第二章-减轻腐蚀的方法

1埋地金属管道的腐蚀与防护(二)第二章

减轻腐蚀的方法

2一、概述(1)对于埋地管道来说，减轻腐蚀的主要方法就是对管道的内、外进行涂层；同时对管道进行阴极保护（CP）。3概述(2)腐蚀过程是一种电化学反应的过程。所以电子流动的回路是这一反应的基本组成部分。在土壤（电解液）中，钢管作为阳极，与同时存在的阴极，构成了一个完整的腐蚀电池和回路。4概述(3)这个回路使得腐蚀过程能够一直进行下去。在此过程中，钢制管道材料就被消耗掉。如果这一回路被涂层切断，腐蚀过程将会停止。5概述(4)使用内、外涂层是为了防止管道的金属表面与它周围的电解液直接接触。同时，也等于在此电回路中增加了一个高电阻，这个高电阻使得腐蚀这一电化学反应不能立刻就出现。6概述(5)在管道服役的过程中，由于涂层的变质；土壤的应力（温度、外力等）对涂层的反复作用；或者埋地管道的位移等，都会使涂层产生针孔（眼）或裂纹。我们知道，如果使管道金属表面成为电化学电池的阴极，将会大大降低管道金属的腐蚀速度。7概述(6)通过外部强加电流；或者使用牺牲阳极的方法就能够使管道金属表面变成腐蚀回路中的阴极。8概述(7)对管道采用强加电流的阴极保护时，，使用变压-整流器向阴极保护系统供应直流电，并使埋地管道成为阴极（负极）。同时，使用一个埋地的阳极（地床）。在使用、操作控制合理的情况下，管道（或金属结构）就会受到保护。阳极将因向回路提供所必须的电子（流）（或电势）而被消耗。9概述(8)在牺牲阳极的阴极保护系统中，系统将由一种牺牲阳极的金属（例如：锌或镁）的阳极与被保护的钢管（或金属结构，如钢油罐底）组成。此时,阳极金属将为这种阴极保护系统（称之为牺牲阳极的阴极保护）提供所需的电子（流）（或电势）。10学习本章的目的

通过本章的学习，你将能够：

-了解减轻腐蚀的方法

-了解涂层的特点

-了解阴极保护的各组成部分及功能111.涂层的功能(1)埋地管道的主要防腐方法之一就是涂层。管道在进行了外涂层之后，就可以防止管道金属与周围的土壤直接接触，管道外部金属的腐蚀得到减轻。121.涂层的功能(1-1)如果涂层材料在任何情况下都不破裂和损坏。始终保持着回填前的高质量和起初完整的涂层薄膜。它就可以阻止腐蚀过程的发生。实际上，无论是运输、还是下沟、回填都难以达到上述要求。埋地后，外涂层产生针孔（开裂）和变质不可避免。131.涂层的功能(1-2)埋地管道的外涂层材料的性质及选择具有十分重要。合适的涂层材料应当具备下列特性：1)它是有效的电绝缘体；2)它能有效的阻止潮湿水汽的侵蚀-有效屏障；3)便于施工、维修-良好的可使用性；141.1.涂层的功能(2-1)4）随着使用时间的延长，涂层仍然能具有阻止产生针孔，或开裂的能力；5）涂层具有承受正常运输、储存(UV（Ultra-VioletLight)变质和铺设受力\变形的能力；6）涂层易于修理；7）涂层与环境之间无毒性反应。151.涂层材料(3)

常用的涂层材料有：1、塑性（变性）煤胶油；或沥青瓷漆。在加热的情况下使用。通常与无机纤维加强布一起使用；161.涂层材料(3-1)2、聚乙烯或聚氯乙烯塑料带。常用的有自粘带；或者与一种底料/粘结剂一起使用。有时也与橡胶组份分层压制的胶带一起使用。3、各种氨基甲酸乙酯树脂。通过涂刷或喷涂的施工方法加以使用；171.涂层材料(3-2)4、使用烧结法，或挤压法施工的涂层大多数是高密度聚乙烯；5、环氧树脂一般以半固化的粉末形式使用。将粉末喷涂在已加热的管道表面上，以便形成涂层膜。181、涂层材料（4）涂层的初始电阻率可以达到10,000Ω/m2；虽然，管道阴极保护所要求的保护电流密度取决于涂层在下沟和回填等操作期间的受损情况。一般说,新管道投产后，开始时的电流密度可以取0.05mA/m2；或者更低。191.涂层材料(4-1)如果我们希望把各站之间的相互影响降低到最小；可以适当地减少阴极保护站的数量，增大站间距，从而增加了每个站的阴极保护距离。因此，高质量的涂层和管道铺设施工期间对于涂层的重视、格外保护和所采取的措施，对于管道的防腐保护具有非常重要的意义。202.阴极保护(1)阴极保护按照使用的不同方法，可以分为牺牲阳极的阴极保护和强加电流的阴极保护两种。212.阴极保护(2)2.1牺牲阳极的阴极保护(1)2.1.1.保护管道所使用的牺牲阳极的材料

2.1.2.牺牲阳极系统是如何工作的？

2.1.3.牺牲阳极的应用场合222.1牺牲阳极（1）2.1.1牺牲阳极的材料（1）镁(Mg)和锌(Zn)是管道上使用的两种典型的阳极材料。虽然,铝在理论上也具有上述两种材料提供回路电流的能力。但是，由于其表面的易于形成氧化铝保护层的缘故，至今仍没有应用于保护埋地管道(金属结构上）上。因为在保持它们的活性方面，尚没有找到有效的方法。232.1牺牲阳极（2-1）2.1.2.牺牲阳极是如何工作的？（1）牺牲阳极的保护方法就是把两种不同金属在电解液（土壤）中形成电池的原理–原直电池原理-直接加以利用。242.1.2.牺牲阳极是如何工作的？（1-1）

此时，钢管道与一种电动势序比它高（活泼）的金属（在电气上）连接在一起；并处于一个共用的，导电的电解液中（土壤）中。金属的电动势序越高（或越活泼），它就越容易放出电子，即越容易被腐蚀。因为在此情况下，它作为阳而放出电子。252.1.2.牺牲阳极是如何工作的（1-2）镁和锌正是比钢铁活泼的金属。如果对保护结构（如罐底或阀门)所需要的电流密度已知。那末，使用牺牲阳极保护系统所需要阳极材料的数量（即表面积）就能加以设计计算。因为，正是阳极在期望的保护寿命内，连续不断地为保护回路提供了所需要的电流。262.1牺牲阳极（3）2.1.3.牺牲阳极的应用（1）对于管道系统，牺牲阳极多用在需要保护电流相对比较小的场合；以及土壤电阻率足够低的地方。以便在合理的阳极数量下，能够获得所期望的保护电流大小。如果保护需要大电流。一般说来，还是应用强加电流的阴极保护系统更加经济合理。272.1.3牺牲阳极的应用（2）

一个具有良好涂层，并采用了强加电流阴极保护系统的管道，可能还有一些孤立的地方。如果这些地方需要相对小的额外保护电流。这些保护要求可以采用牺牲阳极系统保护的办法加以满足。

282.1.3牺牲阳极的应用（2-1）

典型的应用包括涂层很差，或者涂层不完整的埋地阀门、设施；不能够进行清理的短套管、管子涂层已经受到严重腐蚀的孤立管段；以及由远处强加电流供电，而由于由于电气屏蔽作用，使得电流分布状况已经损害的地段的管段等。292.1.3牺牲阳极的应用（2-2）

牺牲阳极（通常使用锌板；或锌棒）也有可能应用在管道泵站的电气接地、跨越绝缘接头的接地极等场合。此时，作为接地极的锌棒，不仅是站内有效的电气接地极；同时，作为阳极,它们也为站内管道和设备提供了阴极保护（CP）所需要的电流。302.1.3牺牲阳极的应用（2-3）管道可能要通过地下有许多其它金属结构的地方。在这些地方安装强加电流的阴极保护系统，它不仅会产生杂散电流，而且产生相互之间的电气干扰问题。保护系统的设计、安装、操作管理和维护都十分困难。在这样的条件下，作为阴极保护的电源提供者，采用牺牲阳极方法，可能是一种经济的选择。

312.2强加电流的阴极保护(1)

强加电流的阴极保护系统主要使用在长输干线和大型工厂中。该系统主要由变压-整流器、阳极地床和一些附属设备组成。(见图2.1)32图2.1强加电流的阴极保护系统的组成

变压整流器

阳极电缆

阴极电缆

强加电流的阳极地床

被保护的管道

测试桩332.强加电流的阴极保护2.2强加电流的阴极保护系统组成

2.2.1电源

A)变压-整流器

B)其它电源

2.2.2阳极

A)阳极材料

2.2.3支持设备342.2强加电流的阴极保护(2)2.2.1电源(恒电位仪)（1）

-由变压-整流器为系统提供管道阴极保护所需要的直流电流。一台变压器把引进一级线圈的高压交流电降压为次级线圈的低压交流电。次级线圈的不同抽头容许选择输出电压高低的范围。

352.2.1电源（1-1）-一台整流装置（器）将低压交流电整流为直流电。并能输出平稳的直流电压。同时，它应能保证在较高的电压下使用时，也有高的效率（通常，使用全波硅二极管整流电路）。362.2.1电源（1-2）-变压整流器有一个适于室外安装的机箱。它还有交流电电子断路器、测量直流电输出电流、电压的测量仪表。372.2.1电源（1-3）-整流器的控制包括：输出稳定的电压、稳定的电流；以及稳定的电势控制等。传统手工调节的变压-整流器（例如：恒电位仪）常长需要手工调节变压器的次级线圈的抽头，以改变输出的电压。382.2.1电源（1-4）

自动稳压（电势）的变压-整流器有一个灵敏的监测回路。该回路连续地检测土壤对管道电势值的变化；以此，自动地调节它输出的阴极保护电流的大小。从而，使保护电流的大小更及有效地适应了土壤电特性的变化,从而更好地保护了管道。392.2.1电源（1-4-1）典型的方法是：在要测量管道对土壤电势的地方，埋设一个永久性的参考电极。用该一个监测回路来监测管道对土壤的电势、电流的变化情况。然后，该检测回路按照事先所设定的保护电流、电势值，自动地调节整流电源的输出电流和电势等阴极保护的电参数值。402.2.1电源（1-5）

一但，已经把变压-整流器按照所期望的管道到土壤的电势值调节、设定好。那末，在管道对土壤的电动势发生变化时，就能通过这个自动检测回路检测出这一变化,并通过电子控制器，增加或降低回路的电抗值。从而使变压-整流器的输出的保护电流减小或增加，直到阴极保护所需要的新的电平衡为止。412.2.1电源（1-5-1）同样地，当管道和参考电极之间的电势的绝对值的任何减小或增加（即土壤电参数的变化)，都会通过该自动检测回路，而引起变压整流器的输出电流增加或降低。此时,电子控制器将会自动地调节变压整流器的输出电势，直到保护所需要的新平衡为止。42图2.2油冷变压-整流器

432.2强加电流的阴极保护(3)B）其它电源（1）在那些不能使用变压-整流的地方，可以使用其它类型的电源。例如：汽油、柴油发电机组、太阳能供电系统、风力发电机组、温差发电设备或小型透平发电机组等。44B）其它电源-太阳能供电系统（1）图2.3太阳能供电系统

45B）其它电源-太阳能供电系统（2）太阳能供电系统主要由许多光电伏特电池板(太阳能板)和电池充电控制器和输出电流、电压的调节器组成。46B）其它电源-太阳能供电系统（3）（A）太阳能板块由高效的晶体太阳能模块组成。它高效四将太阳能转换为电能。太阳能板块都有增透涂层（增加透光的涂层膜）。以提高板的光-电转换效率.47B）其它电源-太阳能供电系统（4）（B）蓄电池充、放电控制器（1）为了防止蓄电池因过度充电而出现气体(H2)；或因过度放电，而损坏电池。必须使用一台蓄电池充、放电控制器来控制蓄电池的充、放电过程和限定值。48（B）电池充、放电控制器（1-1）在系统中，电池充、放电控制器是管理充、放电流的设备。它是一个带有电源晶体管的固态开关-调节分路器。通过设置充电的最高电流限定值，保护蓄电池不致于过度充电（过充电）。49（B）电池充、放电控制器（1-1）

电池充、放电控制器与太阳能板以最短的回路连接在一起。它也保护蓄电池不会过度放电。通过对供电负荷的大小判断，通过自动断开蓄电池的供电回路，来防止蓄电池过度放电，从而完成对它们的保护。50（B）电池充、放电控制器（1-2）蓄电池过度放电的限定值（阈值）可以进行调节。当蓄电池电池充电量达到一个定值时，并按照一种滞后曲线，可以再次自动恢复供电回路的连接（接通），该蓄电池可重新投入使用。51（B）电池充、放电控制器（1-3）对于瞬时蓄电池温度过高，是通过一个PTC（压力-温度控制器）来检测和控制的。52（C）阴极输出电流调节器（2）阴极输出电流调节器是一台专用的阴极保护控制装置。它能保证稳定地向管道供电（它并不考虑阳极地床的电阻率）。它将供给管道的电流/电压值控制在预先设定的水平上；53（C）阴极输出电流调节器（2-1）或者通过一个预先安装的参考电极的检测回路所反馈的管道对土壤的电势值，将阴极电流调节器的输出值维持在预设定值上。54（C）阴极输出电流调节器（2-1-1）

该调节器可在一个很宽的输出电势范围内连续地进行调节。它使用着DC-DC（直流-直流）转换。它与太阳能板组一起，可以以标准的12V、24V、或48V（伏）工作。为了维持一个高的电源效率，它也可以选择上述任何一种电势进行输出。55（C）阴极输出电流调节器（2-2）

输出调节器能与数字式计量仪表一起使用。它也能与一台输出电流断路器配合使用。电流断路器不仅可以接通或断开（ON-OFF）输出电流。而且能在设置的接通和断开时间的循环范围内，自动地接通或断开输出电流。这样一来，在测定被保护管道对土壤的极化电势时，就十分的方便和准确。56（C）阴极输出电流调节器（2-2-1）这一特点具有很好的实用价值。因为这就能使现场的腐蚀工程师来测试阴极的极化电势；以及每一个阴极保护站的供电系统的功能。57（D）蓄电池（1）

太阳能蓄电池的充电和放电机制与普通的电池不同。后者的充电速度与放电速度相比，普通蓄电池常常十分缓慢。电池的电容量也相当低。58（D）蓄电池（1-1）所以，普通的蓄电池并不能作为太阳能蓄电池使用。对于太阳能蓄电池，诸如：充电效率、自放电、循环寿命和维护要求等等许多因素都要加以考虑。对于这些特性，例如，充电时的温度（升高）等没有几个供应商加以公布。59太阳能供电系统（2）对于太阳能板排的光-电伏特电池来说，蓄电池板的结构、密闭类型、服役能力、电解液的密度等等选择的详细要求，需要由专业的工程技术人员加以确定。602.阴极保护(3)2.2.2强加电流阴极保护的阳极(1)-阳极材料（1）

一般地说，阳极材料的最重要性质就是阴极保护电流与阳极材料消耗率之间的关系。61-阳极材料（1-1）

如果使用钢作为阳极材料，它的消耗率为9kg/A.年，即每一安培电流，每一年将消耗的9公斤的钢材。62-阳极材料（2）

用铸铁作为阳极材料，在同样的使用条件下，它的使用寿命要比钢阳极长些。这是因为作为阳极的铸铁中的石墨（一种形态的碳）将首先被逐渐地腐蚀掉。而铸铁本身作为阳极仍然可以继续使用的缘故。63-阳极材料(3)

用石墨作为阳极材料,可以操作的电流密度为2.5A/m2到10A/m2。一般地，它浸渍了蜡，或人造树脂，以填充它的孔隙，增加其强度。它的消耗速率比铸铁和钢都要低。作为阴极保护系统的阳极使用，可达到比较满意的效果。易损坏仍然是其主要的工程缺点。64-阳极材料(4)

高硅铸铁阳极可以在电流密度为5A/m2到50A/m2

的条件下使用。根据阳极的形状和使用条件，它的消耗率为0.2公斤/安培.年到1公斤/安培.年。它最适于作为埋地管道和水下管道的阳极材料。65-阳极材料(5)

磁性氧化铁阳极的消耗率低于5克/安培.年。它可以在土壤、淡水和海水中使用。这种材料很脆，在运输中要特别注意，以免破损。66-阳极材料(6)当上述几种阳极材料埋地时，总是与焦炭一起回填使用。其目的是为了降低阳极与土壤界面之间的电阻。从而降低阳极的消耗速度。除了电源、连接电缆、阳极材料（地床）之外。强加电流的阴极保护系统还经常使用绝缘接头和测试桩这样一些为使系统正常操作、运行的支持设备。672.2.3支持设备(1)绝缘接头(1)

对于进行了很好涂层的管道，在设计阴极保护系统时，常常需要把管道与涂层很差的设备，或者完全裸体的设备进行电器隔离；管道与泵站、储罐的配管等也需要做电气隔离。此时，就需要使用绝缘接头，进行两部分的电气隔离。否则，这些设备或装置将在阴极保护系统中形成一个大的电流排放点。68绝缘接头(2)

不同的两个金属构件之间也可能需要进行电气绝缘。同样，在强加电流的阴极保护系统和牺牲阳极的保护系统之间也需要进行两者的电气绝缘。以便限制相互之间的电气影响和干扰，或由于所产生的杂散电流的相互影响。692.2.3支持设备(2)测试桩(1)

各种永久性的测试桩（绝缘的导线把管道与地面上的测试桩上的接线箱相连。在测试桩上端的接线箱内有测试时可以接通测试回路的测试接头）。测试桩以适当的间距沿着管道的路径，在管道施工时已经按照设计要求安装好。以便在管道操作时,检查、监测和控制阴极保护的功能和效果。70测试桩(2)（A）测试桩的分布（1）通常每公里测试桩的数量不少于一个。在某些特殊的地区或重要位置处，可能需要有附加的测试桩。例如：在使用了套管保护的地方；在两条管道相互交叉的位置处；在河流穿越处；以及在土壤侵蚀性的那些地方等等。71（A）测试桩的分布（2）

管道施工阶段，当管道铺设在其它结构附近时，或者由于土壤的原因，也许已经设置了附加的测试桩，这是值得的。因为这样的测试桩将有利于管道投产后进行相互电气影响的测试。72测试桩(2)

（B）测试桩的类型（1）

1、单头测试桩-STP主要用于测试管道对土壤的电势值。73（B）测试桩的类型（2）2、套管测试桩–CTP主要用于检查管道与套管两者之间的电气绝缘状况。同时，也用于测量管道对土壤的电势值。74（B）测试桩的类型（3）3、绝缘接头测试桩–IJC(IsolatingJoinConnectionTest)主要用于检查绝缘接头的使用效果；以及测量管道对土壤的电势值。75（B）测试桩的类型（4）4、安培电流测试桩-ATP(AmperometricTestPoint）主要用于测量管道保护电流值的大小。也可用于测量管道对土壤的电势值。76（B）测试桩的类型（5）5、原有管道（或结构）与现铺设管道测试桩–ETP(ExistingTestPoint)主要用于检查现铺设管道与原有管道（或结构）之间的相互影响。也可用于测量现铺设管道对土壤的电势值。77（B）测试桩的类型（6）6、等电位测试桩–ETP(EquipotentialTestPoint)通过使用一个可变电阻，用绝缘导线将两条电气绝缘的平行管道连接起来。从而可以测定两者之间的电势（位）大小。也可用来测量管道对土壤的电势值。78减轻腐蚀的方法-复习题

1.可以保护埋地管道的方法有_____a)涂层

b)阴极保护

c)阳极保护

d)a和b

79减轻腐蚀的方法-复习题2.涂层的功能是_____。

a)有效的电气绝缘材料

b)一种有效的电气绝缘体

c)降低提供阴极保护所需要的电流密度

d)上述所有80减轻腐蚀的方法-复习题3.阴极保护的方法有:a)___________b)___________81减轻腐蚀的方法-复习题4.牺牲阳的阴极保护所使用的材料有_______。

a)Zn

b)Mgc)C