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1、1,第五章 储运工程中金属腐蚀的 特点及防护方法 5.1 地下管路腐蚀特点和防护方法 5.1.1 腐蚀特点,5储运工程中金属腐蚀,2,5.1.2 防护方法 针对产生腐蚀的原因，国内外常采取下述防腐蚀措施： l、选用耐腐蚀材料 在特定环境下选用耐腐蚀材料在经济上也是合理的。在国外城市煤气管网中逐步推广应用聚氯乙烯管。在海洋油气管道中建议采用含铜钛的合金钢管等。 2、在输送或储存时的介质中加入缓蚀剂抑制内壁腐蚀。 3、采用内、外壁防腐涂层 在管道内壁喷涂环氧树脂等，不仅可以防止内壁腐蚀，还可以减少输送介质的摩阻。外壁涂层主要用沥青玻璃布和环氧涂层、聚乙烯。,5储运工程中金属腐蚀,3,4、采用阴极保
2、护 在管道上通以阴极电流防止管道外壁由土壤造成的腐蚀。 由于难以做到绝对完好的表面涂层，所以管道的腐蚀控制提倡外涂层与阴极保护联合应用。这样涂层不至于太厚，保护电流也小。见表5l。,5储运工程中金属腐蚀,表5l 不同类型覆盖层所需的保护电流密度,4,5.1.3 防腐绝缘层 所有埋地金属管道表面都应涂防腐蚀的覆盖层，或习惯称为防腐绝缘层，其功能在于隔绝腐蚀介质、切断腐蚀电池的外部电路，是管道防腐的第一道防线。 1.防腐绝缘层的质量要求 防腐绝缘层质量的优劣主要取决于它的粘结力和耐老化性。要得到性能良好的覆盖层，除选用合适的材料外，还需选用先进的施工工艺。其质量必须满足下述要求： 有良好的电绝缘性
3、 有一定的耐阴极剥离强度的能力。 足够的机械强度 有良好的稳定性 覆盖层破损后修补容易。 抗微生物性能好。,5储运工程中金属腐蚀,5,表5-2 外防腐层的性能及使用条件,2常见外防腐绝缘层,5储运工程中金属腐蚀,6,沥青防腐层结构或称防腐绝缘层等级，一般分为普通级、加强级和特加强三种。根据埋设处的土壤腐蚀性等因素来选择，如对于穿越河流、铁路、居民区、有杂散电流影响等地段，采用加强或特加强级。 七十年代以来，随着管道向极地、海洋等自然条件严酷地区的发展和加热输送管道的增多，管道防腐层的选用着眼于发展复合材料或称复合结构，以满足防腐、绝缘、保温、增强和加重等多功能的要求。,5储运工程中金属腐蚀,7
4、,石油沥青防腐层等级与结构,三油两布、四油三布、五油四布,5储运工程中金属腐蚀,8,3.特殊情况下的外防腐层 （1）防腐保温涂层 用于热油管道的保温、防腐的复合结构。常用硬质、闭孔的聚胺酯泡沫塑料作保温层，外面再包覆高密度聚乙烯，形成外壳。 （2）水下管道防腐涂层 目前在海洋管道上采用的较典型的结构是在无机锌二次处理的底漆上涂敷环氧树脂的粘结层和中间加强层，最外层是聚丙烯乙烯树脂。,5储运工程中金属腐蚀,9,（3）沼泽地区的地下管道 其特点是土壤含水率高，沼泽土中含有较多的矿物盐、有机酸、碱等，还有细菌腐蚀。因季节变化土壤的膨胀收缩严重，故对沼泽地区防腐层的化学稳定性及电绝缘性要求更高。一般由
5、三层组成，第一层保证粘结及电绝缘性，第二层为特殊抗水层，第三层为加重管道及保证机械强度的保护层。 （4）用顶管法敷设的管道 管道的穿越管段用顶管法施工时，绝缘层必须有较高的抗剪耐磨强度。在长期使用下不修理，仍能保证可靠的抗蚀能力。,5储运工程中金属腐蚀,10,三层PE介绍 第一层（底层）：熔结环氧（FBE）厚度一般为60100m。以粉末形态进行喷涂并熔融成膜。这种热固性粉末涂料无溶剂污染，固化迅速，具有极好的粘结性能。 第二层（中间层）：聚烯烃共聚物。它作为胶粘剂的作用是连接底层与外防护层，厚度为200400m。三层PE中的胶粘剂具有粘结性强、吸水率高、抗阴极剥离的优点，而且在施工过程中可以与
6、防护层聚乙烯共同挤出，方便施工。 第三层（防护层）：聚烯烃，如低密度聚乙烯、高中密度聚乙烯，或改性聚丙烯（PP）。一般厚度为1.83.7mm，或视工程的特殊要求增加厚度。,5储运工程中金属腐蚀,11,5储运工程中金属腐蚀,12,5.1.4 管道的阴极保护 目的：保护地下和水中的金属构筑物。 原理：要消除金属结构上的阳极区，使金属腐蚀得到控制。 方法：埋地油气管道根据不同的环境，选用外加电流的阴极保护或牺牲阳极的阴极保护。 1.阴极保护参数 为使某一腐蚀过程得到抑制，外加的保护电流必须达到一定的数值，或使经外电流极化后的阴极电位降到一定的值。故在阴极保护中常采用最小保护电位或最小保护电流密度作为
7、衡量是否达到完全保护的指标。,5储运工程中金属腐蚀,13,（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，也就是腐蚀电池阳极的起始电位。 其数值与金属的种类、腐蚀介质的组成、浓度及温度等有关。 根据实验测定，碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为-0.85伏左右（相对饱和硫酸铜电极）。在细菌繁殖激烈的地区，为-0.95伏。按此数值保护的管道，保护度一般在90以上。,5储运工程中金属腐蚀,14,（2）最小保护电流密度 最小保护电流密度是指为使金属得到完全保护，所必需加入的最小保护电流密度。最小保护电流密度的数值与金属和腐蚀介质的性质、组成，绝缘层质量等许多因素
8、有关。在不同条件下其数值变化很大。钢在不同介质中的最小保护电流度见表53。,表5-3 钢在不同介质中的最小保护电流密度,5储运工程中金属腐蚀,15,5储运工程中金属腐蚀,16,由于在实际工作中很难测定腐蚀电池的阴、阳极的具体地点和面积大小，故上表所列数据都是按与电解质接触的整个被保护金属表面计算的，类似的试验数据对于较小的金属构筑物，如油罐的罐底、平台的桩柱等是适用的。 对于沿途土壤电阻率和防腐层质量变化较大的长距离管道，则往往偏差较大。 故对于管道的阴极保护，常以最小保护电位和最大保护电位作为衡量标准。,5储运工程中金属腐蚀,17,（3）最大保护电位受析氢电位的控制 管道通入外加电流后，其负
9、电位提高到一定程度时，土壤液中的H+会在阴极上还原，管道表面析出氢气。氢的析出会减弱甚至破坏绝缘层的粘结力，加速绝缘层的老化。不同绝缘层的析氢电位不同。沥青绝缘层在外加电位低于-1.2伏时开始有氢气析出，当电位达到-1.5伏时有大量氢气析出。因此，对于沥青绝缘层最大保护电位取-1.2伏（相对硫酸钢电板）。聚乙烯涂层的最大保护电位可取-1.50伏。其它防腐绝缘层，最大保护电位应经过实验确定。如聚乙烯涂层的最大保护电位可取-1.5伏。,5储运工程中金属腐蚀,18,2. 外加电流阴极保护计算 投资约为管道投资的1%左右 设计内容：保护长度的计算 阴极保护站数和站址确定 阴极地床 电源设计 导线设计
10、绝缘法兰 测试桩及检查片,5储运工程中金属腐蚀,19,5储运工程中金属腐蚀,20,管道沿线电位分布基本公式推导的两个基本假设： 管道的绝缘层均匀一致，管道沿线单位面积过度电阻相等 因土壤截面积很大，电流经过土壤的电阻可忽略不计,5储运工程中金属腐蚀,21,式中系数 A1、A2、B1、B2可根据边界条件求出。边界条件通常有三种情况： (1)无限长管段的计算：即全线只有一个阴极保护站，线路上没有用绝缘法兰。 (2)有限长管段的计算：即全线有多个阴极保护站，两个相邻站之间的管道由两个站共同保护。 (3)保护段终点有绝缘法兰的计算：一般设有阴极保护的管道在进入输油站或油库以前须装设绝缘法兰，以免保护电
11、流向站内或库内流失。,5储运工程中金属腐蚀,22,（2）保护范围的计算 1)无限长管道的计算 在汇流点处x=0，I=I0，E=E0，I0为管道一侧的电流。距汇流点无限远处x，I=0，E=0。将此边界条件代入通解式(5-5)和式(5-6)得A1=0，B1=I0；A2=0，B2= E0。故无限长管道的外加电位及电流的分布方程式为：,由以上两式可解出沿线各处电位与电流的相互关系为,5储运工程中金属腐蚀,23,如前所述，由于最大保护电位是有限度的，故汇流点处的电位应小于或等于最大保护电位Emax，当沿线的管/地电位降至最小保护电位Emin处，就是保护段的末端。故一个阴极保护站所可能保护的一侧的最长距离
12、，可由式（5-8）算出。取E0=Emax，E= Emin ，x=Lmax代入，可得,在汇流点处，x=0，故汇流点一侧的电流为:,由式（5-9）和式（5-10）可见，阴极保护管道所需保护电流I0的大小和可保护段落长度受防腐层电阻的影响很大。防腐层质量好，则电能消耗少，保护距离也长。,5储运工程中金属腐蚀,24,2)有限长管道的计算 有限长管道的保护段即指两个相邻的阴极保护站之间的管段，或两端设有绝缘接头的管段近似按有限长考虑。其极化电位和电流的变化受两个站的共同作用。由于两个站的相互影响，将使极化电位变化曲线抬高，因此，有限长管道比无限长管道的保护距离长。,5储运工程中金属腐蚀,25,有限长管道
13、一侧的保护长度,考虑到双曲余弦函数 这项很小，可近似忽略，将上式简化为,5储运工程中金属腐蚀,26,将有限长管道与无限长管道的公式进行比较可见： （1）无限长管道的电位是按指数函数的规律变化，而有限长管道是按双曲函数的规律变化，故有限长管道电位和电流分布的变化较缓慢，其保护距离比无限长管道长。 （2）有限长管道消耗的电能比无限长管道少。 管道末端有绝缘法兰的计算与有限长管道的计算结果相近，故实际工作中都按有限长计算。,5储运工程中金属腐蚀,27,根据上述公式，可以估算被保护管道全线所需的阴极保护站的数量及其位置（通常尽可能设在泵站或压缩机站上）。但必须强调指出的是：在上述推导过程中忽略了土壤中
14、的IR降，并认为沿线防腐层过渡电阻均匀一致；实际上在几十公里长的管道沿线，不仅土壤电阻率变化较大，防腐层质量也难能一致，故在设计中要留有一定的余地。,5储运工程中金属腐蚀,28,3、牺牲阳极保护 （1）牺牲阳极的使用范围 牺牲阳极是最早应用的阴极保护方法。根据实践经验一般认为：牺牲阳极只适用于土壤电阻率较低、埋地管道防腐层电阻率比较高的场合，对于新建管道，防腐层电阻率小于104 .m2时，不易采用牺牲阳极保护。当土壤电阻率大于100 .m时，也不易采用牺牲阳极保护。,5储运工程中金属腐蚀,29,（3）常用的牺牲阳极材料 常用的牺牲阳极材料有镁、锌、铝及其合金。在土壤环境中适用的牺牲阳极只有镁、
15、锌及其合金。铝合金牺牲阳极目前只限于海水或油罐底部的水层等环境中使用（主要是阳极的腐蚀产物氢氧化铝胶体在土壤中无法疏散，使阳极钝化而失效） 。 在选择使用何种牺牲阳极进行保护时，具体问题具体分析。牺牲阳极种类选择参见下表。,5储运工程中金属腐蚀,30,（4） 安装方式 长输管道：距汇流点垂直距离一般取 300500m，对电流分布影响不大。在地下管道密集的地方，可采用深埋阳极装置，即把阳极垂直埋在地下几十米到一、二百米深，以减小对其它金属管道的干扰。 （5）阳极接地装置的计算 1)接地电阻的计算 辅助阳极的接地电阻，因地床结构不同而有所区别。各种结构的接地电阻的计算公式可参见有关手册。这里给出三
16、种常用埋设方式的阳极接地电阻计算公式。,5储运工程中金属腐蚀,31, 单支立式阳极接地电阻的计算(ld),5储运工程中金属腐蚀,t由地表面到阳极中部的距离，m； l阳极长度，m； 土壤电阻率，.m； 填料层电阻率，.m； d阳极外径，m； da填料层直径，m。,32,5储运工程中金属腐蚀,33,5储运工程中金属腐蚀,34,5储运工程中金属腐蚀,4、增大保护距离的方法 （1）屏幕接地 原理：使进入管路的阳极电流受到限制 （2） 电位法 原理：削减汇流点处的峰值电位以达到增大保护距离的目的,5、绝缘法兰、测试桩、检查片 （1）绝缘法兰 目的：为了防止保护电流流失和对未保护的金属管道和设备的干扰。 安装位置：站（库）的进出口管道 河流穿跨越段 有杂散电流地段 不同材质、新旧管道的连接处,35,（2）测试桩 目的：为了监测管道的保护情况。 安装位置：一般1公里个，可与里程桩结合 河流、铁路穿越段两侧 与其它管道交汇处 （3）检查片 目的：为了定量了解阴极保护的保护效果。 安装位置：选择典型地段埋设,5储运工程中金属腐蚀,6、外加电流阴
