详解管道阴极保护原理.ppt

1、第九章管道阴极保护,第一节腐蚀 一、腐蚀的定义 二、腐蚀的分类 三、腐蚀的基本原理 四、管道的腐蚀控制,一、腐蚀的定义,从广义上讲，腐蚀是材料和环境相互作用而导致的失效。这个定义包含了所有的天然和人造材料，例如塑料、陶瓷和金属。我们通常所研究的腐蚀是金属的腐蚀，金属腐蚀是金属与周围介质发生化学或电化学作用所引起的金属损失的现象和过程。,二、腐蚀的分类,腐蚀按材料的类型可分为金属腐蚀和非金属腐蚀，就腐蚀破坏的形态分类，可分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态，包括均匀的全面和不均匀全面腐蚀。按腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 金属管道常见的腐蚀按其作用原理可分为化学腐蚀和电化

2、学腐蚀两种。,1、化学腐蚀,化学腐蚀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。化学腐蚀是在一定条件下，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用，即氧化还原反应是在反应粒子相互作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂间直接进行，因而没有电流产生。,2、电化学腐蚀,电化学腐蚀指金属与电解质因发生电化学反应而产生的破坏。 特点：在腐蚀过程中有电流产生,三、腐蚀的基本原理,腐蚀的基本原理是腐蚀原电池理论。由于不同金属本身的电偶序（即电位）存在着差别，当两种金属处于同一电解质中，并由导体连接这两种金属时，腐蚀电池就形成了。电流通过导体和电解质形

3、成电流回路，此时两种金属之间的电位差越大，则电路产生的电压越大。腐蚀电池一旦形成，阳极金属表面因不断地失去电子，发生氧化反应，使金属原子转化为正离子，形成以氢氧化物为主的化合物，也就是说阳极遭到了腐蚀；而阴极金属则相反，它不断地从阳极处得到电子，其表面因富集了电子，金属表面发生还原反应，没有腐蚀现象发生。,腐蚀过程可表示如下 氧化反应：Fe-Fe2+2e 还原反应：O2+2H2O+4e-4OH- 2H2O+2e-H2+2OH-,腐蚀电池形成的充分必要条件： 1)必须有阴极和阳极。 2)阴极和阳极之间必须有电位差 3)阴极和阳极之间必须有金属的电流通道。 4)阴极和阳极必须浸在同一电解质中，该电

4、解质中有流动的自由离子。,四、管道的腐蚀控制,管道腐蚀的控制方法应根据腐蚀机理的不同和所处环境条件的不同，采用相应的腐蚀控制方法， 在油气管道保护过程中应用最为广泛的控制金属腐蚀的方法为以下五类： 1、选择耐腐蚀材料 2、控制腐蚀环境,3、选择有效的防腐层 4、阴极保护 5、添加缓蚀剂,第二节管道防腐层 一、管道的外防腐层 二、管道防腐层的维护,一、管道的外防腐层,1、管道的外防腐层的基本要求 （1）与金属有良好的粘结性； （2）电绝缘性能好； （3）防水及化学稳定性好； （4）有足够的机械强度和韧性，耐热和抗低温脆性； （5）耐阴极剥离性能好； （6）抗微生物腐蚀； （7）破损后易修复，并要

5、求价格低廉和便于施工。,2、埋地管道防腐层的主要种类 埋地管道的防腐层种类主要有石油沥青、单（双）层环氧粉末涂层、3层PE以及聚乙烯胶粘带等。,3、单层熔结环氧粉末 （1）性能 熔结环氧粉末防腐涂层最早于1961年由美国开发成功并应用于管道防腐工程，之后在许多国家得到进一步的开发和应用。由于熔结环氧粉末防腐涂层与钢管表面粘结力强、耐化学介质侵蚀性能、耐温性能等都比较好，抗腐蚀性、耐阴极剥离性、耐老化性、耐土壤应力等性能也很好，使用温度范围宽(普通熔结环氧粉末为-30100，成为国内外管道内外防腐涂层技术的主要体系之一。但由于涂层较薄（0.30.5），抗尖锐物冲击力较差，易被冲击损坏，不适合于石

6、方段，适合于大部分土壤环境和定向钻穿越粘质土壤。,(2)结构 熔结环氧粉末涂层简称FBE，FBE外涂层为一次成膜的结构 。 (3)涂敷 涂敷时钢管外表面喷(抛)射除锈等级应达到GB/T 8923中规定的Sa2.5级，钢管表面的锚纹深度应在40l00m范围内，并应监测环氧粉末涂敷之前瞬间的钢管外表面的温度，并把温度控制在粉末生产商的推荐范围内，但最高不得超过275。,(4)修补 在FBE管道上发现缺陷时，应先清除掉缺陷部位的所有锈斑、鳞屑、裂纹、污垢和其他杂质及松脱的涂层；将缺陷部位打磨成粗糙面， 用干燥的布或刷子将灰尘清除干净，用双组分液体环氧树脂涂料进行局部修补。,4、聚乙烯防腐层 （1）防

7、腐层结构 三层结构聚乙烯防腐层简称3PE，其底层为环氧粉末涂料，中层为胶粘剂，外层为聚乙烯，,（2）性能 3PE第一层为环氧涂料，第二层为胶粘剂，第三层为挤出聚乙烯，各层之间相互紧密粘接，形成一种复合结构，取长补短。它利用环氧粉末与钢管表面很强的粘结力而提高粘结性；利用挤出聚乙烯优良的机械强度、化学稳定性、绝缘性、抗植物根茎穿透性、抗水浸透性等来提高其整体性能，使得三层PE防腐涂层的整体性能表现更为突出，更为全面，适用于对覆盖层机械性能、耐土壤应力及阻水性能要求较高的苛刻环境，如碎石土壤、石方段、土壤含水量高、植物根系发达地区。,（3）涂敷 在防腐层涂敷前，先清除钢管表面的油脂和污垢等附着物，

8、并对钢管预热后进行表面预处理，钢管预热温度为4060。表面预处理质量应达到涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级GB/T 8923中规定的Sa2.5级的要求，锚纹深度达到50m75m。钢管表面的焊渣、毛刺等应清除干净。,应用无污染的热源将钢管加热至合适的涂敷温度，环氧粉末涂料均匀地涂敷到钢管表面；胶粘剂的涂敷必须在环氧粉末胶化过程中进行；聚乙烯层的涂敷可采用纵向挤出工艺或侧向缠绕工艺。公称直径大于5OOmm的钢管，宜采用侧向缠绕工艺。采用侧向缠绕工艺时，应确保搭接部分的聚乙烯及焊缝两侧的聚乙烯完全辊压密实，并防止压伤聚乙烯层表面;采用纵向挤出工艺时，焊缝两侧不应出现空洞。聚乙烯层涂敷后，确保熔结环氧

9、涂层固化完全，然后用水冷却至钢管温度不高于60。,（4）修补 在3PE管道上发现缺陷时，对小于或等于30mm的损伤，宜采用辐射交联聚乙烯补伤片修补。修补时，先除去损伤部位的污物，并将该处的聚乙烯层打毛。然后将损伤部位的聚乙烯层修切成圆形，边缘应倒成钝角。在孔内填满与补伤片配套的胶粘剂，然后贴上补伤片，补伤片的大小应保证其边缘距聚乙烯层的孔洞边缘不小于100mm 。贴补时，应边加热边用辊子滚压或戴耐热手套用手挤压，排出空气，直至补伤片四周胶粘剂均匀溢出。,对大于30mm的损伤，先除去损伤部位的污物，将该处的聚乙烯层打毛，并将损伤处的聚乙烯层修切成圆形，边缘应倒成钝角。在孔洞部位填满与补伤片配套的

10、胶粘剂，贴上补伤片。最后，在修补处包覆一条热收缩带，包覆宽度应比补伤片的两边至少各大50mm。 补伤时也可以先清理表面，然后用双组分液态环氧涂料防腐，干膜厚度与主体管道相同，然后贴上补伤片或再加热收缩带。,二、管道防腐层的维护,1、防腐层失效的原因 （1）防腐层类型选择不当 （2）防腐补口的质量不好 （3）外力破坏造成防腐层损伤 （4）防腐层自然老化 （5）阴极保护的参数不适当 （6）管理不善,2、防腐层的维护 管道的腐蚀几乎都发生在防腐层严重缺陷或破损的地方，由于管道埋在地下，不便于直接观测和检查，加上土壤环境条件复杂多变，给防腐层的管理维护带来困难。防腐层的维护主要采取以下措施： （1）经

11、常监测防腐层状况。通常采用定期进行防腐层缺陷检漏、防腐层绝缘电阻测量等方法，分析阴极保护参数的变化情况及原因，判定防腐层质量及损伤程度。,（2）防腐层分级管理。对不同管段、不同状况的防腐层，按其技术状况分级，分别采用不同的维修对策。目前对防腐层是根据其绝缘电阻值从大到小分为五个级别：优、良、中、差、劣。最差的一级需要及时维修更换原有的防腐层。 （3）制定实施维修计划。对检测确定的不同级别的防腐层，分别采取定期检测、修补或更换的措施。,3、防腐层检测 防腐层检测分地面检测和地下检测，地面检测有外观、厚度、粘结力及电火花检漏等。 为了能达到预期的防腐效果, 防腐管道在埋地前必须保证其防腐层质量完好

12、, 这就需要对防腐层质量进行检测, 检测防腐层涂敷是否均匀，厚度是否达到要求。还要检测涂层在工厂制作或运输中是否造成针孔缺陷、裂纹等。管道焊接后的防腐处理是否符合质量要求。,防腐层地下检测 管道在埋地后仍应定期或不定期进行防腐层检测, 检测其在埋地后的防腐层质量变化情况: 有否破损? 破损点位置、大小；防腐层绝缘电阻变化速率等, 对埋地管道防腐层状况作出确切的评估，并提出处理建议。,4、音频信号检漏法,音频信号检漏法也称“人体电容法”，就是用人体作检漏仪的感应元件, 通过相应的仪器（如：SL6地面检测仪）进行埋地管道防腐层破损检测。它是目前国内输油、输气管道维护和检测的通用方法，用这种方法检测

13、防腐层破损点灵活方便。,、基本原理及方法当发射机向被检测的管道上施加交流信号时, 若该管道防腐层有破损, 管道金属部分与大地短路，在防腐层破损点处便会有泄漏电流流入土壤中，这样在管道防腐层破损漏点和土壤之间就会形成电压差，且在接近破损点的部位电压差最大，用仪器在埋设管道的地面上方即可检测到这种电位异常，据此即可发现管道防腐层破损点。,作“人体电容法”时两位检漏员分别与检测仪的检测线芯线两端相连，两人保持5-6m的距离，沿管线以步行速度前进，当走到漏点附近时, 仪器显示器信号发生变化，漏点中心信号最强，数值最大，据此即可找到漏蚀点(见图3-3)。据此信号强度变化, 来判断防腐层有无破损, 并可根

14、据信号异常分布特征来确定漏点位置, 推测漏点大小。该仪器探管、检漏同步进行，方便快捷,成功率高。,人体电容法(纵向)检漏示意图,适用性 音频信号检漏法适用于一般地段的埋地管道防腐层检漏，不适用于露空管道、覆盖层导电性很差的管道、水下管道、套管内的管道的防腐层地面检漏；水田或沼泽地、高压交流电力线附近的埋地管道，使用本法进行防腐层检漏比较困难。,第三节管道阴极保护基本知识 一、阴极保护的原理 二、阴极保护的基本参数 三、牺牲阳极阴极保护 四、外加电流阴极保护 五、阴极保护投入运行的调试,一、阴极保护的原理,每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位（自然电位），腐蚀电位可表

15、示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子（如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。,阴极保护的原理： 是给金属补充大量的电子，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。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。,1、牺牲阳极法 将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。 在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位

16、值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。,牺牲阳极材料有高纯镁，其电位为-1.75V；高钝锌，其电位为-1.1V；工业纯铝，其电位为-0.8V（相对于饱和硫酸铜参比电极）。,2、强制电流法（外加电流法） 将被保护金属与外加电源负极相连，辅助阳极接到电源正极，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。其方式有：恒电位、恒电流等。如图,外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应

17、，因此，辅助阳极本身存在消耗。 阴极保护的上述两种方法，都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀，需要保护的金属体，提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流，使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。一种是利用电位更负的金属或合金，另一种则利用直流电源。,强制电流阴极保护驱动电压高，输出电流大，有效保护范围广，适用于被保护面积大的长距离、大口径管道。 牺牲阳极阴极保护不需外部电源，维护管理经济，简单，对邻近地下金属构筑物干扰影响小，适用于短距离、小口径、分散的管道。,二、阴极保护的基本参数,1、最小保护电流密度 使金属腐蚀下降到最低程度或停

18、止时所需要的保护电流密度,称作最小保护电流密度。新建沥青管道最小保护电流密度为3050A/m2，环氧粉末的管道一般为10-30A/m2，新建储罐罐底板最小保护电流密度为1-5mA/m2表示，老罐为510mA/m2。,2、最小保护电位 为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的绝对值最小的负电位值，称之为最小保护电位。 最小保护电位也与金属的种类、腐蚀介质的组成、温度、浓度等有关。最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基准。因此该电位值是监控阴极保护的重要参数。 实验测定在土壤中的最小保护电位为0.85V（相对饱和硫酸铜参比电极）。,3、最大保护电位 在阴极保护中，所允许施加的阴极极

19、化的绝对值最大的负电位值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。此电位值就是最大保护电位。 阴极保护电位越大，防腐程度越高，单站保护距离也越长，但是过大的电位将使被保护管道的防腐绝缘层与管道金属表面的粘接力受到破坏，产生阴极剥离，严重时可以出现金属“氢破裂”。同时太大的电位将消耗过多的保护电流，形成能量浪费。,三、牺牲阳极阴极保护,（一）常见的牺牲阳极材料 1.镁合金阳极 根据形状以及电极电位的不同，镁合金阳极可用于电阻率在 20欧姆.米到 100欧姆.米的土壤或淡水环境。高电位镁合金阳极的电位为-1.75V (CSE)；低电位镁阳极的电位为-1.55V(CSE)。,2.锌合金阳极 锌合金阳极多用

20、于土壤电阻率小于15 欧姆.米的土壤环境或海水环境。电极电位为-1.1V(CSE)。温度高于40C时，锌阳极的驱动电位下降，并发生晶间腐蚀。高于60C时，它与钢铁的极性发生逆转，变成阴极受到保护，而钢铁变成阳极受到腐蚀。所以，锌阳极仅能用于温度低于40C的环境。,3.回填料 当使用填料时，阳极的电流输出效率提高。如果将阳极直接埋入土攘，由于土壤的成分不均匀，会造成阳极自身腐蚀，从而降低阳极效率。采用填料，一是保持水分，降低阳极的接地电阻，二是使阳极表面均匀腐蚀，提高阳极利用效率。,牺牲阳极填包料的配方,（二）牺牲阳极的埋设方式,1、牺牲阳极埋设有立式和卧式两，埋设位置分轴向和径向。 2、牺牲阳

21、极在管道的分布宜采用单支或集中成组两种方式。 3、阳极与管道的距离，一般情况下阳极埋设位置应距管道35，最小不宜小于0.3，成组埋设时，阳极间距以23为宜。,在管道一侧,在管道两侧,四、外加电流阴极保护系统的主要设施,外加电流阴极保护系统主要由四部分组成： 直流电源、辅助阳极、被保护管道、附属设施,1、电源设备（恒电位仪） 强制电流系统要求电源设备能够不断地向被保护金属构筑物提供阴极保护电流，要求电源设备安全可靠；电源电压连续可调；能够适应当地的工作环境（温度、湿度、日照、风沙）；功率与被保护构筑物相匹配；操作维护简单。 目前常用的阴极保护电源设备有太阳能电池、整流器、恒电位仪，国内多用恒电位

22、仪，都能国产化，恒电位仪不仅能够恒电位输出，还能恒电流输出。用户可以根据需要调节。,2、阳极地床 辅助阳极是外加电流阴极保护系统中，将保护电流从电源引入土壤中的导电体。通过辅助阳极把保护电流送入土壤，经土壤流入被保护的管道，使管道表面进行阴极极化 (防止电化学腐蚀)，电流再由管道流入电源负极形成一个回路，这一回路形成了一个电解池，管道在回路中为负极处于还原环境中，防止腐蚀，而辅助阳极进行氧化反应遭受腐蚀。常用的阳极材料有：高硅铸铁、石墨、钢铁、柔性阳极。,阳极地床的设计遵循以下几方面要求： （1）阳极种类的选择 在一般土壤中可采用高硅铸铁阳极、石墨阳极、钢铁阳极； 在盐渍土、海滨土或酸性和含硫

23、酸根离子较高的环境中，宜采用含铬高硅铸铁阳极。 高电阻率的地方宜使用钢铁阳极。 覆盖层质量较差的管道及位于复杂管网或多地下金属构筑物区域内的管道可采用柔性阳极，但不宜在含油污水和盐水中使用。,（2）辅助阳极埋设位置的选择 辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀，但过远会增加引线上的电压降和投资，因此辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况选定。选择阳极安装位置的原则是: 地下水位较高或潮湿低洼处； 土层厚,无块石,便于施工； 土壤电阻率一般应小于50欧姆米，特殊地区也应小于100.m； 对邻近的地下金属构筑物干扰小，阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道； 考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发

24、展规划以避免建后可能出现的搬迁； 阳极位置与管道的垂直距离不宜小于50m。 地面金属构筑物较多，用地狭窄时，可采用深井阳极，以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。,（3）辅助阳极的结构 浅埋式地床结构 将电极埋入距地表15米的土层中, 这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于钢铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。 a.立式阳极：由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成。电极间用电缆联接。其优点有:全年接地电阻变化不大;当阳极尺寸相同时,立式地床的接地电阻较水平式小。 b.水平式阳极：将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中,其优点有:安装土石方量较小,易于施工；

25、容易检查地床各部分的工作情况。 c.联合式阳极：指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成.,深埋式阳极(深井式) 当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时,使用深埋式阳极,可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(2040米)、中深井(50100米)和深井(100米)三种。 深埋式阳极地床的特点是接地电阻小,对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其是深度超过100米的深阳极,施工需要大钻机，这就限制了它的应用。,浅埋阳极示意图,3、阴极

26、保护的附属设施,、埋地型参比电极 为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的对比电极，其电极电位具有良好的稳定性，构造简单，通常有饱和硫酸铜参比电极、锌电极等。其作用是与恒电位仪组成信号源。 参比电极埋设的位置应尽量靠近管道，以减少土壤介质中的IR降影响。,埋地型参比电极的类型： 、液体硫酸铜参比电极 主要用于测量管地电位，用于埋地使用时，由于密封处理不好，经常会造成渗漏过度，经常添加硫酸铜溶液，且一到冬季又容易冻结，影响恒电位仪的正常工作，目前已很少埋地使用。,、长效埋地型硫酸铜参比电极 电极结构：电极由素烧陶瓷罐、管状或弹簧状铜电极和硫酸铜晶体所构成。使用前应在水中浸泡24小时，形

27、成饱和硫酸铜溶液。 电极地床结构：在参比电极周围填充510厚的填包料。填包料的主要成分为石膏粉、硫酸钠、膨润土，其体积比为75：5：20,、测试桩 为了定期检测管道阴极保护参数。 、电绝缘装置 作用：安装绝缘法兰或绝缘接头可以将进行阴极保护的管道和不进行阴极保护的管道绝缘。 、检查片 检查片是为了定量测量阴极保护效果，在管道沿线典型地段埋设与被保护管道相同的钢制试片。,、均压线 为避免干扰腐蚀，用电缆将同沟敷设、近距离平行或交叉的管道连接起来，以消除管道之间的电位差，此电缆称为均压线。 、导线 阴极保护系统中导线有：阳极线、阴极线、零位接阴线、参比电极引线、测试桩引线,4、管道实施阴极保护的基本条件,、管道必须处于有电解质的环境中，以便能建立起连续的电路。如土壤、海水、河流等介质中都可以进行阴极保护。 、管道必须电绝缘。首先，管道必须要采用良好的防腐层尽可能将管道与电解质绝缘，否则会需要较大的保护电流密度。其次，要将管道与非保护金属构筑物电绝缘，否则电流将流失到其他