埋地管道的阴极保护

jpumetcjpuysj勇担责任追求卓越管道腐蚀与阴极保护第三章埋地管道的阴极保护主讲：黄维秋单位：江苏工业学院油气储运工程教研室选用在该管道具体运行条件下的适用钢材和焊接工艺选用管道防腐层及阴极保护的外保护措施控制管输流体的成分，如净化处理除去水及酸性组分使用缓蚀剂控制内腐蚀选用内防腐涂层建立腐蚀监控和管理系统腐蚀控制方法油气管道腐蚀控制的基本方法防腐层、油漆搪瓷、复塑钢管、F4衬里阴极保护阳极保护强制外加电流阴极保护牺牲阳极阴极保护（镀锌管）物理保护电化学保护内外涂层衬里电法保护缓蚀剂教学目的与要求了解阴极保护简史、熟悉并掌握阴极保护原理和参数，了解实施阴极保护的基本材料。掌握强制电流阴极保护的工艺计算方法。了解并熟悉强制电流法阴极保护系统的设计过程。了解牺牲阳极材料的特性和适用范围。掌握牺牲阳极法阴极保护系统的设计。了解阴极保护参数的测量教学内容§3-1概述§3-2强制电流法阴极保护§3-3牺牲阳极法阴极保护§3-4阴极保护参数的测量§3-1概述阴极保护简史阴极保护原理阴极保护的方法（分类）阴极保护参数阴极保护准则管道实施阴极保护的基本条件阴极保护简史防止金属腐蚀的方法有多种，阴极保护是其中之一。由于金属在自然环境和工业生产环境中的腐蚀破坏大部分为电化学腐蚀造成，因此，阴极保护在腐蚀控制工程中占有重要地位。对金属表面施加防腐绝缘层(又称覆盖层)，是一种物理防护方法。它通过金属表面的绝缘处理，使金属与腐蚀介质隔离开。这种防腐方法是有效的，但在实际工程中不可能做到绝对可靠。这是因为任何一种绝缘的涂层材料都不时能完全不透小分子，如水、氧气等；同时，钢与防腐绝缘层界面之间的物质传递也是不可避免的。再者，金属表面的防腐绝缘层在施工生产中和在运输贮存中不可能不产生缺陷。但是，阴极保护法则可以弥补防腐层的缺陷，对腐蚀反应进行积极的干预，从而更彻底的抑制腐蚀反应的发生。§3-l概述阴极保护简史防腐层与阴极保护的同时使用称之为联合保护。联合保护使腐蚀控制手段相互补充，使腐蚀控制工程成本降低，经济合理，安全可靠。这已成为世界发达国家对地下、水中的金属结构构进行腐蚀防护的共同法规。那么，什么是阴极防护呢？它包括哪几种方法，又各使用在什么场合?这将在本章做重点介绍。§3-l概述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。§3-l概述外加电流法：将被保护的管道与直流电源的负极相连，把辅助阳极与电源正极相连，使管道成为阴极，如图a。牺牲阳极法：在待保护的管道上连接一种电位更负的金属或合金，形成一个新的腐蚀原电池。接上的金属成为牺牲阳极，整个管道成为阴极受到保护，如图b。天然气管道一般不采取专门阴极保护内腐蚀，但化工行业常采用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。§3-l概述阴极保护原理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。总之，极化消除了被保护金属体表面的电化学不均匀性，抑制了微电池作用；又阴极极化构成了新的大地电池即保护电路，使被保护金属体成为新的大地电池的阴极，从而在其表面只发生得电子的还原反应，金属不再发生氧化丢电子的反应，腐蚀也不再发生。这是阴极保护使金属受到防护的原理。从图上可以看出，要达到完全保护，外加的保护电流要比原来的腐蚀电流大得多。这就是阴极保护的原理。显然，保护电流IP与最大腐蚀电流IC的差值决定于腐蚀电池的控制因素。受阴极极化控制时，二者的差值要比受阳极极化时小得多。因此，采用阴极保护的经济效果较好。§3-l概述阴极保护的方法（分类）本章主要介绍埋地管道的阴极保护。实现阴极保护的方法通常有牺牲阳极法和强制电流法。由于杂散电流排除过程中，在管道上保留有一定的负电位，使管道得到了阴极保护，所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法。牺牲阳极法在腐蚀电池中，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，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。§3-l概述阴极保护的方法（分类）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。作为牺牲阳极材料，必须具有下列条件：(1)电位：要有足够负电位，在长期放电过程中很少极化。(2)腐蚀产物：腐蚀产物应不粘附于阳极表面，疏松易脱落、不可形成高电阻的硬壳且无污染。(3)电化当量：电化当量高，即单位重量的电容量大，且输出电流均匀。（电容量单位：小时.安培/磅，例如：纯锌电容量为372小时.安培/磅，其物理意义为：牺牲一磅纯锌则可在372小时内连续向管道输送1安培的电流）。§3-l概述阴极保护的方法（分类）(4)电流效率：自腐蚀小，电流效率高。即实际电容量和理论电容量之比的百分数要大。(5)机械性能：有较好的机械性能，价格便宜、来源方便、加工容易。工业生产的金属，由于含有杂质元素而不具备理想的电化学性能，从而才发展了专用的阳极材料。常用的牺牲阳极材料有镁合金及高纯镁、高纯锌及锌合金、铝合金。高纯镁对钢的电位差可达850mv，用钝镁作牺牲阳极的实验表明，其效率低、消耗快，成本又高，现已逐渐淘汰。世界各国都采用合金化来提高牺牲阳极的性能，克服纯金属本身固有的电化学缺陷。因此，常用的牺性阳极材料大部分为合金类，即镁合金，锌合金和铝合金阳极。§3-l概述阴极保护的方法（分类）强制电流法根据阴极保护原理，用外部直流电源作阴极保护的极化电源，将电源负极接管道（被保护构筑物），将电源正极接至辅助阳极，在电流作用下，管道发生阴极极化，实现阴极保护。外加电流在管道和辅助阳极间所建立的电位差，显然可比牺牲阳极与管道间的电位差大的多，因此，它的优点是可供给较大的保护电流，保护距离长；便于调节电流和电压，适用范围广；辅助阳极的材料只要求有良好的导电性和抗腐蚀性，不消耗有色金属。其缺点是需要外电源和经常的维护管理，对邻近的金属结构有干扰。强制电流法是目前长距离管道最主要的保护方法。强制电流法的电源常用的有整流器，还有太阳能电池、热电发生器、风力发电机等。辅助阳极的常用材料有高硅铸铁、石墨，磁性氧化铁及废钢铁等。§3-l概述阴极保护的方法（分类）排流保护由于杂散电流排除过程中，在管道上保留有一定的负电位，使管道得到了阴极保护，所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法。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的电流源。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、强制排流三种形式。各种形式都有一定的局限性，在第四章里将作详细的讨论。§3-l概述阴极保护的方法（分类）选取阴极保护方式时需考虑的因素(1)保护范围大小：大者强制电流优越，小者牺牲阳极经济；(2)土壤电阻率限制：电阻率太高不宜采用牺牲阳极；(3)周围金属构筑物：有时因干扰而限制强制电流的应用；(4)覆盖层质量：覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需保护电流太大而使牺牲阳极不适用；(5)可利用的电源因素；(6)经济性。表3-1是阴极保护与排流保护的比较。§3-l概述阴极保护的方法（分类）§3-l概述阴极保护参数在图3-1中，可以看到与阴极保护相关的几个参数：自然腐蚀电位、保护电位、保护电流（可以换算成电流密度）。正确选择和控制这些参数是决定保护效果的关键。为了直观、定量地比较阴极保护的效果，有时还要引用阴极保护保护度参数。而在实际保护中人们仅把保护电位作为控制参数，因为它受自然腐蚀电位和保护电流所控制，而且在实践中容易操作。自然腐蚀电位无论采用牺牲阳极法还是采用强制电流阴极保护，被保护构筑物的自然腐蚀电位都是一个极为重要的参数。它体现了构筑物本身的活性，决定了阴极保护所需电流的大小，同时又是阴极保护准则中重要的参考点。§3-l概述阴极保护参数保护电位按国标GB/T10123-88的定义，保护电位为“进入保护电位范围所必须达到的腐蚀电位的临界值”。保护电位是阴极保护的关键参数，它标志了阴极极化的程度，是监视和控制阴极保护效果的重要指标。（1）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电位称为最小保护电位，也就是腐蚀原电池阳极的起始电位。最小保护电位常常是腐蚀原电池微阳极的起始电位或与之近似。这是由于只有当阴极保护电源向受到腐蚀的阳极部位提供了足够的相反电流即极化电流，使之恰好抵消了腐蚀电流后，腐蚀才能停止。此时，阴极区的电位将被极化到阳极区的管地电位，金属表面电位均一。金属受到阴极保护。最小保护电位数值与金属的种类、腐蚀介质的组成、浓度及温度等有关。最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基淮。因此最小保护电位是监控阴极保护的重要参数。§3-l概述阴极保护参数实验测定，碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为－0.85V（相对饱和硫酸铜参比电极）左右。§3-l概述表3-2一些金属的保护电位值阴极保护参数对于不知最小保护电位的情况，也可采用比自然电位负0.2-0.3伏(对钢铁)和负0.15伏(对铝)的办法来确定。对于一个具体的工程体系，最好通过试验来确定最小保护电位值。在工程实践中测取最小保护电位值时必须注意测量误差。我国阴极保护的实践已证明，测量到的电位值有不少已达到或超过最小保护电位的金属管道，仍然发生了腐蚀穿孔。这是因为无法将参比电极放置在金属管道与土壤接触的界面上。实际测量时，往往将参比电极放置在管道的正上方地表面，或更远的一些点上。测量电路包括了土壤的压降即国际上常称之为的“IR”降。在实测到的金属管道界面与硫酸铜参比电极间的土壤的电位差，要比金属管道界面与土壤溶液直接接触界面的电位值负。因此，地面测量达到保护电位的管道，其实际界面上并末达到保护电位值。因此，消除“IR”降的干扰，降低其引起的误差是正确评价和监控阴极保护的要考虑的因素。§3-l概述阴极保护参数（2）最大保护电位：在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。此电位值就是绝大保护电位。阴极保护电位值，并不是愈负就愈有利于金属的防护。过负的电位会产生不良作用，这就是阴极剥离。阴极剥离是由于阴极极化电流过大，造成金属表面电位过负，当此电位值达到析氢电位时，阴极表面的会在其表面上得电子，产生氢原子，从而产生析氢反应。例如在碳钢表面，当阴极极化电位达到－1.20V时，就会产生析氢,当电位达到-1.50V（CSE）时将有大量氢析出。这种现象将会造成金属表面的防腐层与管道的剥离，促使防腐层加速老化。因此，阴极保护中有最大保护电位的限制。而与之配合使用的防腐绝缘层材料则有抗阴极剥离性能的要求。过保