管道阴极保护技术201803

1、金属电化学腐蚀基础知识2、阴极保护技术原理及发展简史3、阴极保护技术的分类4、阴极保护系统的基本构成5、阴极保护准则7、阴极保护系统施工与验收8、阴极保护运行维护与管理6、涂层与阴极保护的相互关系讲座内容阳极反应：Fe2eFe2++（氧化反应）（失电子）阴极反应：O2+2H2O+4e4OH-（还原反应）（得电子）总反应：2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2中性介质（水溶液、土壤）金属管壁O2O2O2O2O2+2H2O+4e4OH-2e2e阳极区（腐蚀部位）阴极区Fe2+Fe2+Fe(OH)2OH-金属管壁金属电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的电解质溶液(土壤或水溶液等)发生电化学作用而产生的破坏。1、金属电化学腐蚀基础知识Page3阳极反应：Fe2eFe2++（氧化反应）（失电子）阴极反应：O2+2H2O+4e4OH-（还原反应）（得电子）总反应：2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2腐蚀反应：金属的价态升高（失电子）（被氧化）去极化剂的价态降低（得电子）（被还原）去极化剂（O2、H+、Fe3+、Hg+等）氧化还原反应FeFe2+1s22s22p63s23p63d64s21s22s22p63s23p63d64s0O1s22s22p4O2-1s22s22p62eNe1s22s22p6氖（0族惰性气体）1、金属电化学腐蚀基础知识Page4阳极反应：Fe2eFe2++（氧化反应）（失电子）阴极反应：O2+2H2O+4e4OH-（还原反应）（得电子）总反应：2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2（白色）次生反应：3Fe(OH)2（白色）+2OH-Fe3O4（黑褐色）+4H2O2e+2Fe3O4+2OH-+(3n-1)H2O3(Fe2O3nH2O)(红色).2e+铁矿石（赤铁矿）主要成分1、金属电化学腐蚀基础知识Page5电化学腐蚀；①有两个独立的腐蚀反应（阳极反应、阴极反应）；②同时发生在空间上彼此独立的两个区域（阳极区、阴极区）；③两个独立的腐蚀反应有一个相同的腐蚀速度；④阴/阳极面积比对腐蚀穿孔速率影响巨大。①金属材料本身形成阳极区/阴极区；②被腐蚀的金属材料一定与电解质水溶液相接触；③电解质水溶液中必须含有腐蚀介质（O2、CO2、H2S、SRB）；④必须具有电子通路和离子通道（金属材料/腐蚀电解质）。本质：特点：必要条件：四者缺一，腐蚀不会发生与发展油田中各种局部腐蚀1、金属电化学腐蚀基础知识Page6阳极反应：FeFe2++2e阴极反应：O2+2H2O+4e4OH-总反应：2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)21O2存在时：多发生在油田埋地集输管道的外壁、储罐底板外壁，含O2集输管道内壁（外部引入O2时，如回注污水含氧不合格、缓蚀剂加注不当时引入）、储罐内壁、穿越套管内管段的外壁、埋地管道水泥固定墩附近土壤侧管道的外壁、各种地下/地上管线地面交界处附近地下一侧的管道外壁等；常见，多发。油田中各种局部腐蚀1、金属电化学腐蚀基础知识Page72CO2存在时：CO2+H2OH2CO3H2CO32H++CO32-阴极反应FeFe2++2e阴极反应2H++2eH2总反应Fe+H2CO3FeCO3+H2CO2水溶液对钢铁材料的腐蚀，影响因素有两个：一是受H+去极化影响，二是与产物能否成膜，膜的结构和稳定性有重要关系。腐蚀形貌：产物膜局部破损处的点蚀，引发环状或台面状的蚀坑、蚀沟。油田中各种局部腐蚀1、金属电化学腐蚀基础知识Page8阳极反应：FeFe2++2e阴极反应2H++2eHad+HadH2钢铁中扩散，形成H2总反应Fe+H2SFeS+H2这种腐蚀破坏通常有两种类型3H2S存在时：油田中各种局部腐蚀体积腐蚀氢渗透1、金属电化学腐蚀基础知识Page9注水开发的油田集输系统中都存在SRB。SRB的繁殖可使系统中的H2S含量增加，腐蚀性增强；水质明显恶化，变黑、发臭。同时，Fe2+、S2-、OH-等腐蚀产物还会与水中成垢的离子共同沉淀成污垢，造成垢下腐蚀及管道堵塞。另外，堵塞部分地层，注水压力上升，注水量减小，直接影响产量。高温型：55~60℃，中温型：30~35℃；PH值：一般在5.5~9.0，最适宜：7.0~7.54硫酸盐还原菌（SRB）存在时：油田中各种局部腐蚀去极化剂：阳极反应：阴极反应：1、金属电化学腐蚀基础知识Page10防腐措施评价监测耐蚀合金防腐涂层阴极保护缓蚀剂非金属管表面技术工艺结构1、金属电化学腐蚀基础知识Page11Page12阴极保护与防腐层联合使用是埋地管道目前最为有效和经济的腐蚀控制方式。美国政府联邦规程的法规第39号192部分规定：从1971年7月31日起，所有新建的埋地或浸水输配管线都必须采用防腐层并实施阴极保护，以防止管道外壁腐蚀。国务院发布的《石油、天然气管道保护条例》规定：管道建设单位和管道经营企业负责所属管道及其附属设施的安全运行，其职责之一是“对管道包敷防腐绝缘层，加设阴极保护装置”。1、金属电化学腐蚀基础知识1、金属电化学腐蚀基础知识2、阴极保护技术原理及发展简史3、阴极保护技术的分类4、阴极保护系统的基本构成5、阴极保护准则7、阴极保护系统施工与验收8、阴极保护运行维护与管理6、涂层与阴极保护的相互关系讲座内容Page13盐酸溶液氢气泡产生锌铁Page14对被保护金属施加负电流，通过阴极极化使其电极电位负移至金属氧化还原平衡电位，或金属表面最活泼的电极电位，消除金属表面的电化学不均匀性，从而抑阻金属腐蚀的保护方法称为阴极保护。2、阴极保护技术原理及发展简史效益铁表面氧化反应：FeFe2++2e-还原反应：2H++2e-H2锌表面氧化反应：ZnZn2++2e-还原反应：2H++2e-H2金属锌和金属铁都受到腐蚀；金属锌和金属铁的腐蚀（氧化反应）彼此独立地进行。Page15效益将金属锌和金属铁从外部实现电连接，便构成一个新的电化学电池。铁为电化学电池的阴极，铁的腐蚀基本停止，其表面集中进行还原反应：2H++2e-H2锌为电化学电池的阳极，锌的腐蚀加速，其表面集中进行氧化反应：ZnZn2++2e-盐酸锌铁导线连接锌阳极和铁阴极阳极发生氧化反应阴极发生还原反应2、阴极保护技术原理及发展简史Page16对于新建的管道，阴极保护的投资一般不超过总投资的4%，管道的寿命则可以延长20-30年，甚至更长时间。根据对管道提供电流的方式不同，阴极保护技术分为牺牲阳极法和外加电流法两种。两种方式的基本原理是相同的，主要是电源提供方式不同。可从动力学（电极反应、Evans图）\热力学（电位-pH图）以及金属界面反应等诸方面理解阴极保护原理。阴极保护是最有效的金属腐蚀控制措施之一，但对不完全熟悉它的人来说，感觉阴极保护是一种复杂的防腐方法。实际上，阴极保护的基本原理和概念很简单，其复杂性在于阴极保护的应用过程。防腐工程师应具备将阴极保护的基本概念应用于金属管线（容器、储罐）系统并获得有效腐蚀控制措施所必需的知识，阴极保护管理岗位人员应对阴极保护的工作原理有较清楚的了解和认识。2、阴极保护技术原理及发展简史2、阴极保护技术原理及发展简史图中,通过施加一个阴极保护电流Iapplied，使金属的电位从腐蚀电位Ecorr负移至ECP,ECP越负,腐蚀速率(阳极电流)就越低,但同时,施加的阴极保护电流就越大。阳极电流和阴极电流的差即是维持该电位所需的电流量，等于施加到管道上的阴极保护电流。必须注意，除非金属的电位被极化到其平衡电位Eequil，否则，就不能实现完全的保护。在平衡电位下，金属的净腐蚀速率为零。一般地，由于需要很高的电流，要达到完全的保护是不现实的。施加的电流随着电位的负移而呈指数增加。电位负移100mV就可使腐蚀速率减小10倍。这种减小的幅度，对于大部分被保护的结构来讲是足够的。Evans图Page172、阴极保护技术原理及发展简史电位-pH图是从热力学说明阴极保护的理论基础。可以看出，在pH=6~7的中性水中，铁呈活化腐蚀状态；通过外加负电流的阴极极化，可使铁的电极电位从腐蚀区进入免蚀区。对铁，这是一个热力学稳定区，金属腐蚀停止，即此时铁获得了阴极保护。电位-pH图根据热力学计算获得的Fe-H2O系电位-pH图Page18Page19电化学腐蚀界面反应和阴极保护图解金属界面反应由于阴极保护系统通过牺牲阳极或外电源，能对金属提供足够量的电子（施加所需的负电流），使金属界面呈负电性和达到足够负的电极电位，从而抑阻氧化反应（Fe→Fe2++2e）；此时还原反应所需电子从牺牲阳极或外电源获得。由此实现了阴极保护，抑制或停止了金属的腐蚀过程。2、阴极保护技术原理及发展简史Page20回路中电流的方向材料表面有电流流出到环境介质的地方才发生腐蚀2、阴极保护技术原理及发展简史引起金属管线腐蚀的因素很多，但无论什么原因，管线表面都会出现阳极区和阴极区，在阳极区电流由金属管线表面流出，进入周围环境电解质(土壤和水)，管线在该区域将会发生腐蚀。在阴极区，电流由电解质流到管线表面上，该区域的腐蚀速率将进一步减小。Page21例2杂散电流方向：土壤环境管道（流入点，不腐蚀）管道（流出点，优先腐蚀）土壤环境。例1氧浓差腐蚀电池的电流方向：管道的缺氧区（腐蚀点）土壤环境管道的富氧区（腐蚀较轻）管道的缺氧区。材料表面的电流流出点发生腐蚀2、阴极保护技术原理及发展简史Page22使得管道表面暴露的每一点都有电流流入，就可以减小管道的腐蚀速率。直流电被强制地流到管道上，这一直流电可以使管道的电位负移，导致金属腐蚀速率减少。2、阴极保护技术原理及发展简史Page23金属结构进行阴极保护时需要考虑的因素腐蚀介质必须是能导电的，并且要有足够的量以便能建立连续的电路。金属材料在所处的介质中要容易进行阴极极化，否则耗电量大，不宜于进行阴极保护。被保护设备的形状、结构不要太复杂。否则可能产生“遮蔽现象”，使金属表面电流分布不均匀。可行性理论应用实际应用从理论上来讲，任何体系都可以应用阴极保护技术抑制腐蚀。但是要求保护电流密度比较小，在经济上才合算。地下管线和储罐地下电缆船舶海上采油平台水闸和码头钢筋混凝土建筑物经济性适用性2、阴极保护技术原理及发展简史Page24汉弗莱.戴维爵士SirHumphreyDavy(1778-1829)“三宝垄”号帆船阴极保护实验成功明确提出“阴极保护效应”1824(阴极保护元年)1826提出阴极保护假说18122、阴极保护技术原理及发展简史Page251833年提出了法拉第电解定律，1834年发现了腐蚀损耗与电流之间的定量关系。在题为《关于电的实验研究》的论文中首先提出了“电解质”、“电极”、“阳极”、“阳离子”和“阴离子”等概念，这奠定了阴极保护的理论基础。米歇尔.法拉第(1791-1867)最重要的科学成就在于苯的发现、法拉第电解定律和电磁感应2、阴极保护技术原理及发展简史Page2619021906科恩（K.Cohen）成功应用了外加直流电流阴极保护方法。盖波特（HerbertGeppert）建成了第一个管道阴极保护站，用一台10V/12A的直流发电机通过辅助阳极对有轨电车线路影响范围内300m长的埋地煤气管道和供水管道实施阴极保护，并于1908年获得第一个有关外加电流阴极保护的德国专利。1905美国的卡姆博兰德（E.Cumberland）采用外加电流阴极保护方法来防止蒸汽锅炉及其管子系统的内腐蚀。2、阴极保护技术原理及发展简史Page2719061913哈博（F.Haber）和戈德施密特（L.Goldschmidt）在“电化学”杂志上阐述了测量电流密度的哈博方法、土壤电阻测量方法和管地电位测量方法。在日内瓦金属研究所举行的一次大会上把牺牲阳极阴极保护命名为“电化学保护”。1908麦克.考兰姆（MC.Clooum）首次采用了硫酸铜参比电极来测量电位。2、阴极保护技术原理及发展简史Page28库恩（RobertJ.Kuhn），美国阴极保护之父库恩通过试验发现，保护电位为-0.85V（饱和硫酸铜参比电极）足