1、第九章管道陰極保護 第一節腐蝕 一、腐蝕的定義 二、腐蝕的分類 三、腐蝕的基本原理 四、管道的腐蝕控制一、腐蝕的定義 從廣義上講，腐蝕是材料和環境相互作用而導致的失效。這個定義包含了所有的天然和人造材料，例如塑料、陶瓷和金屬。我們通常所研究的腐蝕是金屬的腐蝕，金屬腐蝕是金屬與周圍介質發生化學或電化學作用所引起的金屬損失的現象和過程。二、腐蝕的分類 腐蝕按材料的類型可分為金屬腐蝕和非金屬腐蝕，就腐蝕破壞的形態分類，可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕是一種常見的腐蝕形態，包括均勻的全面和不均勻全面腐蝕。按腐蝕的機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。 金屬管道常見的腐蝕按其作用原理可分為化學腐蝕和電化學腐

2、蝕兩種。1、化學腐蝕 化學腐蝕指金屬表面與非電解質直接發生純化學作用而引起的破壞。化學腐蝕是在一定條件下，非電解質中的氧化劑直接與金屬表面的原子相互作用，即氧化還原反應是在反應粒子相互作用的瞬間于碰撞的那一個反應點上完成的。在化學腐蝕過程中，電子的傳遞是在金屬與氧化劑間直接進行，因而沒有電流產生。2、電化學腐蝕 電化學腐蝕指金屬與電解質因發生電化學反應而產生的破壞。 特點：在腐蝕過程中有電流產生三、腐蝕的基本原理 腐蝕的基本原理是腐蝕原電池理論。由于不同金屬本身的電偶序（即電位）存在著差別，當兩種金屬處于同一電解質中，并由導體連接這兩種金屬時，腐蝕電池就形成了。電流通過導體和電解質形成電流回路

3、，此時兩種金屬之間的電位差越大，則電路產生的電壓越大。腐蝕電池一旦形成，陽極金屬表面因不斷地失去電子，發生氧化反應，使金屬原子轉化為正離子，形成以氫氧化物為主的化合物，也就是說陽極遭到了腐蝕；而陰極金屬則相反，它不斷地從陽極處得到電子，其表面因富集了電子，金屬表面發生還原反應，沒有腐蝕現象發生。 腐蝕過程可表示如下 氧化反應：Fe-Fe2+2e 還原反應：O2+2H2O+4e-4OH- 2H2O+2e-H2+2OH- 腐蝕電池形成的充分必要條件： 1)必須有陰極和陽極。 2)陰極和陽極之間必須有電位差 3)陰極和陽極之間必須有金屬的電流通道。 4)陰極和陽極必須浸在同一電解質中，該電解質中有流

4、動的自由離子。 四、管道的腐蝕控制 管道腐蝕的控制方法應根據腐蝕機理的不同和所處環境條件的不同，采用相應的腐蝕控制方法， 在油氣管道保護過程中應用最為廣泛的控制金屬腐蝕的方法為以下五類： 1、選擇耐腐蝕材料 2、控制腐蝕環境 3、選擇有效的防腐層 4、陰極保護 5、添加緩蝕劑 第二節管道防腐層 一、管道的外防腐層 二、管道防腐層的維護一、管道的外防腐層 1、管道的外防腐層的基本要求、管道的外防腐層的基本要求 （1）與金屬有良好的粘結性； （2）電絕緣性能好； （3）防水及化學穩定性好； （4）有足夠的機械強度和韌性，耐熱和抗低溫脆性； （5）耐陰極剝離性能好； （6）抗微生物腐蝕； （7）破損

5、后易修復，并要求價格低廉和便于施工。 2、埋地管道防腐層的主要種類、埋地管道防腐層的主要種類 埋地管道的防腐層種類主要有石油瀝青、單（雙）層環氧粉末涂層、3層PE以及聚乙烯膠粘帶等。 3、單層熔結環氧粉末、單層熔結環氧粉末 （1）性能 熔結環氧粉末防腐涂層最早于1961年由美國開發成功并應用于管道防腐工程，之后在許多國家得到進一步的開發和應用。由于熔結環氧粉末防腐涂層與鋼管表面粘結力強、耐化學介質侵蝕性能、耐溫性能等都比較好，抗腐蝕性、耐陰極剝離性、耐老化性、耐土壤應力等性能也很好，使用溫度范圍寬(普通熔結環氧粉末為-30100，成為國內外管道內外防腐涂層技術的主要體系之一。但由于涂層較薄（0

6、.30.5），抗尖銳物沖擊力較差，易被沖擊損壞，不適合于石方段，適合于大部分土壤環境和定向鉆穿越粘質土壤。 (2)結構 熔結環氧粉末涂層簡稱FBE，FBE外涂層為一次成膜的結構 。 (3)涂敷 涂敷時鋼管外表面噴(拋)射除銹等級應達到GB/T 8923中規定的Sa2.5級，鋼管表面的錨紋深度應在40l00m范圍內，并應監測環氧粉末涂敷之前瞬間的鋼管外表面的溫度，并把溫度控制在粉末生產商的推薦范圍內，但最高不得超過275。 (4)修補 在FBE管道上發現缺陷時，應先清除掉缺陷部位的所有銹斑、鱗屑、裂紋、污垢和其他雜質及松脫的涂層；將缺陷部位打磨成粗糙面， 用干燥的布或刷子將灰塵清除干凈，用雙組分

7、液體環氧樹脂涂料進行局部修補。 4、聚乙烯防腐層、聚乙烯防腐層 （1）防腐層結構 三層結構聚乙烯防腐層簡稱3PE，其底層為環氧粉末涂料，中層為膠粘劑，外層為聚乙烯， （2）性能 3PE第一層為環氧涂料，第二層為膠粘劑，第三層為擠出聚乙烯，各層之間相互緊密粘接，形成一種復合結構，取長補短。它利用環氧粉末與鋼管表面很強的粘結力而提高粘結性；利用擠出聚乙烯優良的機械強度、化學穩定性、絕緣性、抗植物根莖穿透性、抗水浸透性等來提高其整體性能，使得三層PE防腐涂層的整體性能表現更為突出，更為全面，適用于對覆蓋層機械性能、耐土壤應力及阻水性能要求較高的苛刻環境，如碎石土壤、石方段、土壤含水量高、植物根系發達

8、地區。 （3）涂敷 在防腐層涂敷前，先清除鋼管表面的油脂和污垢等附著物，并對鋼管預熱后進行表面預處理，鋼管預熱溫度為4060。表面預處理質量應達到涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級GB/T 8923中規定的Sa2.5級的要求，錨紋深度達到50m75m。鋼管表面的焊渣、毛刺等應清除干凈。 應用無污染的熱源將鋼管加熱至合適的涂敷溫度，環氧粉末涂料均勻地涂敷到鋼管表面；膠粘劑的涂敷必須在環氧粉末膠化過程中進行；聚乙烯層的涂敷可采用縱向擠出工藝或側向纏繞工藝。公稱直徑大于5OOmm的鋼管，宜采用側向纏繞工藝。采用側向纏繞工藝時，應確保搭接部分的聚乙烯及焊縫兩側的聚乙烯完全輥壓密實，并防止壓傷聚乙烯層表面

9、;采用縱向擠出工藝時，焊縫兩側不應出現空洞。聚乙烯層涂敷后，確保熔結環氧涂層固化完全，然后用水冷卻至鋼管溫度不高于60。 （4）修補 在3PE管道上發現缺陷時，對小于或等于30mm的損傷，宜采用輻射交聯聚乙烯補傷片修補。修補時，先除去損傷部位的污物，并將該處的聚乙烯層打毛。然后將損傷部位的聚乙烯層修切成圓形，邊緣應倒成鈍角。在孔內填滿與補傷片配套的膠粘劑，然后貼上補傷片，補傷片的大小應保證其邊緣距聚乙烯層的孔洞邊緣不小于100mm 。貼補時，應邊加熱邊用輥子滾壓或戴耐熱手套用手擠壓，排出空氣，直至補傷片四周膠粘劑均勻溢出。 對大于30mm的損傷，先除去損傷部位的污物，將該處的聚乙烯層打毛，并將

10、損傷處的聚乙烯層修切成圓形，邊緣應倒成鈍角。在孔洞部位填滿與補傷片配套的膠粘劑，貼上補傷片。最后，在修補處包覆一條熱收縮帶，包覆寬度應比補傷片的兩邊至少各大50mm。 補傷時也可以先清理表面，然后用雙組分液態環氧涂料防腐，干膜厚度與主體管道相同，然后貼上補傷片或再加熱收縮帶。二、管道防腐層的維護 1、防腐層失效的原因、防腐層失效的原因 （1）防腐層類型選擇不當 （2）防腐補口的質量不好 （3）外力破壞造成防腐層損傷 （4）防腐層自然老化 （5）陰極保護的參數不適當 （6）管理不善 2、防腐層的維護、防腐層的維護 管道的腐蝕幾乎都發生在防腐層嚴重缺陷或破損的地方，由于管道埋在地下，不便于直接觀測

11、和檢查，加上土壤環境條件復雜多變，給防腐層的管理維護帶來困難。防腐層的維護主要采取以下措施： （1）經常監測防腐層狀況。通常采用定期進行防腐層缺陷檢漏、防腐層絕緣電阻測量等方法，分析陰極保護參數的變化情況及原因，判定防腐層質量及損傷程度。 （2）防腐層分級管理。對不同管段、不同狀況的防腐層，按其技術狀況分級，分別采用不同的維修對策。目前對防腐層是根據其絕緣電阻值從大到小分為五個級別：優、良、中、差、劣。最差的一級需要及時維修更換原有的防腐層。 （3）制定實施維修計劃。對檢測確定的不同級別的防腐層，分別采取定期檢測、修補或更換的措施。 3、防腐層檢測、防腐層檢測 防腐層檢測分地面檢測和地下檢測，

12、地面檢測有外觀、厚度、粘結力及電火花檢漏等。 為了能達到預期的防腐效果, 防腐管道在埋地前必須保證其防腐層質量完好, 這就需要對防腐層質量進行檢測, 檢測防腐層涂敷是否均勻，厚度是否達到要求。還要檢測涂層在工廠制作或運輸中是否造成針孔缺陷、裂紋等。管道焊接后的防腐處理是否符合質量要求。 防腐層地下檢測 管道在埋地后仍應定期或不定期進行防腐層檢測, 檢測其在埋地后的防腐層質量變化情況: 有否破損? 破損點位置、大小；防腐層絕緣電阻變化速率等, 對埋地管道防腐層狀況作出確切的評估，并提出處理建議。4、音頻信號檢漏法、音頻信號檢漏法 音頻信號檢漏法也稱“人體電容法”，就是用人體作檢漏儀的感應元件,

13、通過相應的儀器（如：SL6地面檢測儀）進行埋地管道防腐層破損檢測。它是目前國內輸油、輸氣管道維護和檢測的通用方法，用這種方法檢測防腐層破損點靈活方便。 、基本原理及方法當發射機向被檢測的管道上施加交流信號時, 若該管道防腐層有破損, 管道金屬部分與大地短路，在防腐層破損點處便會有泄漏電流流入土壤中，這樣在管道防腐層破損漏點和土壤之間就會形成電壓差，且在接近破損點的部位電壓差最大，用儀器在埋設管道的地面上方即可檢測到這種電位異常，據此即可發現管道防腐層破損點。 作“人體電容法”時兩位檢漏員分別與檢測儀的檢測線芯線兩端相連，兩人保持5-6m的距離，沿管線以步行速度前進，當走到漏點附近時, 儀器顯示

14、器信號發生變化，漏點中心信號最強，數值最大，據此即可找到漏蝕點(見圖3-3)。據此信號強度變化, 來判斷防腐層有無破損, 并可根據信號異常分布特征來確定漏點位置, 推測漏點大小。該儀器探管、檢漏同步進行，方便快捷,成功率高。 人體電容法(縱向)檢漏示意圖 適用性 音頻信號檢漏法適用于一般地段的埋地管道防腐層檢漏，不適用于露空管道、覆蓋層導電性很差的管道、水下管道、套管內的管道的防腐層地面檢漏；水田或沼澤地、高壓交流電力線附近的埋地管道，使用本法進行防腐層檢漏比較困難。 第三節管道陰極保護基本知識 一、陰極保護的原理 二、陰極保護的基本參數 三、犧牲陽極陰極保護 四、外加電流陰極保護 五、陰極保

15、護投入運行的調試一、陰極保護的原理 每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位, 稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位），腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子, 我們稱失去電子的部位為陽極區，得到電子的部位為陰極區。陽極區由于失去電子（如鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕，而陰極區得到電子受到保護。 陰極保護的原理： 是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位。有兩種辦法可以實現這一目的，即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。 1、犧牲陽極法 將被保護金屬和一種電位更負的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護體陰極極化

16、以降低腐蝕速率的方法。 在被保護金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負于被保護金屬體的電位值，在保護電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實現了對陰極的被保護金屬體的防護。 犧牲陽極材料有高純鎂，其電位為-1.75V；高鈍鋅，其電位為-1.1V；工業純鋁，其電位為-0.8V（相對于飽和硫酸銅參比電極）。 2、強制電流法（外加電流法） 將被保護金屬與外加電源負極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：恒電位、恒電流等。如圖 外部電源通過埋地的輔助陽極將保護電流引入地下，通過土壤提供給被保護金屬，被保護

17、金屬在大地中仍為陰極，其表面只發生還原反應，不會再發生金屬離子化的氧化反應，使腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發生丟電子氧化反應，因此，輔助陽極本身存在消耗。 陰極保護的上述兩種方法，都是通過一個陰極保護電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護電流，使之恰好抵消金屬內原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產生保護電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負的金屬或合金，另一種則利用直流電源。 強制電流陰極保護驅動電壓高，輸出電流大，有效保護范圍廣，適用于被保護面積大的長距離、大口徑管道。 犧牲陽極陰極保護不需外部電源，維護管理經濟，簡單，對鄰近地下金屬構

18、筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。二、陰極保護的基本參數 1、最小保護電流密度、最小保護電流密度 使金屬腐蝕下降到最低程度或停止時所需要的保護電流密度,稱作最小保護電流密度。新建瀝青管道最小保護電流密度為3050A/m2，環氧粉末的管道一般為10-30A/m2，新建儲罐罐底板最小保護電流密度為1-5mA/m2表示，老罐為510mA/m2。 2、最小保護電位、最小保護電位 為使腐蝕過程停止，金屬經陰極極化后所必須達到的絕對值最小的負電位值，稱之為最小保護電位。 最小保護電位也與金屬的種類、腐蝕介質的組成、溫度、濃度等有關。最小保護電位值常常是用來判斷陰極保護是否充分的基準。因此該

19、電位值是監控陰極保護的重要參數。 實驗測定在土壤中的最小保護電位為0.85V（相對飽和硫酸銅參比電極）。 3、最大保護電位、最大保護電位 在陰極保護中，所允許施加的陰極極化的絕對值最大的負電位值，在此電位下管道的防腐層不受到破壞。此電位值就是最大保護電位。 陰極保護電位越大，防腐程度越高，單站保護距離也越長，但是過大的電位將使被保護管道的防腐絕緣層與管道金屬表面的粘接力受到破壞，產生陰極剝離，嚴重時可以出現金屬“氫破裂”。同時太大的電位將消耗過多的保護電流，形成能量浪費。三、犧牲陽極陰極保護 （一）常見的犧牲陽極材料（一）常見的犧牲陽極材料 1.鎂合金陽極 根據形狀以及電極電位的不同，鎂合金陽

20、極可用于電阻率在 20歐姆.米到 100歐姆.米的土壤或淡水環境。高電位鎂合金陽極的電位為-1.75V (CSE)；低電位鎂陽極的電位為-1.55V(CSE)。 2.鋅合金陽極 鋅合金陽極多用于土壤電阻率小于15 歐姆.米的土壤環境或海水環境。電極電位為-1.1V(CSE)。溫度高于40C時，鋅陽極的驅動電位下降，并發生晶間腐蝕。高于60C時，它與鋼鐵的極性發生逆轉，變成陰極受到保護，而鋼鐵變成陽極受到腐蝕。所以，鋅陽極僅能用于溫度低于40C的環境。 3.回填料 當使用填料時，陽極的電流輸出效率提高。如果將陽極直接埋入土攘，由于土壤的成分不均勻，會造成陽極自身腐蝕，從而降低陽極效率。采用填料，

21、一是保持水分，降低陽極的接地電阻，二是使陽極表面均勻腐蝕，提高陽極利用效率。 犧牲陽極填包料的配方陽極類型填包料配方(%) 適用條件 石膏粉(CaSO4.2H2O) 工業硫酸 鈉 工業硫酸 鎂 膨潤土 鎂陽極5025751515 -515- -25-2035 5050205050 20.m20.m20.m20.m20.m 鋅陽極 5075 55 - 4520 - （二）犧牲陽極的埋設方式（二）犧牲陽極的埋設方式 1、犧牲陽極埋設有立式和臥式兩，埋設位置分軸向和徑向。 2、犧牲陽極在管道的分布宜采用單支或集中成組兩種方式。 3、陽極與管道的距離，一般情況下陽極埋設位置應距管道35，最小不宜小于0

22、.3，成組埋設時，陽極間距以23為宜。 在管道一側 在管道兩側四、外加電流陰極保護系統的主要設施外加電流陰極保護系統主要由四部分組成：直流電源、輔助陽極、被保護管道、附屬設施 1、電源設備（恒電位儀）、電源設備（恒電位儀） 強制電流系統要求電源設備能夠不斷地向被保護金屬構筑物提供陰極保護電流，要求電源設備安全可靠；電源電壓連續可調；能夠適應當地的工作環境（溫度、濕度、日照、風沙）；功率與被保護構筑物相匹配；操作維護簡單。 目前常用的陰極保護電源設備有太陽能電池、整流器、恒電位儀，國內多用恒電位儀，都能國產化，恒電位儀不僅能夠恒電位輸出，還能恒電流輸出。用戶可以根據需要調節。 2、陽極地床、陽極

23、地床 輔助陽極是外加電流陰極保護系統中，將保護電流從電源引入土壤中的導電體。通過輔助陽極把保護電流送入土壤，經土壤流入被保護的管道，使管道表面進行陰極極化 (防止電化學腐蝕)，電流再由管道流入電源負極形成一個回路，這一回路形成了一個電解池，管道在回路中為負極處于還原環境中，防止腐蝕，而輔助陽極進行氧化反應遭受腐蝕。常用的陽極材料有：高硅鑄鐵、石墨、鋼鐵、柔性陽極。 陽極地床的設計遵循以下幾方面要求： （1）陽極種類的選擇 在一般土壤中可采用高硅鑄鐵陽極、石墨陽極、鋼鐵陽極； 在鹽漬土、海濱土或酸性和含硫酸根離子較高的環境中，宜采用含鉻高硅鑄鐵陽極。 高電阻率的地方宜使用鋼鐵陽極。 覆蓋層質量較

24、差的管道及位于復雜管網或多地下金屬構筑物區域內的管道可采用柔性陽極，但不宜在含油污水和鹽水中使用。 （2）輔助陽極埋設位置的選擇 輔助陽極與管道距離愈遠電流分布愈均勻，但過遠會增加引線上的電壓降和投資，因此輔助陽極的距離和埋設方式應根據現場情況選定。選擇陽極安裝位置的原則是: 地下水位較高或潮濕低洼處； 土層厚,無塊石,便于施工； 土壤電阻率一般應小于50歐姆米，特殊地區也應小于100.m； 對鄰近的地下金屬構筑物干擾小，陽極地床與被保護管道之間不得有其它金屬管道； 考慮陽極附近地域近期發展規劃及管道發展規劃以避免建后可能出現的搬遷； 陽極位置與管道的垂直距離不宜小于50m。 地面金屬構筑物較

25、多，用地狹窄時，可采用深井陽極，以減小對其它金屬構物的干擾又節約用地。 （3）輔助陽極的結構 淺埋式地床結構 將電極埋入距地表15米的土層中, 這是管道陰極保護一般選用的陽極埋設形式。淺埋式陽極又可分為立式,水平式兩種,對于鋼鐵陽極可能兩種聯合稱為聯合式陽極。 a.立式陽極：由一根或多根垂直埋入地中的陽極排列構成。電極間用電纜聯接。其優點有:全年接地電阻變化不大;當陽極尺寸相同時,立式地床的接地電阻較水平式小。 b.水平式陽極：將陽極以水平方向埋入一定深度的地層中,其優點有:安裝土石方量較小,易于施工；容易檢查地床各部分的工作情況。 c.聯合式陽極：指采用鋼鐵材料制成地床,它由上端聯接著水平干

26、線的一排立式陽極所組成. 深埋式陽極(深井式) 當陽極地床周圍存在干擾、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管網密集區進行區域性陰極保護時,使用深埋式陽極,可獲得淺埋式陽極所不能得到的保護效果。深埋式地床根據埋設深度不同可分為淺深井(2040米)、中深井(50100米)和深井(100米)三種。 深埋式陽極地床的特點是接地電阻小,對周圍干擾小,消耗功率低,電流分布比較理想。它的缺點是施工復雜技術要求高,單井造價貴。尤其是深度超過100米的深陽極,施工需要大鉆機，這就限制了它的應用。 淺埋陽極示意圖 3、陰極保護的附屬設施 、埋地型參比電極 為了對各種金屬的電極電位進行比較，必須有一個公共的對比電極

27、，其電極電位具有良好的穩定性，構造簡單，通常有飽和硫酸銅參比電極、鋅電極等。其作用是與恒電位儀組成信號源。 參比電極埋設的位置應盡量靠近管道，以減少土壤介質中的IR降影響。 埋地型參比電極的類型： 、液體硫酸銅參比電極 主要用于測量管地電位，用于埋地使用時，由于密封處理不好，經常會造成滲漏過度，經常添加硫酸銅溶液，且一到冬季又容易凍結，影響恒電位儀的正常工作，目前已很少埋地使用。 、長效埋地型硫酸銅參比電極 電極結構：電極由素燒陶瓷罐、管狀或彈簧狀銅電極和硫酸銅晶體所構成。使用前應在水中浸泡24小時，形成飽和硫酸銅溶液。 電極地床結構：在參比電極周圍填充510厚的填包料。填包料的主要成分為石膏

28、粉、硫酸鈉、膨潤土，其體積比為75：5：20 、測試樁 為了定期檢測管道陰極保護參數。 、電絕緣裝置 作用：安裝絕緣法蘭或絕緣接頭可以將進行陰極保護的管道和不進行陰極保護的管道絕緣。 、檢查片 檢查片是為了定量測量陰極保護效果，在管道沿線典型地段埋設與被保護管道相同的鋼制試片。 、均壓線 為避免干擾腐蝕，用電纜將同溝敷設、近距離平行或交叉的管道連接起來，以消除管道之間的電位差，此電纜稱為均壓線。 、導線 陰極保護系統中導線有：陽極線、陰極線、零位接陰線、參比電極引線、測試樁引線4、管道實施陰極保護的基本條件 、管道必須處于有電解質的環境中，以便能建立起連續的電路。如土壤、海水、河流等介質中都可以進行陰極保護。 、管道必須電絕緣。首先，管道必須要采用良好的防腐層盡可能將管道與電解質絕緣，否則會需要較大的保護電流密度。其次，要將管道與非保護金屬構筑物電絕緣，否則電流將流失到其他金屬構筑物上，造成其他