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1、管道腐蚀与防护 Corrosion and Protection of Pipeline,管道腐蚀现象,从生产到腐蚀：管道材料的循环,金属从矿石中提炼出来时，需要提供很大的能量，使其处于一个高能级状态。这些矿石是典型的金属氧化物，如用来炼钢的赤铁矿（Fe2O3）。热力学的一个规律是：材料总是趋向于以最低能量状态存在。因此，多数的金属处于热力学不稳定状态，具有寻求低能量状态的倾向，如形成氧化物或其他化合物。金属转化成低能量氧化物的过程就是腐蚀。,腐蚀概念,腐蚀概念：腐蚀是金属和周围环境起化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。腐蚀是一种化学过程，而且大多都是电化学过程，伴随着氧化-还原反应的发生
2、。,管道腐蚀防护的意义,每年管道、储罐电缆和其它埋地或水下金属结构及埋地管线的腐蚀造成巨大的损失。据中国腐蚀协会统计,我国04年腐蚀损失为5000多亿，大于自然灾害和事故损失总和。 尽管腐蚀原理及防护技术研究及应用都取得了很大的进步，但腐蚀失效仍然是继第三方破坏之后影响管道完整性的第二大因素。,管道腐蚀防护-涂层+阴极保护,采用外涂层和施加阴极保护是管道外腐蚀防护的主要手段，尽管管道的绝大多数表面都被涂层有效地保护着，但是在漏点处或是剥离区中将会产生较高的腐蚀速率，很可能导致穿孔或开裂。所以埋地管线的涂层系统少有不与阴极保护共同使用的。,外涂层系统,涂层的用意是要在金属表面上形成一层绝缘材料的
3、连续覆盖层，将金属与其直接接触的电解质之间进行绝缘（防止电解质直接接触到金属），即设置一个高电阻使得电化学反应无法正常发生。 在现实中，所有的涂层，不论总体质量如何都存在空洞（通常称为不连续点）被称做漏点，这些漏点一般是在涂敷、运输或者安装过程中产生的；使用过程中，涂层漏点一般是由于涂层老化、土壤应力或是管道在土壤中移动而产生的，有时也可能来自未被及时发现的第三方破坏。涂层的老化有可能导致涂层从管道表面剥离，进而将金属暴露在地下环境中。,阴极保护系统,阴极保护就是通过使金属表面成为电化学电池的阴极而减少腐蚀速率的技术。它是通过使用外电源施加电流（称为强制电流）或牺牲阳极，使金属的电位向负的方向
4、移动来实现的。 强制电流阴极保护是通过供电的方式将电流强加在金属和埋在地下的阳极上，电源称为整流器；在牺牲阳极系统中，利用牺牲阳极材料，例如，锌或镁与管道钢材之间的电动序的关系来提供所需的电流。,管道防腐蚀保护示意图,金属 + 土壤 腐蚀,金属 + 土壤 腐蚀,涂层 将金属与土壤隔离开,整流器 将交流电流转变成 脉动直流电流,通过涂层以及阴极保护系统，最终形成一个完整的管道保护系统。,外涂层是腐蚀控制的一种手段,管道腐蚀控制的第一步有赖于外涂层材料的运用：如果管道金属能够隔绝其与周围环境土壤的接触，那么就不会有腐蚀的发生，这个概念从理论上讲完全合乎逻辑，如果涂层材料是一种有效的电绝缘体，涂敷之
5、初就能形成完美的膜层并且在涂敷和回填过程中没有任何破损时，作为阻止腐蚀的手段，单是使用涂层就完全有效了。,涂层应具备的特性,（1）有效的电绝缘体； （2）有效的水分屏障； （3）涂敷方法和过程对管子不产生不利影响； （4）采用产生最少缺陷的方法涂敷到管子上； （5）与管子表面有很好的附着力； （6）抵抗随时间推移产生的漏点的能力； （7）抵抗转运处理、保管储存、安装过程中的损伤的能力；,涂层应具备的特性,（8）在长时间保持稳定的电阻率； （9）抗剥离； （10）抗化学降解； （11）容易修理； （12）保持物理特性； （13）对环境没有毒害性； （14）抵抗地面储存和长途运输过程中的变化和恶化
6、的能力。,其他因素,在选择管道涂层时还应考虑下面的因素: 环境类型 管道的进场路情况 管道的运行温度 涂敷、存放、装运、施工和安装时的周边温度 地理和自然位置 已建管道的涂层类型 装运和储存 安装方法 费用 管子表面予处理要求,管道常用涂层种类,三层PE防腐层,采用聚乙烯对钢管进行防腐，是近年来逐步推广开来的一种钢管防腐技术。聚乙烯涂层的主要特点是： 防腐性能极佳，可耐受在自然环境下存在的各种腐蚀； 具有较高的质价比； 绝缘性能极好，而且在干燥条件下与长期浸水条件下电性能基本不变，可有效的防止杂散电流引起的电化学腐蚀；,三层PE防腐层, 耐微生物腐蚀及深根植物根刺能力强，不发生植物根穿透现象；
7、 强度高，可以直接用含有直径 25mm 的非人工粉碎砾石的土回填而不会造成任何损伤； 抗阴极剥离能力强； 产品质量稳定，有利于全面质量控制； 使用寿命长，在 60 的条件下可以使用 50 年以上。,熔结环氧（FBE）,熔结环氧涂层涂敷工艺中每个步骤要求都非常严格，需要仔细、认真完成以保证涂层质量。表面处理必须达到NACE No.2标准中的近白级金属表面，这样才能在熔结环氧涂敷后保证合格。其最大的特点是良好的土壤和阴极剥离的抵抗能力。为了提高该涂层系统的机械性能，目前趋向于按16密尔（1密尔=0.0254毫米）（406.4m）的标准涂敷得更厚。 熔结环氧在近期还将在继续保持优势但是将逐渐被挤出聚
8、烯烃涂层和多层（熔结环氧+挤出聚烯烃）涂层系统所取代。,补口材料,（1）概念 补口（weld coating）：现场防腐成品管焊接后对焊口进行防腐保护，通常叫做补口。一般补口用材料有：收缩套（带），冷缠带，环氧涂层或是煤沥青；其作用主要是用来进行焊口的防腐。 根据涂层系统相容配套的原则，补口材料选择时应考虑与管道运行环境及主体涂层的适应性和兼容性好，可靠性高，寿命长。,（2）补口带结构和原理： 结构：补口带一般为两层，底层为胶层，防止水分和空气接触管道表面；外（背）层为聚乙烯，对焊口和胶层进行机械保护。 热收缩套（带）工作原理：热收缩套（带）分为交联和预拉伸两种，通过加热收缩到其原尺寸。当对环
9、绕焊口的热收缩套（带）进行加热时，胶层熔解为液态，被层收缩，径向收缩力将流体状的粘胶挤压到整个焊口表面。粘胶固化后在管道和背层之间形成牢固连接。一般现场操作程序为：焊口除锈焊口管体预热收缩套（带）定位加热辊压。,一般情况下，与多层结构聚烯烃涂层配套使用的补口材料选用辐射交联热收缩带（套）（heat shrinkable sleeve），也可以采用环氧树脂底漆/辐射交联热收缩带（套） 三层结构。与熔结环氧涂层配套使用的补口材料一般选用液态环氧（涂刷）。,外防腐层补伤,完成焊接的管道，一般需要下沟、回填使其成为埋地管道，为及时发现和修补在各施工环节中涂层存在的缺陷，回填前必须对管道进行涂层检漏和补
10、伤，最常用的检漏仪器通常都是用电池并配有一些类型的管道环型电极。电极安装应方便操作者能将环型电极在管道表面推过或拉过，以使得电极能够扫过涂层表面的所有部分。 常用的补伤材料为辐射交联聚乙烯补伤片。对于小于30mm的缺陷，补伤时先将破损处污物清除，破损处周围原PE涂层打毛，切成圆形，边缘打成钝角，将整个须修补部位加热后，在破损处填满补伤用胶粘剂，最后贴上补伤片。对于大于30mm的缺陷，使用上述方法补伤后，建议外部再用热收缩带补伤。,三层PE结构示意图,阴极保护的原理,阴极保护的原理 就是用外电流实现阴极极化，使局部电池的阴极区域达到其阳极开路电位，表面变成等电位腐蚀电流不再流动。在工程条件下，任
11、何一条管线表面都会出现阳极区和阴极区，在阳极区电流由管道钢表面流出，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道表面上，该区域的腐蚀速率将减小。 基于以上观点，很明显，若使得管线表面暴露的每一点都有电流流入，那么就可以减小腐蚀速率。准确地说，这就是阴极保护所要完成的任务，强制直流电流入管线的表面上，就可以使管线的电位向负方向偏移，导致金属腐蚀速率减小,阴极保护的类型,牺牲阳极（Galvanic Anodes）阴极保护 强制电流（Impressed current）阴极保护,牺牲阳极阴极保护,两种金属相接触而产生的腐蚀电池。在这种腐蚀电池中一种金属比另
12、一种金属活泼而发生腐蚀。在牺牲阳极的阴极保护技术中，就是有意识地运用这种作用建立足够强的异种金属腐蚀电池来抵消通常存在于管道表面的腐蚀电池。这是通过将一种十分活泼的金属与管道相连接来实现的。这种金属将发生腐蚀并由此向管道提供电流。在牺牲阳极阴极保护的情形下，阴极保护并没有减少腐蚀，它其实只是将所保护的结构的腐蚀转移到了牺牲阳极上面.,在一般情况下，牺牲阳极提供的电流是有限的。所以，牺牲阳极阴极保护一般都用在保护所需电流较小的情况下。同样，管道钢材和牺牲阳极金属之间的驱动电压也是有限的。因此，阳极和土壤之间的接触电阻必须很低以使阳极输出有用数量的电流。这也就意味着在一般安装中，牺牲阳极用于低电阻率土壤中。 常用的牺牲阳极有镁（Mg)阳极和锌(Zn)阳极,外加电流阴极保护,-为了避免与牺牲阳极相关的驱动电压限制，可以将来自外电源的电流通过地床和电源强制性地施加在管线上。 最常用的电源是整流器，该装置把交流电转化为低压直流电，整流器常常配备有在合理范围内精细调节直流输出的功能。 -阴极保护需要有一个直流电源和一个辅助阳极，放置在距保护构件一定距离的位置上。 -直流电源的正极连接辅助阳极，负极连接需要保护的构件（管道）。 -电流从辅助阳极流出，经电解质到达管道表面（破损处），再流回电源的负极。,阴极保护系统组成,
