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1、西安摩尔石油工程试验室 蒋霞星油气田的阴极保护目录oo前言前言oo腐蚀原理腐蚀原理oo阴极保护阴极保护oo油气田的阴极保护油气田的阴极保护oo阴极保护设计要点阴极保护设计要点oo腐蚀调查腐蚀调查一、前言oo腐蚀定义腐蚀定义oo腐蚀：材料与环境相互作用而导致的失效腐蚀：材料与环境相互作用而导致的失效 。oo材料：天然和人造材料，包括塑料、陶瓷和金属材料：天然和人造材料，包括塑料、陶瓷和金属 。oo环境：自然环境、加速环境、物理环境和生物环环境：自然环境、加速环境、物理环境和生物环 境等。境等。oo金属腐蚀：金属与环境间的物理化学的相互作金属腐蚀：金属与环境间的物理化学的相互作 用，造成金属性能的
2、改变，导致金属、环境或由用，造成金属性能的改变，导致金属、环境或由 其构成的一部分技术体系功能的损坏。其构成的一部分技术体系功能的损坏。某些国家金属腐蚀经济损失统计o腐蚀在世界经济中占有很大成本o腐蚀和缓蚀消耗世界资源的3-5% o全球腐蚀总费用 $2.5-3.5万亿o腐蚀控制中我们所做的努力有望减少30%腐蚀业所作所为举足轻重二、腐蚀原理金属在电解质溶液中由于水的极性分子的作用发生水化,如果水化能足以克服金属离子与 电子的结合力,金属离子将脱离金属进入溶液中形成水化离子。金属由于失去带正(负)电的离 子而带负(正)电,而溶液由于得到带正(负)电的金属离子而带正(负)电,这样在金属与溶液界面
3、上形成双电层。金属与溶液界面上双电层的建立，使得金属与溶液产生电位差，这就是该金属 在该溶液中的电极电位。参比电极：o参比电极，是测量电解质中的金属表面电位的一种重要的装置。o对参比电极的要求：必须是稳定的，并且数据具有重现性。o镁 -1.700o铝-1.150o锌-1.100o碳钢-0.550o铜-0.200土壤中普通金属电极电位o银+0.200o金+0.800o铂+1.000电位单位： V （对应 Cu/CuSO4 参比电极）原子或者分子失去一个或者多个电子，从而形成一个带正电的离子。当 原子和分子失去电子时，就会发生氧化反应。发生氧化的电极或者金属部位称 为阳极。例如，当一个中性粒子铁原
4、子(Fe)氧化，将可能失去两个或者三个电 子，生成铁阳离子(Fe+或者Fe+)。Fe Fe+ + 2e- Fe Fe+ + 3e- 氧化还原原子或者分子得到一个或者多个电子，从而形成个阴离子 或者中性元素。当原子或者分子得到电子，发生还原反应。发生 还原的电极或者金属的部位称为阴极 。 例如，氢离子(H+)被还原，它将得到一个电子，生成一个中性 的氢原子(H)。H+ + e- H电化学腐蚀o电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发 生电化学作用而产生的破坏。任何一种按电化学 机理进行的腐蚀反应至少包含一个阳极反应和一 个阴极反应,并以流过金属内部的电子流和介质中 的离子流联系在一起。阳极反应是
5、金属离子从金 属转移到介质中和放出电子的过程,即阳极氧化过 程。阴极反应是介质中氧化剂组分吸收来自阳极 的电子对还原过程。o电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀，金属在 各种电解质水溶液、大气、土壤和海水的腐蚀都 是电化学腐蚀，要比化学、物理腐蚀强烈的多， 金属的破坏大多数是电化学腐蚀所致。腐蚀状态异种金属（电偶腐蚀） 氧浓差腐蚀 应力腐蚀 盐浓差腐蚀异种土壤腐蚀温度差异腐蚀自然腐蚀的形貌杂散电流腐蚀形貌极化和极化曲线o自然电位：在没有外电流作用时，金属上的电极电位，也叫开路电位 。o极化是由于外电流的通过而导致电位偏离电极开路电位的现象。o极化电位：在外电流作用时，金属的电极电位偏离自然电位，这
6、时的 电位叫极化电位o极化曲线如图：腐蚀速率o腐蚀速率符合法拉第定律将腐蚀电池中金属随时间的重量损失和电流联系起来。 oW = KIT W-重量损失，kg ；k-电化学当量，kgA-yr； I-安培；T-年 减缓腐蚀的方法o腐蚀速度可用腐蚀电流指标表示，即腐蚀电流（I）为 ：o由公式可看出要减缓腐蚀，使腐蚀原电池中的电极电位 差(E)趋于零（阴极保护）；或者使腐蚀原电池回路中的 电阻（R）趋于无穷大（涂层保护） 。 三、阴极保护o阴极保护是通过向暴露在一种电解质例如:土壤 、水、或混凝士中的金属构筑物的表面，提供限 定的电流的方法来进行腐蚀控制。 o阴极保护并非消除了腐蚀，作为一种替代，它 把
7、腐蚀从被保护的结构体转嫁给了提供阴极保护 的阳极体身上。 能够实施阴极保护的结构体 o浸没在或埋设在一种电解质中的绝大多数金属结构都能被实施阴极保护。o对于任何一个结构，有两种阴极保护的方法提供选择: 牺牲阳极阴极保护 外加电流阴极保护 牺牲阳极保护系统o牺牲阳极阴极保护实际上是利用了不同金属的腐蚀所形成的保 护。重要的是在牺牲阳极和需要被保护的结构体之间要存在一个 真实的电位差，或者叫驱动电压。 牺牲阳极系统的应用场合o需要的保护电流量相对较小o通常限于低电阻率的电解液中 o需要对一个结构的特定区域提供局部阴极保护o发生电屏蔽的区域o发生了杂散电流的干扰的区域o外加电流阴极保护体系无法实施的
8、区域牺牲阳极的优点o不需要外部电源o维护工作量小o由于输出电流小对外界杂散电流干扰较小 o容易安装 o多数情况易于增加阳极o提供均匀的电流分配 牺牲阳极的局限性 o驱动电压/电流较低o对于劣质涂层的结构物需要较多的阳极 o在高电阻率的土壤环境下可能是无效的o替换用废的阳极是非常困难或昂贵的 高阻率介质或劣质涂层中牺牲阳极外加电流保护系统 o外部电源正极 通过辅助阳极将保 护电流引入地下， 提供给金属结构物 ；将外部电源负极 与金属结构物相连 （该点叫阴极接地 点、通电点、汇流 点、控制点）。外加电流保护系统按阳极地床分类o深井阳极地床（指阳极顶端距地面距离大于 15米。）o浅埋阳极地床（要求阳
9、极与保护物间无其它 金属结构物、阳极地床土壤电阻率较低。）外加电流阴极保护的应用o所有导电的电解质内o需要较大电流的场合，如裸露或涂层较差的结构物防护o对牺牲阳极保护失效的结构物提供防护的一种经济手段o储水罐的内壁o地面上储存罐的外底o地下储存罐o地下或水中的基桩和打板桩 外加电流系统的优点o可以在一个很宽的范围内灵活调节电压和电流的输出 o一个单独的装置就可满足很高的电流需求o可有效的保护无覆盖层或涂装质量很差的结构物 o可有效用于高电阻率的环境中o与牺牲阳极相比，阳极消耗率低外加电流系统的局限性 o需要外部电源o与牺牲阳极相比，需要更高的检测和维护费用 o具有引发杂散电流干扰的高风险 o可
10、导致过保护，引发: 涂层的损伤：在阴极保护过程中，在被保护体的表面会形 成氢氧根离子和氢气。这些产物可导致非金属涂层的剥离，产生这 种现象的机制包括发生在涂层/金属界面处的化学溶解作用和电化 学还原作用，还包括氢在界面处聚集所产生的压力。这种涂层破坏 过程被称为“阴极剥离”。 氢脆影响阴极保护运行的因素 o防腐层：防腐层降低了保护结构物所需的电流量。在 有防腐层的结构物上，阴极保护仅需要保护在涂层中出 现的裂缝、漏点处暴露的金属就可以了。 o电解质结构：粘土和淤泥、沙和砾石、温度、含氧量 、结构物和电解质的运动 、电屏蔽 （金属屏蔽和电解 质屏蔽）。o被保护结构物与非保护结构物的绝缘情况。没有
11、绝缘 就没有阴极保护。 评定阴极保护效果的方法 o最小保护电位 -850mV ：为使金属腐蚀停止或减轻到一定程度，要求金 属经阴极极化后所必须达到的绝对值最小的负电位值 。o 最大保护电位 -1200mV：阴极保护电位越负，单点保护范围也就越广 。但是过负的保护电位将使被保护金属构件防腐蚀涂层与金属构件间的粘结 力遭到破坏，产生阴极剥离，或者可能出现金属“氢脆”， 将造成能源的 浪费。国标中第24页B.14解释为：这种提法是NACE标准中没有的，对于高强 的钢很有必要，在实践中也应严格遵受。o用检查片进行评估。o腐蚀状况直接观察：利用目测或者对金属构件进行厚度测量，以及采用 先进设备进行地下探
12、测等，判断金属构件的保护状态。检查片腐蚀状况式中: Tn-保护度， %; G1-无电保护检查片的失重， g; S1-无电保护检查片的面积， cm2;G2-有电保护检查片的失重，g;S2-有电保护检查片面积; cm2我国制定的阴极保护相关标准a、GB/T21448-2008 埋地钢制管道阴极保护技术规范 b、GB/T21246-2007 埋地钢制管道阴极保护参数测量方法 C、GB/T21447-2008 钢制管道外腐蚀控制规范 d、SY/T0086-2003 阴极保护管道的电绝缘标准 e、SY/T0029-1998 埋地钢质检查片腐蚀速率测试方法 f、SY/T0017-2006 埋地钢质管道直流
13、排流阴极保护设计规范 g、SY/T0032-2000 埋地钢质管道交流排流阴极保护设计规范 h、GB/T50393-2008 钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范 i、SY/T0087-2006 钢质管道及储罐腐蚀评价标准等 四、油气田的阴极保护o埋地钢质管道阴极保护o原油储罐内外底板阴极保护 o油、气、水井套管阴极保护o站场区域性阴极保护1.埋地钢质管道阴极保护o埋地钢质管道阴极保护采用牺牲阳极、外加电流两种 方法均可以，要视现场情况决定。o其应用条件：a.被保护的管道必须具有良好的纵向导电连续性，对 非焊接的管道接头要用电缆跨接；b.被保护的管道与其他非保护的金属结构物间要进行 绝缘处理。c.保
14、护管道如果有套管，两管道之间应有绝缘支撑进 行隔离，套管两端要密封好，有条件的话，套管内的管道 要安装牺牲阳极过路套管内管道保护方法管道阴极保护的要点o油气田的管道都由油气井到计量站或集输站， 再向外输送。油气井站、计量站、集输站内各种 管道、各种设备、接地网、站房基础甚至有些废 旧管道。这些对阴极保护电流都起到吸收和屏蔽 的作用。一般对进出站管道都要安装绝缘接头。 否则对管道保护是非常不利的，甚至可导致阴极 保护失败。集输站阴极保护简介绝缘处理的效果这是我们在新疆某市做的天然气管网阴极保护馈电试验，试验区 与市区管线用绝缘接头进行绝缘处理。试验区内共有17个庭院。 对庭院进行了绝缘，绝缘前与
15、绝缘后阴极保护电位测试结果如图 。 图中1和10为与市区管网进行绝缘的绝缘接头的两端，5为汇流点 。2.原油储罐的阴极保护o 原油储罐阴极保护主要是：与储罐基础沥 青沙相接触的外底板；储罐内壁阴极保护主要 是底板及油水分界线以下约12米内壁圈板。o 储罐内壁保护主要采用是牺牲阳极保护。o 储罐外地板阴极保护要根据情况对已建罐 只有采用外加电流保护，对新建罐可采用外加 电流也可采用牺牲阳极保护。已建旧储罐外壁外加电流保护新建储罐外壁网状阳极地床网状阳极地床新建储罐外壁柔性阳极地床柔性阳极地床柔性阳极o在油田，各类钢质容器内壁的任何部位与水介质相接触 ，都有可能发生腐蚀，尤其是原油储罐内壁底板及下
16、部1-2 米的圈板，由于原油沉积水的化学成分特殊性，其腐蚀相当 严重。o阴极保护所需电流密度与腐蚀介质的性质（成分、温度 、速度）金属表面有无覆盖层及覆盖层质量等因素密切相关 ，可使最小保护电流密度从几个mA/m2变化到几百个mA/m2。o阳极一般均匀布设，在储罐出水口及加热盘管处要加密 牺牲阳极的数量。o牺牲阳极的化学成分对其效率起着重要的作用。储罐内底板阴极保护原油储罐牺牲阳极计算方法1、保护面积:2、保护电流密度:i =1030mA/m2 3、需要保护的总电流 I=iS4、每只牺牲阳极发生电流值可按下式进行计算：式中：If-每块牺牲阳极发生电流量，mA/块；E-阴阳极间有效电位差，E=0.3V；R-牺牲阳极接地电阻，
