天然气管道阴极保护

山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL2020/2/2512020/2/2512020/2/251管道阴极保护山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL管道腐蚀山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL针对油气田环境，常用的金属防腐蚀技术：合理选材与结构优化设计；阴极保护技术；缓蚀剂保护技术；覆盖层保护技术；山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL阴极保护技术一、金属腐蚀的定义及腐蚀影响二、电化学腐蚀的分类三、阴极保护的分类四、长输天然气管道阴极保护系统五、阴极保护参数山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL第一节金属腐蚀的定义及腐蚀影响山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL1、金属腐蚀的定义及腐蚀影响“物质（或材料）的腐蚀时物质（或材料）受环境介质的化学或电化学作用而破坏的现象”，称为金属腐蚀。金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程，金属腐蚀一般可分为化学腐蚀与电化学腐蚀。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化(离子)状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成燃气泄漏导致火灾、爆炸等灾难性事故发生。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL埋地钢制输气管道锈蚀山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL定义：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。特点：腐蚀过程中无电流的产生。化学腐蚀电化学腐蚀按腐蚀原理分为定义：指金属表面与电解质因发生电化学反应而引起的破坏。特点：腐蚀过程中有电流的产生。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL第二节电化学腐蚀的分类山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL电化学腐蚀是金属的腐蚀中最普遍、也是最重要的一种类型。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最常见的一种。在潮湿的空气中，钢铁表面会吸附一层薄薄的水膜。如果这层水膜呈较强酸性时，H+得电子析出氢气，这种电化学腐蚀称为析氢腐蚀；如果这层水膜呈弱酸性或中性时，能溶解较多氧气，此时O2得电子而析出OH—，这种电化学腐蚀称为吸氧腐蚀。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL项目析氢腐蚀吸氧腐蚀发生条件水膜呈酸性水膜呈弱酸性或中性正极反应2H++2e—=H2↑O2+4e—+2H2O=4OH—负极反应Fe—2e—=Fe2+2Fe—4e—=2Fe2+溶液pH升高的极正极正极其他反应Fe2++OH—=Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3影响因素pH值、阴极区面积等溶解氧浓度、温度、盐浓度山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL第三节阴极保护分类山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL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。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL辅助阳极（不溶性）牺牲阳极法阴极保护外加电流阴极保护根据电化学保护机理，使被保护金属表面得到足够的电子，这样金属原子不容易失去电子而抑制了金属的腐蚀。阴极保护原理山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL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。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL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。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（一）牺牲阳极保护1、牺牲阳极保护原理（原电池原理）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，依靠电位比较负的金属不断腐蚀溶解所产生的电流来保护输气管道，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。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL牺牲阳极保护示意图Zn—电子流出—被氧化—阳极Fe—电子流入—被还原—阴极山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL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。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（一）牺牲阳极保护2、牺牲阳极组成牺牲阳极保护系统的组成有：土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填包料、和测试桩组成。水环境中，除导线连接外，牺牲阳极也可直接焊接到被保护结构上。作用是为了使电流输出尽量保持稳定和降低阳极接地电阻。填包料主要由硫酸钙、膨润土和硫酸钠混合而成。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（一）牺牲阳极保护3、牺牲阳极种类阳极随着流出的电流而逐渐消耗，所以称为牺牲阳极，这种阳极消耗快，安设位置及方法必须便于更换。埋地管道牺牲阳极法牺牲阳极：由电位较负的金属材料制成，当它与被保护的管道连接时，自身发生优先离解，从而抑制了管道的腐蚀，故称为牺牲阳极。牺牲阳极应有足够负的稳定电位，以保持足够大的驱动电压：同时有较大的理论发生电量，还要有高而稳定的电流效率。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（一）牺牲阳极保护3、牺牲阳极种类在生产实际中，现在能作为牺牲阳极材料的只有Al、Mg、Zn及其合金。镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝合金和锌合金主要用于水环境介质中。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL镁合金牺牲阳极铝合金牺牲阳极山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL所需保护电流I的计算牺牲阳极阴极保护设计I=S·ipI—实现完全保护所需的保护电流，mAS—被保护构件的外表面面积，m2；ip—最小保护电流密度，mA/m2；管道所需的最小保护电流密度ip与土壤电阻率、管道绝缘层质量有很大关系。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL土壤电阻率推荐采用的牺牲阳极＞100不宜采用牺牲阳极60～100纯镁、镁锰合金系列15～60镁、铝、锌、锰系列阳极＜30潮湿环境锌合金牺牲阳极＜15锌合金牺牲阳极山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL牺牲阳极阴极保护设计根据所选定的阳极种类、尺寸，计算阳极的输出电流IaIa=ia·F式中，Ia—阳极输出电流，A；ia—阳极表面电流密度，A/m2F—阳极有效表面积，m2。阳极表面的电流密度随阳极材料及介质的不同而不同，应由实验来确定。在初计算中，可取：海水中ia=1mA/cm2；土壤中ia=0.03mA/cm2。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL牺牲阳极阴极保护设计计算所需阳极根数N=αI/Ia式中：N—阳极的根数；I—所须保护电流；Ia—阳极输出的电流；α—阳极的屏蔽系数，它与被保护设备的结构、阳极间的距离、阳极材料的性质等因素有关，取α=1.5～3。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL牺牲阳极阴极保护设计牺牲阳极的安装长输管道牺牲阳极的安装：保护长度:每个阳极的保护长度范围一般是200~1000m；阳极距离管道的距离一般为3~6m。连接箱填充物牺牲阳极管道山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL★长输管道的牺牲阳极阴极保护实例牺牲阳极的安装和位点布置牺牲阳极阴极保护设计山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（一）牺牲阳极保护4、牺牲阳极主要应用牺牲阳极主要应用于土壤电阻率低的环境及城市燃气钢制埋地管道和区域性设施。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（二）外加电流阴极保护1、外加电流阴极保护（电解池原理）外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属输气管道补充大量的电子，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，使被保护金属结构电位低于周围环境。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL外加电流阴极保护示意图山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL（二）外加电流阴极保护2、外加电流阴极保护系统组成外加电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭（碳素）填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。山西燃气工程技术学校SHANXIGASENGINEERINGTECHNICALSCHOOL外加电流阴极保护设计阳极接地设计（阳极地床）★按照铺设方式，阳极地床结构可以分为：立式阳极地床（普遍）、水平式阳极地床★按埋深可分为：浅埋式阳极地床（多见）、深埋式阳极地床浅埋式：埋深距地表1~5米；深埋式:20～40米为次深；50～100米为中深；大于100米为深。★为了减少阳极之间的相互屏蔽，阳极之间应保证有一定的距离。阳极到管道的距离：短管道：油田的集输管网