同 裂纹特征会有不同 在金相显微镜下 显微裂纹呈穿晶 晶界或两者混合形式 裂纹既有主干 也有分支 形似树枝状 裂纹横断面多为线状 裂纹走向与所受拉应力的方向垂直 钝化合金的SCC机理示意图 2020 3 21 20 产生应力腐蚀的材料与介质的组合 应力腐蚀开裂通常具有如下特点 a 通常在某种特定的腐蚀介质中 材料在不受应力时腐蚀甚微 b 受到一定的拉应力时 可远低于材料的屈服强度 经过一段时间后 即使是延展性很好的金属也会发生脆性断裂 c 断裂事先没有明显的征兆 往往造成灾难性的后果 一般认为发生应力腐蚀开裂需要同时具备如下三个条件 敏感材料b 拉伸应力c 特定的腐蚀介质 如奥氏体不锈钢管外壁保温材料含Cl 量高或保温层破损 渗入的雨水中的氯离子浓缩有可能发生应力腐蚀 2020 3 21 21 影响应力腐蚀开裂的因素 2020 3 21 22 缝隙腐蚀 由于金属表面上存在异物或结构上的原因会形成0 025 0 1mm缝隙 这种在腐蚀环境中因金属部件与其他部件 金属或非金属 之间存在间隙 引起缝隙内金属加速腐蚀的现象称为缝隙腐蚀 碳钢在中性海水中缝隙腐蚀示意图 产生缝隙腐蚀的条件有以下几种 a 不同结构件的连接 如金属与金属之间的铆接 螺纹连接 以及各种法兰盘之间的衬垫等金属和非金属之间的接触等都可以引发缝隙腐蚀 b 金属表面的沉积物 附着物 涂膜等 如灰尘 沙粒 沉积的腐蚀产物 也会引起缝隙腐蚀 2020 3 21 23 腐蚀疲劳 金属材料在循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作用下 所引起的腐蚀形态称为腐蚀疲劳 腐蚀疲劳的特征腐蚀疲劳形成条件则是 绝大多数金属或合金在交变应力下都可以发生 而且不要求特定的介质 只是在容易引起孔蚀的介质中更容易发生 腐蚀疲劳的机理腐蚀疲劳是在交变应力作用下发生 位错往复地穿过晶界运动而不会在晶畀上堆积 腐蚀疲劳的控制对于钢 尤其是钛合金来说 用渗氮的方法进行表面硬化处理 也是抗腐蚀疲劳的一种有效措施 亦有采用非金属表面覆盖层的办法 如涂层 但要求对金属基体有良好的结合力和耐磨能力 2020 3 21 24 磨损腐蚀 由于介质的运动速度大或介质与金属构件相对运动速度大 导致构件局部表面遭受严重的腐蚀损坏 这类腐蚀称为磨损腐蚀 简称磨蚀 造成腐蚀损坏的流动介质可以是气体 液体或含有固体颗粒 气泡的液体等 磨蚀是高速流体对金属表面已经生成的腐蚀产物的机械冲刷作用和对新裸露金属表面的浸蚀作用的综合结果 磨蚀形态 由高速流体引起的磨蚀 其表现的特殊形式主要有湍流腐蚀和空泡腐蚀两种 2020 3 21 25 湍流腐蚀 在设备或部件的某些特定部位 介质流速急剧增大形成湍流 由湍流导致的磨蚀就称之为湍流腐蚀 冲击腐蚀破坏示意图 流型改变产生的湍流 遭到湍流腐蚀的金属表面 常常呈现深谷或马蹄形的凹槽 一般按流体的流动方向切入金属表面层 蚀谷光滑没有腐蚀产物积存 构成湍流腐蚀除流体速度较大外 构件形状的不规则性也是引起湍流的一个重要条件 在输送流体的管道内 流体按水平或垂直方向运动时 管壁的腐蚀是均匀减薄的 但当流体突然改向处 如弯管 U形换热管等的拐弯部位 其管壁就要比其他部位的管壁迅速减薄甚至穿洞 2020 3 21 26 空泡腐蚀 流体与金属构件作高速相对运动 在金属表面局部地区产生涡流 伴随有汽泡在金属表面迅速生成和破灭 呈现与孔蚀类似的破坏特征 这种条件下发生的磨蚀称为空泡腐蚀 又称空穴腐蚀或汽蚀 空泡腐蚀示意 壁面凹陷下的流场 影响磨蚀的因素 金属 合金 表面膜 流速 磨蚀的控制 控制磨蚀可采用合理选材 改善设计 降低流速 除去介质的有害成分 覆盖防护层和电化学保护等多种办法 但以合理选材和改善设计这两种方法最为有效 2020 3 21 27 氢损伤 氢损伤是指金属材料中由于氢的存在或氢与金属相互作用 造成材料力学性能下降的总称 在含硫化氢的油 气输送管线及炼油厂设备常发生这种腐蚀 氢损伤分为四种不同的类型 氢鼓泡 氢脆 脱碳 氢蚀 氢的来源据氢的来源不同 可分为内氢和外氢两种 内氢是指材料使用前就已存在在其内部的氢 是材料在冶炼 热处理 酸洗 电镀和焊接等过程中吸收的氢 外氢是指材料在使用过程中与含氢的介质接触或进行电化学反应 如腐蚀 阴极保护 所吸收的氢 氢鼓泡 是指在某些介质中 由于腐蚀或其他原因而产生的氢原子渗入金属内部而产生的 导致金属局部变形 甚至完全破坏 氢鼓泡的机理示意图 氢鼓泡形态 2020 3 21 28 防止方法 除去环境中含有硫化物 氰化物 含磷离子等阻止放氢反应的成分作有效 也可选用无空穴的镇静钢以代替有众多空穴的沸腾钢 此外 可采用氢不宜渗透的奥氏体不锈钢或镍的衬里 或橡胶 塑料 砖板衬里 也可加入缓蚀剂等 氢脆 是由于氢进入使金属内部引起的 导致韧性和抗拉强度下降变脆 并在应力的作用下发生脆裂 防止方法 a 在容易发生氢脆的环境中 避免使用高强钢 可用Ni Cr合金钢 b 焊接时采用低氢焊条 保持环境干燥 水是氢的主要来源 c 电镀液要选择 控制电流 d 酸洗液中加入缓蚀剂 e 氢进入金属后 可进行低温烘烤驱氢 如钢一般在90 150 可脱氢 脱碳 即从钢中脱出碳 常常是由于高温氢蚀所引起的 导致钢的抗拉强度下降 氢蚀 是由于高温下合金中组分与氢的反应引起的 2020 3 21 29 2 2 2有机非金属腐蚀 高分子材料 高分子材料具有优良的耐腐蚀性能 但在防腐蚀领域中应用时 由于腐蚀条件的多样与复杂 不一定总能抵抗介质的侵蚀 通常 在酸 碱和盐的水溶液中 多数塑料或其他高分子材料具有较好的耐腐蚀性 显得比金属优越 但在有机介质中却往往相反 很多高分子材料都不如金属耐蚀 有些塑料在无机酸 碱溶液中也会很快被腐蚀 例如尼龙只能耐较稀的酸 碱溶液 而在浓酸 浓碱中则会遭到腐蚀 高分子材料腐蚀的主要形式有 溶胀和溶解腐蚀 选择性腐蚀 腐蚀降解 蠕变 老化 疲劳腐蚀 环境应力开裂 差热腐蚀开裂 渗透腐蚀 取代基反应 2020 3 21 30 2 2 3无机非金属腐蚀 无机非金属材料作为管道材料主要有玻璃 陶瓷 石墨 铸石 水泥等材料 这些材料制成的管道主要在工业管道中使用 其腐蚀主要为化学腐蚀 由于与介质 或环境 中的某些成分发生化学反应 而造成材料的破坏 2020 3 21 31 2 3防腐蚀的方法 措施 2 3 1腐蚀控制的基本要素 腐蚀学应用研究关注的问题是材料与环境之间可能产生的作用而引起的腐蚀 并寻找控制腐蚀的措施和方法 防腐蚀工程设计关注的问题是装置 材料与环境之间可能产生的作用而引起的腐蚀 并寻找控制腐蚀的措施及方法 前者属狭义腐蚀控制 其方法多从开发新型耐蚀材料 改善腐蚀环境及提高界面耐蚀能力诸方面入手 后者属广义腐蚀控制 除上述诸方面外 还应考虑增加 结构控制 有效性控制 及 经济评价 材料控制 开发新型耐蚀材料 环境控制 添加缓蚀剂 介质处理等 界面控制 电化学保护 金属表面耐蚀涂层 非金属衬里等 结构控制 设备结构 制造安装 设备强度刚性对材料与环境的影响等 有效性控制 工艺运行 维护检修对材料与环境的影响 关键设备的腐蚀监测 检测技术等 经济控制 经济上的可行性等 2020 3 21 32 防腐蚀作业的一般程序 维修服务 防腐蚀项目 了解项目的腐蚀环境 选择最佳的防腐蚀方法 施工及制作管理 竣工交接 检测检验 标准规范 2020 3 21 33 2 3 2常用的防腐蚀措施 治理环境 包括介质处理 干燥 脱气 脱盐等 缓蚀剂 与环境隔离的覆盖层等 整治结构 结构包括宏观的 工程结构 及微观的 材料结构 前者通过设计来整顿 后者通过材料成分及工艺的调整来改变 也可将防腐蚀覆盖层及电化学保护放在材料结构之内 因为它们分别改变了材料表面的化学成分及电子结构 整治结构 治理环境 常用的防腐蚀措施 脱水 脱硫 脱氧等 加氨 Lan5 Lan826等 2020 3 21 34 防腐蚀作业方式 防腐蚀 全结构或衬里 管道 泵 阀门等 耐蚀非金属材料制防腐蚀设备 石墨 玻璃钢 塑料 陶瓷等 耐蚀金属材料制防腐蚀设备 不锈钢 贵金属等 其他防腐蚀设备 搪瓷 滚塑设备等 监控检测的设计和仪器的制作 监控检测仪器的安装调试 防腐蚀工程 2020 3 21 35 根据腐蚀电池极化作用 人为地采取一定的措施 使原来的腐蚀电池产生阴极极化或阳极极化 缓解或防止金属的腐蚀 金属电化学保护分为阴极保护和阳极保护 前者包括牺牲阳极法 外加电源法和排流保护法 后者包括保护器法和外加电源法 电化学保护 2020 3 21 36 阴极保护利用外部阴极电流使金属阴极极化 从而达到减缓或停止金属腐蚀的目的 这样的方法叫做阴极保护 实现阴极保护的方法通常有牺牲阳极法和强制电流法 由于在杂散电流排除过程中 在被保护的构筑物上保留一定的负电位 使构筑物得到了阴极保护 所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法 强制电流法根据阴极保护原理 用外部的直流电源作阴极保护的极化电源 将电源的负极接到被保护的构筑物 管道 上 将电源的正极接到辅助阳极上 在电流的作用下 使构筑物发生阴极极化 实现阴极保护 牺牲阳极保护在腐蚀电池中 阳极腐蚀 阴极不腐蚀 利用这一原理 以牺牲阳极优先溶解 金属构筑物成为阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极保护法 2020 3 21 37 整流器 阴极保护原理图 石墨阳极 带状牺牲阳极 2020 3 21 38 排流保护当有杂散电流存在时 通过排流可以实现对管道的阴极极化 这时杂散电流就成了阴极保护电流源 但排流保护是受到杂散电流所限制的 通常的排流方式有直接排流 极性排流 强制排流3种形式 对被保护构筑物选用阴极保护方式时主要考虑如下因素 2020 3 21 39 阳极保护利用钝化体系的阳极钝化现象 使金属表面流过一定的电流密度 从而使金属表面生成钝化膜 再用很小的电流密度维持钝化状态 则金属将从腐蚀强烈的活化状态转变成腐蚀轻微的稳定的钝化状态 这种防止金属腐蚀的技术就称为阳极保护 2020 3 21 40 基体表面处理的重要性 金属表面处理的内容主要是表面清理和除锈 此外 为提高金属表面的防锈能力 还对金属表面进行氧化 磷化和钝化处理 也属于金属表面处理的内容 金属表面清理 清理灰尘 油脂 残留化工物料 陈旧的衬里及涂层等 金属表面除锈 人工和动力工具处理 喷射处理 化学处理 其他处理方法 金属表面的氧化 磷化及钝化处理 GB8923 1988涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级GB T18839 1 2002涂覆涂料前钢材表面处理表面处理方法总则GB T18839 1 2002涂覆涂料前钢材表面处理表面处理方法磨料喷射清理GB T18839 1 2002涂覆涂料前钢材表面处理表面处理方法手工和动力工具处理 2020 3 21 41 表面预处理等级 金属表面处理的内容主要是表面清理和除锈 此外 为提高金属表面的防锈能力 还对金属表面进行氧化 磷化和钝化处理 也属于金属表面处理的内容 金属表面清理 清理灰尘 油脂 残留化工物料 陈旧的衬里及涂层等 金属表面除锈 人工和动力工具处理 喷射处理 化学处理 其他处理方法 金属表面的氧化 磷化及钝化处理 金属表面的处理的等级 GB8923 88 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级 钢材表面锈蚀等级 钢材表面等级分为A B C D四级 人工或动力工具表面处理 人工或动力表面处理质量等级分为St2 St3两级 喷射或抛射处理方法 金属表面处理质量等级定为四级 即用Sa1 Sa2 Sa21 2 Sa3表示 火焰除锈方法 质量等级定为FI化学除锈方法 质量等级定为Be HG T20679 化工设备 管道外防腐设计规定 2020 3 21 42 A B C D 钢材表面等级分为A B C D 全面地覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面 已发生锈蚀 并且部分氧化皮已经剥落的钢材表面 氧化皮已因腐蚀而剥落 或者可以刮除 并且有少量点蚀的钢材表面 氧化皮已因腐蚀而全面剥落 并且已普遍发生点蚀的钢材表面 2020 3 21 43 Sa1轻度的喷射或抛射除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 并且没有附着不牢的氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 Sa2彻底的喷射或抛射除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 并且氧化皮 铁锈和油漆层等附着物已基本清除 其残留物应是牢固附着的 Sa21 2非常彻底的喷射或抛射除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑 Sa3是钢材表面洁净的喷射或抛射除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 该表面应显示均匀的金属色泽 St2彻底的手工和动力机械除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 并且没有附着不牢的氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 St3非常彻底的手工和动力机械除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 并且没有附着不牢的氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 除锈应比更彻底 底材显露部分的表面应具有金属光泽 FI火焰除锈钢材表面应无氧化皮 铁锈和油漆层等附着物 任何残留的痕迹应仅为表面变色 不同颜色的暗影 Be化学除锈钢材表面应无可见的油脂和污垢 处理未尽的氧化皮 铁锈和油漆层的个别残留点允许用手工和动力机械方法除去 但最终该表面应显露金属原貌 无再度锈蚀 2020 3 21 44 2020 3 21 45 金属表面预处理方法 人工和动力工具处理方法 喷射处理方法 化学处理方法 其他处理方法 有火焰除锈 高压射流 蒸煮法 阳极除锈 阴极除锈等方法 各类防腐蚀制造施工对表面预处理等级的要求 预处理的表面粗糙度 预处理表面的其他要求 盐 灰尘等 表面预处理的环境要求温度 环境温度 被处理表面温度 检测 湿度检测 露点检测 气压检测 粉尘等的检测 2020 3 21 46 3 压力管道的腐蚀 3 1压力管道常见的腐蚀介质3 1 1压力管道腐蚀的因素 材料本身 选材的问题 影响腐蚀的因素 腐蚀介质的组成和浓度 温度 压力 流速 腐蚀产物 外部环境 大气 土壤 水下等 内部环境 化学因素 介质的成分 包括杂质 PH值 可能的化学反应等 物理因素 介质温度 流速 受热及散热条件 受力类型及大小等 结构 结构 规格尺寸等 2020 3 21 47 结构设计要注意的腐蚀问题 几何形状或尺寸发生变化和当待连接的两母材厚度不等时的处理方法 几种合理与不合理的设计 尽量避免焊缝集中 交叉焊缝和闭合焊缝 2020 3 21 48 受力最大处或应力集中处 最常出现问题的部位 2020 3 21 49 3 1 2常见的腐蚀介质 压力管道外的腐蚀性介质 主要是大气 土壤 淡水 海水 大气腐蚀ISO9223 大气腐蚀性分类标准 按测定金属标准试样腐蚀速率进行分类 将大气分为C1 C2 C3 C4 C5 即腐蚀性很低 低 中 高 很高5类 2020 3 21 50 按测定大气环境中SO2或氯离子的浓度及试样表面潮湿时间进行分类 分别划分污染大气环境为P0 P1 P2 P3和S0 S1 S2 S3类型 按国家标准GB T15957 1995 大气环境腐蚀性分类 在乡村大气 城市大气 工业大气和海洋大气四种大气环境下 露天裸露的普通碳钢腐蚀等级划分的标准见下表 表中气体类型A B C D见下表 以氯化物表示的含盐空气污染的分类 ISO9223 大气腐蚀性分类标准 2020 3 21 51 大气环境腐蚀性分类 GB T15957 1995 大气环境腐蚀性分类 2020 3 21 52 腐蚀性气体的分类 2020 3 21 53 土壤腐蚀 土壤腐蚀的环境特点 a 土壤的多相性 土壤是一个固 液 气三相组成的多相体 水有地下水和雨水等 土壤有砂土 黏土等 决定了土壤腐蚀的复杂性 b 土壤的不均一性 土壤性质和结构的不均一性是土壤电解质的最显著特征 不同的土壤的理化性质各异 电化学性质也随之不同 导致土壤的腐蚀性差异 c 土壤的多孔性 微孔成为土壤中气液两相的载体 水使土壤成为腐蚀性电解质 土壤的孔隙度和含水量 又影响着土壤的透气性和导电率的大小 d 土壤的相对稳定性 土壤的固体部分对于埋设在地下土壤中的管道 可以认为是固定不动的 仅有土壤中的气相和液相作有限的运动 如 土壤孔隙中气体的扩散和地下水的移动等 2020 3 21 54 土壤腐蚀性的评价 一般地区的土壤腐蚀性分级标准 土壤腐蚀性评价指标 土壤细菌腐蚀性评价指标 2020 3 21 55 土壤腐蚀的影响因素 材料 相结构和组织 焊缝热影响区 材料夹杂物周围和晶界 土壤电阻 土壤的氧化还原电位 土壤的盐分 土壤的含水量 土壤的含气量 土壤的酸度 pH值 气候条件以及土壤的温度 土壤的微生物和有机质 杂散电流 2020 3 21 56 淡水腐蚀淡水中钢铁的电化学腐蚀通常受淡水中溶解氧的去极化作用所控制 影响淡水腐蚀的主要因素有 pH值 温度 溶解氧的浓度 水流的速度 微生物 海水腐蚀由于海水中含有腐蚀性很强的天然电解质 从而为电化学腐蚀创造的良好的条件 金属材料在海水环境下很容易遭受腐蚀而失效破坏 影响海水腐蚀的主要因素有 盐含量 溶解氧 温度 pH值 流速 海洋生物 2020 3 21 57 压力管道内的腐蚀性介质 长输管道输送的主要为原油 成品油 天然气 液化石油气 液化天然气等 但是其中对输送管道有腐蚀性主要为输送介质中H2S CO2 O2 Cl 和水分等 公用管道输送的主要是公用和民用天然气 石油气 人工煤气 煤层气以及供热水蒸气等 腐蚀性介质主要为供热管道的水蒸气及其中的O2 Cl 等 燃气管的腐蚀介质主要为输送介质中H2S CO2 CO O2 Cl F 和水分等 动力管道输送的主要为火力发电用的水蒸汽 汽水两相介质等 腐蚀性介质主要为水蒸气及其中残留的O2 Cl 等 工业管道主要为输送工艺介质的工艺管道 公用工程管道 工业管道最为复杂 几乎涉及到所有的介质情况 接触到所有的腐蚀性介质 常见的腐蚀性介质有 各种酸 硫酸 硝酸 盐酸 磷酸等 各种碱 氢氧化钠 氢氧化钾等 各种盐 氯化钠 硫酸钠等 各种气体 氯气 氧气 氢气 氮气 氯化氢 二氧化碳 氨气 醇类 甲醇 乙醇 烷烃类 烯烃了 卤代烃类 有机酸类等 2020 3 21 58 3 2压力管道常见的腐蚀类型3 2 1压力管道内常见的腐蚀类型 3 2 2压力管道外常见的腐蚀类型 由于压力管道输送介质的多样性 复杂性 压力管道腐蚀的类型几乎涵盖所有的腐蚀类型 磨损腐蚀 湍流腐蚀和空泡腐蚀 晶间腐蚀应力腐蚀破裂腐蚀疲劳氢损伤 压力管道外一般都采取了一定的防腐蚀措施 覆盖有防腐蚀层 压力管道外的腐蚀 往往是由于防腐蚀层的缺陷或人为破坏 而引起的 其主要是由大气或土壤的腐蚀环境造成的腐蚀破坏 2020 3 21 59 2020 3 21 60 3 3压力管道腐蚀的特点 多相流流体 流体力学高温 高压环境溶解氧腐蚀油气管道的硫化氢腐蚀 二氧化碳腐蚀工业管道的介质多样 复杂 2020 3 21 61 3 4埋地管道的腐蚀与防护3 4 1埋地管道的种类 埋地压力管道一般是长输管道和公用管道居多 而工业管道和动力管道一般以架空管道居多 长输管道的埋地管道主要是金属管道 以输送油气为主 部分工业管道 以油田集输管道为主 和公用管道的埋地管道主要也是以金属管道为主 但是随着非金属材料的发展 近年来非金属材料的管道在公用管道 以燃气用埋地聚乙烯及聚乙烯复合管道为主 和工业管道 高压玻璃钢管道为主 中压和低压燃气管道宜采用的管材 聚乙烯管 机械接口球墨铸铁管 钢管或钢骨架聚乙烯塑料复合管 2020 3 21 62 3 4 2燃气用埋地聚乙烯 PE 管道系统 选用专用的燃气用混配料原材料 通过烘干后上料 二次干燥 世界上先进的德国 Bettenfeld 生产线 集中烘干上料系统 确保用料优质无污染 米重系统严格控制挤出用料量 确保管道单重恒定 超声波壁厚检测系统实时监测管道壁厚 壁厚均匀 2020 3 21 63 GB15558 1 2003燃气用埋地聚乙烯 PE 管道系统管材GB15558 2 2005燃气用埋地聚乙烯 PE 管道系统管件GB15558 1 2008燃气用埋地聚乙烯 PE 管道系统阀门 PE燃气管材技术要求 出厂检验项目 2020 3 21 64 运输贮存 管材运输时 不得受到划伤 抛摔 剧烈的撞击 暴晒 雨淋 油污和化学品污染 管材贮存在通风良好 地面平整的车房内 室外堆放应有遮盖物 避免暴晒和雨淋 管材堆放高度不得超过1 5米 典型的聚乙烯表面刮痕 管材的耐划伤与耐点载荷性能 随着非开挖等新一代管材铺设安装技术和修复技术的发展 对塑料管材的性能提出了更高的要求 尤其需要良好的耐划伤和点载荷性能 非开挖安装过程中 聚乙烯管极易受到刮擦 2020 3 21 65 3 4 3钢制埋地管道常用的防腐层 埋地管道的防腐层对管道起到保护作用 影响防腐层保护效果的因素 除了选用耐蚀性较好的材料来降低埋地管道的外腐蚀损失外 还采用防腐蚀保护层 阴极保护和排流保护来减轻埋地管道的外腐蚀 防腐层 石油沥青防腐层 煤焦油瓷漆 沥青 防腐层 环氧煤沥青防腐层 聚乙烯粘胶带防腐层 环氧粉末涂层 热辐射胶联挤压聚乙烯防腐层 新 三层PE 隔离作用 将金属与腐蚀性介质隔离 缓蚀作用 借助涂料的内部组分 如铬锌黄等阻蚀性颜料 与金属反应 使金属表面钝化或生成保护性物质 提高防腐层的保护作用 电化学保护作用 在涂料中添加比铁活性高的金属填料 如锌等 起到牺牲阳极的保护作用 减轻腐蚀 环境因素 涂敷环境和使用环境 材料因素 被涂敷管道的材质 表面状态 涂料性能及防腐层的配套性 如底漆和中间漆和面漆的配套性等 施工因素 施工方法和施工质量 2020 3 21 66 三层PE外防腐层制造工艺流程图 3 4 4钢制埋地管道常用的施工和检测方法 2020 3 21 67 钢管表面处理 PE防腐层涂敷 2020 3 21 68 熔结环氧粉末涂层防腐管的涂装工艺流程 2020 3 21 69 检测检验 2020 3 21 70 喷丸处理后钢管表面锚纹深度检测 喷丸处理后钢管表面Cl 检测 2020 3 21 71 电火花检测 测厚 附着力检测 抗阴极剥离试验 修补后电火花检测 2020 3 21 72 埋地钢质管道煤焦油瓷漆外防腐层 埋地钢质管道煤焦油瓷漆外防腐层技术标准 SY T0379 1998 合成底漆 合成底漆是由绿化橡胶 合成增塑剂和溶剂组成的液体涂料 该底漆在被涂覆金属和煤焦油瓷漆之间产生良好的粘接 煤焦油瓷漆 由高温煤焦油分馏得到的重质馏分和煤沥青 添加煤粉和填料 经加热熬制所得的制品 内缠带 是用与煤焦油瓷漆相容的耐热粘结剂粘结 并用玻璃纤维束在纵向加强的带状玻璃纤维毡 缠绕在煤焦油瓷漆层中 用以改善防腐层机械性能 外缠带 是用与煤焦油瓷漆相容的耐热粘结剂粘结 并用玻璃纤维束在纵向加强的带状玻璃纤维毡 均匀浸渍煤焦油瓷漆制成的带状物 缠绕在最外层的煤焦油瓷漆层上 用于增强防腐层抵抗外部机械作用的能力 热烤缠带 是用与煤焦油瓷漆相容的耐热粘接剂粘接 带加强筋的玻璃毡或涤纶纤维毡 即基毡 涂敷较厚的煤焦油瓷漆制成的带状物 热烤粘接在钢管表面或煤焦油瓷漆层上 作为异型管件及补口 补伤处的防腐层 防腐管 或管件 产品的出厂检验是在生产过程质量检验基础上进行的 每批产品出厂前均应进行出厂检验 产品的出厂检验项目应包括 防腐层外观检查 厚度检查 漏点检查及粘接力检查 防腐层上的缺陷主要为针孔或气泡 露铁和大面积损坏 普通级防腐层总厚度要求为 2 4mm 加强级为 3 2mm 特加强级为 4 0mm 2020 3 21 73 埋地钢质管道石油沥青防腐层 埋地钢质管道石油沥青防腐层技术标准 SY T0420 1997 石油沥青防腐层的防腐等级分为普通级 加强级和特加强级 普通级防腐层总厚度要求为 4mm 加强级为 5 5mm 特加强级为 7mm 普通级防腐层结构为三油三布 加强级为四油四布 特加强级为五油五布 生产过程质量检验项目主要包括 表面预处理质量检验 外观检查 厚度检查 粘结力检查 防腐涂层的连续完整性检查等内容 用高压电火花检漏仪逐根进行防腐涂层的连续完整性检查 检漏电压要求为 防腐等级为普通级 检漏电压为16kV 防腐等级为加强级 检漏电压为18kV 防腐等级为特加强级 检漏电压为20kV 完工后提交的技术文件 防腐管出厂合格证及质量证明书 防腐材料合格证 各种化验及检查记录 补口记录 检漏补伤记录 建设单位要求提供的其他技术资料 2020 3 21 74 2020 3 21 75 埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层 埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准 SY T0447 1996 环氧煤沥青防腐层分为 普通级 加强级 特加强级三个等级 普通级 底漆 面漆 面漆 面漆 0 3mm 2000V加强级 底漆 面漆 面漆 玻璃布 面漆 面漆 0 40mm 2500V特加强级 底漆 面漆 面漆 玻璃布 面漆 面漆 玻璃布 面漆 面漆 0 6mm 3000V 钢管外防腐层采用玻璃布作加强基布时 在底漆表干后 对高于钢管表面2mm的焊缝两侧 应抹腻子使其形成平滑过渡面 2020 3 21 76 钢质管道液体环氧涂料内防腐层 钢质管道液体环氧涂料内防腐层技术标准 SY T0457 2010 内防腐层分为 普通级 200 m加强级 300 m特加强级 450 m 液体环氧涂料内防腐管的出厂检验项目a 外观 b 涂层厚度 c 附着力 d 管端预留长度 2020 3 21 77 埋地钢质管道聚乙烯防腐层 埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准 GB T23257 2009 挤压聚乙烯防腐层分二层结构和三层结构两种 二层结构的底层为胶粘剂层 外层为聚乙烯层 三层结构的底层通常为环氧粉末涂层 中间层为胶粘剂层 外层为聚乙烯层 防腐层的厚度 注 a 不适用于二层结构聚乙烯防腐层 2020 3 21 78 除锈质量应达到GB T8923中规定的Sa21 2级要求 锚纹深度达到50 90 m 钢管表面的焊渣 毛刺等应清除干净 应将钢管表面附着的灰尘及磨料清扫干净 钢管表面的灰尘度应不低于GB T18570 3规定的2级 抛 喷 射除锈后的钢管应按GB T18570 9规定的方法或其它适宜的方法检测钢管表面的盐份含量 钢管表面的盐份不应超过20mg m2 钢管表面处理后应防止钢管表面受潮 生锈或二次污染 表面处理后的钢管应在4h内进行涂敷 超过4h或当出现返锈或表面污染时 应重新进行表面处理 质量检验 表面处理质量检验 应对涂敷过程中的钢管加热温度进行连续监测 钢管的加热温度等工艺参数应符合确定的参数 防腐层外观应逐根目测检查 聚乙烯层表面应平滑 无暗泡 无麻点 无皱折 无裂纹 色泽应均匀 防腐管端应无翘边 2020 3 21 79 防腐层的漏点应采用在线电火花检漏仪进行连续检查 检漏电压为25kV 无漏点为合格 单管有两个或两个以下漏点时 可按第8章的规定进行修补 单管有两个以上漏点或单个漏点沿轴向尺寸大于300mm时 该防腐管为不合格 连续生产的钢管防腐层厚度至少应检测第1 5 10根 之后每10根至少测一根 宜采用磁性测厚仪或电子测厚仪测量钢管3个截面圆周方向均匀分布的各4点的防腐层厚度 同时应检测焊缝处的防腐层厚度 结果应符合3 2的规定 防腐层的粘结力按附录H的方法通过测定剥离强度进行检验 每班至少在两个温度条件下各抽测一次 结果应符合表8的规定 每班至少应测量一次三层结构防腐管的环氧粉末涂层厚度及固化度 结果应分别符合表1和表8的规定 每连续生产的第10 20 30km的防腐管均应按附录D的方法进行一次48h的阴极剥离试验 之后每50km进行一次阴极剥离试验 结果应符合表8的规定 如不合格 应加倍检验 加倍检验全部合格时 该批防腐管为合格 否则 该批防腐管为不合格 每连续生产50km防腐管应截取聚乙烯层样品 按GB T1040检验其拉伸强度和断裂伸长率 结果应符合表7的规定 若不合格 可再截取一次样品 若仍不合格 则该批防腐管为不合格品 2020 3 21 80 竣工文件应包括 a 防腐层原材料 防腐管的出厂合格证及质量检验报告 b 补口材料出厂合格证及质量检验报告 c 补口 补伤施工记录及检验报告 d 建设单位所需的其它有关资料 2020 3 21 81 钢质管道聚乙烯胶粘带防腐层 钢质管道聚乙烯胶粘带防腐层技术标准 SY T0414 2007 2020 3 21 82 埋地钢质管道防腐保温层 埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准 SY T0415 1996 埋地钢质管道防腐保温层技术标准 GB T50538 2010 输送介质温度不超过100 的保温管道结构图1 保温层 防护层 防水帽 防腐层 管道 适用于输送介质温度不超过120 的埋地钢质管道外壁防腐层与保温层的设计 预制及施工验收 输送介质温度不超过120 的保温管道结构图 钢管 防护层 耐高温聚氨酯泡沫塑料层 支架 报警线 一步法 成型工艺 管中管 成型工艺 2020 3 21 83 防腐层可选用环氧类涂料 聚乙烯胶粘带 聚乙烯防腐层或环氧粉末防腐层 由设计选定 当采用环氧类涂料时 其厚度不应小于80 m 当采用聚乙烯胶粘带 聚乙烯防腐层或环氧粉末防腐层时 其结构及厚度应符合相应技术标准规范的规定 保温层应选用聚氨酯泡沫塑料 其厚度应根据经济厚度计算法 见附录 并结合输送工艺要求确定 其厚度不应小于25mm 防护层可选用聚乙烯专用料或玻璃钢层 防护层厚度应根据管径及施工工艺确定 其厚度应不小于1 4mm 并应符合本标准相关条款的规定 防腐保温层端面应采用辐射交联热收缩防水帽 防水帽与防护层 防水帽与防腐层的搭接长度应不小于50mm 管件的防腐保温结构宜与主管道一致 其防腐保温层质量应不低于主管道的要求 辐射交联热缩材料由基材和底胶两部分组成 基材为辐射交联聚乙烯材料 底胶为热熔胶 辐射交联热缩材料的热缩比 收缩后 收缩前 应小于0 45 2020 3 21 84 保温管 2020 3 21 85 防腐蚀施工 涂料涂装 防腐层制作 的环境要求 腐蚀控制设计 施工方面应记录的内容 1 防腐层材料 结构的选择 采用的设计施工规范 以及竣工资料 2 阴极保护系统的绝缘装置 阳极点 检测装置 检测导线和其它设备的布置设计以及竣工资料 3 其它腐蚀控制的有关资料 腐蚀控制维修记录应包括的内容 1 阴极保护系统的维修记录 2 干扰腐蚀控制设施的维修记录 3 防腐层的维修记录 4 其它有关的维修记录 施工环境应通风良好 并符合下列要求 温度在13 30 为宜 但不得低于5 相对湿度不宜大于80 遇雨 雾 雪 强风等天气不得进行室外施工 不宜在强烈日光照射下施工 2020 3 21 86 埋地管道常用的几种防腐蚀层比较 2020 3 21 87 石油化工设备和管道涂料防腐蚀技术规范 SH3022 1999 钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范 SY0007 1999 化工设备 管道外防腐设计规定 HG T20679 1990 埋地钢质管道煤焦油瓷漆外防腐层技术标准 SY T0379 1998 埋地钢质管道石油沥青防腐层技术标准 SY T0420 1997 埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准 SY T0447 1996 钢质管道液体环氧涂料内防腐层技术标准 SY T0457 2010 埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准 GB T23257 2009 钢质管道聚乙烯胶粘带防腐层技术标准 SY T0414 2007 埋地钢质管道防腐保温层技术标准 GB T50538 2010 石油建设工程质量检验评定标准防腐保温钢管制作 SY T0468 2000 输油管道工程设计规范 GB50253 2003 熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装 GB18593 2010 有关钢制埋地管道的标准 规范 2020 3 21 88 3 4 5钢制埋地管道的阴极保护 在钢制埋地管道上的阴极保护类型主要是 外加电流阴极保护 牺牲阳极阴极保护 外加电流阴极保护又称强制电流阴极保护 外加电流阴极保护主要应用于淡水 海水 土壤 海泥 碱及盐等环境中金属设施的防腐蚀 它的适用性比较广 只要有便利的电源 邻近没有不受保护的金属构筑物的场合几乎都适合选用外加电流阴极保护 管道的外加电流保护 有防腐层管道的外加电流保护 长输管道和油气田外输管道必须采用阴极保护 阴极保护系统应有检查和监测设施 2020 3 21 89 牺牲阳极阴极保护在淡水 海水 土壤 海泥 碱及盐等环境中金属设施的防腐蚀已被广泛应用 由于它具有不需要外部电源 对邻近金属构筑物干扰较小等特点 因此特别适用于缺乏外部电源和地下金属构筑物较复杂地区的管道的防腐蚀 牺牲阳极保护 2020 3 21 90 阴极保护准则 阴极保护准则 最小保护电位金属经阴极极化后达到完全保护所需要的 绝对值最小的负电位值 称之为最小保护电位 最小保护电位与金属的种类 腐蚀介质的组成等有关 相对饱和CuSO4参比电极 0 85V 天然水和土壤中的金属管道 注意IR降 0 95V 水和土壤中含硫酸盐还原菌 硫酸根含量大于0 5 0 75V 干燥或充气的高电阻 大于5000 m 土壤中 电位偏移指标管道表面与同土壤接触的参比电极之间测得阴极极化电位差不得小于100mV 可用于极化的建立过程中或衰减过程中 最大保护电位在阴极保护条件下 所允许施加的绝对值最大的负电位值称为最大保护电位 由于产生SCC等 需要比 0 85V更负一些 防腐层的材质和环境确定 防止覆盖层破坏和产生氢损坏 以不破坏防腐层为原则 一般取 1 5V 更负要有试验依据 2020 3 21 91 直流排流保护准则 埋地钢质管道直流排流保护技术标准 SY T0017 2006 直流杂散电流干扰判定标准当在管道任意点上管地电位较自然电位偏移20mV或管道附近土壤中的电位梯度大于0 5mV m时 确定为存在直流杂散电流干扰 当在管道任意点上管地电位较自然电位正向偏移100mV或管道附近土壤中的电位梯度大于2 5mV m时 管道应采取直流排流保护或其他防护措施 直流排流保护效果评定准则 直流排流保护效果评定准则 排流 将管道中流动的干扰电流 通过人为形成的通路使之直接或间接流回到干扰源的负回归网络 从而减弱管道的直流干扰影响 达到防止管道电蚀的目的 这种保护管道的技术成为派流 2020 3 21 92 2020 3 21 93 交流排流效果准则 在弱碱性土壤中 当Ca2 Mg2 含量超过0 005 时 管道交流干扰临界安全电压为10V 在中性土壤中 含盐量小于0 01 时 管道交流干扰临界安全电压为8V 在酸性土壤或盐碱性土壤环境时 管道交流干扰临界安全电压为6V 被干扰管道上瞬间干扰电压允许值 1000V 2020 3 21 94 各种阴极保护的优缺点 2020 3 21 95 阴极保护与防腐层的关系 阴极保护与防腐层的关系 防腐层的保护效果 保护电流的消耗 保护长度防腐层的阴极剥离 最大保护电位为 1 25V 保护电流密度 防腐层的质量 排流保护与防腐层的关系通过防腐层的设计 加强防腐层等级 增强排流点选择的灵活性 提高排流效果等 2020 3 21 96 外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护的基本知识 外加电流阴极保护术语 阴极保护 通过阴极极化控制电化学腐蚀的技术 电化学保护 通过降低腐蚀电位而达到的电化学保护 强制电流 又称外加电流 通过外部电源施加的电流 辅助阳极 也称接地阳极 与强制电流电源的正极相连 仅限于以导电为目的的电极 土壤中常用的辅助阳极有石墨阳极 高硅铸铁阳极 钢铁阳极 磁性氧化铁阳极和柔性阳极 最小保护电位 金属达到安全保护所需要的 绝对值最小的负电位值 最大保护电位 阴极保护条件下 允许的绝对值最大的负电位值 测试桩 从埋地管道上引出的 用于测量阴极保护参数的装置 IR降 电流在介质中流动所造成的电阻压降 在测量管道保护电位时 IR降为有害误差 需排除 腐蚀电位 腐蚀体系中金属的电极电位 自然电位 无外部电流影响的腐蚀电位 极化电位 由于电流的流动引起电极 电解质界面电位的偏移称为极化 在极化状态下的电位称为极化电位 断电瞬间电位 断电瞬间测得的管道腐蚀电位 断电电位中消除了IR降成分 2020 3 21 97 牺牲阳极阴极保护术语 阴极保护 通过降低腐蚀电位而达到的电化学保护 牺牲阳极 靠着自身腐蚀速度的增加而提供阴极保护电流的金属或合金牺牲阳极通常有镁 锌 铝 及其它们的合金 临时性阴极保护 在管道埋入地下后 正式阴极保护尚未投运之前对强腐蚀地区的管段采取的腐蚀控制手段 接地电池 采用一对或几对牺牲阳极 互相用绝缘垫隔开 再用填料填充包扎 通过填料的电阻耦合起来 以消除强电电涌冲击 接地垫 安装在地面或地下的裸露的导体 彼此排列相连 以提供一