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1、第九章 管道阴极保护 第一节 腐蚀 一、腐蚀的定义 二、腐蚀的分类 三、腐蚀的基本原理 四、管道的腐蚀控制一、腐蚀的定义 从广义上讲，腐蚀是材料和环境相互作用 而导致的失效。这个定义包含了所有的天 然和人造材料，例如塑料、陶瓷和金属。 我们通常所研究的腐蚀是金属的腐蚀，金 属腐蚀是金属与周围介质发生化学或电化 学作用所引起的金属损失的现象和过程。二、腐蚀的分类 腐蚀按材料的类型可分为金属腐蚀和非金 属腐蚀，就腐蚀破坏的形态分类，可分为 全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是一种常 见的腐蚀形态，包括均匀的全面和不均匀 全面腐蚀。按腐蚀的机理可分为化学腐蚀 和电化学腐蚀。 金属管道常见的腐蚀按其作用原理
2、可分为 化学腐蚀和电化学腐蚀两种。1、化学腐蚀 化学腐蚀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。化学腐蚀是在 一定条件下，非电解质中的氧化剂直接与 金属表面的原子相互作用，即氧化还原反 应是在反应粒子相互作用的瞬间于碰撞的 那一个反应点上完成的。在化学腐蚀过程 中，电子的传递是在金属与氧化剂间直接 进行，因而没有电流产生。2、电化学腐蚀 电化学腐蚀指金属与电解质因发生电化学 反应而产生的破坏。 特点：在腐蚀过程中有电流产生三、腐蚀的基本原理 腐蚀的基本原理是腐蚀原电池理论。由于不同金 属本身的电偶序（即电位）存在着差别，当两种 金属处于同一电解质中，并由导体连接这两种金 属时，腐
3、蚀电池就形成了。电流通过导体和电解 质形成电流回路，此时两种金属之间的电位差越 大，则电路产生的电压越大。腐蚀电池一旦形成 ，阳极金属表面因不断地失去电子，发生氧化反 应，使金属原子转化为正离子，形成以氢氧化物 为主的化合物，也就是说阳极遭到了腐蚀；而阴 极金属则相反，它不断地从阳极处得到电子，其 表面因富集了电子，金属表面发生还原反应，没 有腐蚀现象发生。 腐蚀过程可表示如下 氧化反应：Fe-Fe2+2e 还原反应：O2+2H2O+4e-4OH- 2H2O+2e-H2+2OH- 腐蚀电池形成的充分必要条件： 1)必须有阴极和阳极。 2)阴极和阳极之间必须有电位差 3)阴极和阳极之间必须有金属
4、的电流通道。 4)阴极和阳极必须浸在同一电解质中，该电 解质中有流动的自由离子。 四、管道的腐蚀控制 管道腐蚀的控制方法应根据腐蚀机理的不 同和所处环境条件的不同，采用相应的腐 蚀控制方法， 在油气管道保护过程中应用 最为广泛的控制金属腐蚀的方法为以下五 类： 1、选择耐腐蚀材料 2、控制腐蚀环境 3、选择有效的防腐层 4、阴极保护 5、添加缓蚀剂 第二节 管道防腐层 一、管道的外防腐层 二、管道防腐层的维护一、管道的外防腐层 1、管道的外防腐层的基本要求 （1）与金属有良好的粘结性； （2）电绝缘性能好； （3）防水及化学稳定性好； （4）有足够的机械强度和韧性，耐热和抗低温脆 性； （5）
5、耐阴极剥离性能好； （6）抗微生物腐蚀； （7）破损后易修复，并要求价格低廉和便于施工 。 2、埋地管道防腐层的主要种类 埋地管道的防腐层种类主要有石油沥青、 单（双）层环氧粉末涂层、3层PE以及聚乙 烯胶粘带等。 3、单层熔结环氧粉末 （1）性能 熔结环氧粉末防腐涂层最早于1961年由美国开发 成功并应用于管道防腐工程，之后在许多国家得 到进一步的开发和应用。由于熔结环氧粉末防腐 涂层与钢管表面粘结力强、耐化学介质侵蚀性能 、耐温性能等都比较好，抗腐蚀性、耐阴极剥离 性、耐老化性、耐土壤应力等性能也很好，使用 温度范围宽(普通熔结环氧粉末为-30100，成 为国内外管道内外防腐涂层技术的主要
6、体系之一 。但由于涂层较薄（0.30.5），抗尖锐物 冲击力较差，易被冲击损坏，不适合于石方段， 适合于大部分土壤环境和定向钻穿越粘质土壤。 (2)结构 熔结环氧粉末涂层简称FBE，FBE外涂层 为一次成膜的结构 。 (3)涂敷 涂敷时钢管外表面喷(抛)射除锈等级应达到 GB/T 8923中规定的Sa2.5级，钢管表面的 锚纹深度应在40l00m范围内，并应监 测环氧粉末涂敷之前瞬间的钢管外表面的 温度，并把温度控制在粉末生产商的推荐 范围内，但最高不得超过275。 (4)修补 在FBE管道上发现缺陷时，应先清除掉缺陷 部位的所有锈斑、鳞屑、裂纹、污垢和其 他杂质及松脱的涂层；将缺陷部位打磨成
7、 粗糙面， 用干燥的布或刷子将灰尘清除干 净，用双组分液体环氧树脂涂料进行局部 修补。 4、聚乙烯防腐层 （1）防腐层结构 三层结构聚乙烯防腐层简称3PE，其底层为 环氧粉末涂料，中层为胶粘剂，外层为聚乙 烯， （2）性能 3PE第一层为环氧涂料，第二层为胶粘剂，第三 层为挤出聚乙烯，各层之间相互紧密粘接，形成 一种复合结构，取长补短。它利用环氧粉末与钢 管表面很强的粘结力而提高粘结性；利用挤出聚 乙烯优良的机械强度、化学稳定性、绝缘性、抗 植物根茎穿透性、抗水浸透性等来提高其整体性 能，使得三层PE防腐涂层的整体性能表现更为突 出，更为全面，适用于对覆盖层机械性能、耐土 壤应力及阻水性能要求
8、较高的苛刻环境，如碎石 土壤、石方段、土壤含水量高、植物根系发达地 区。 （3）涂敷 在防腐层涂敷前，先清除钢管表面的油脂 和污垢等附着物，并对钢管预热后进行表 面预处理，钢管预热温度为4060。表 面预处理质量应达到涂装前钢材表面锈 蚀等级和除锈等级GB/T 8923中规定的 Sa2.5级的要求，锚纹深度达到50m 75m。钢管表面的焊渣、毛刺等应清除干 净。 应用无污染的热源将钢管加热至合适的涂敷温度 ，环氧粉末涂料均匀地涂敷到钢管表面；胶粘剂 的涂敷必须在环氧粉末胶化过程中进行；聚乙烯 层的涂敷可采用纵向挤出工艺或侧向缠绕工艺。 公称直径大于5OOmm的钢管，宜采用侧向缠绕工 艺。采用侧
9、向缠绕工艺时，应确保搭接部分的聚 乙烯及焊缝两侧的聚乙烯完全辊压密实，并防止 压伤聚乙烯层表面;采用纵向挤出工艺时，焊缝两 侧不应出现空洞。聚乙烯层涂敷后，确保熔结环 氧涂层固化完全，然后用水冷却至钢管温度不高 于60。 （4）修补 在3PE管道上发现缺陷时，对小于或等于30mm 的损伤，宜采用辐射交联聚乙烯补伤片修补。修 补时，先除去损伤部位的污物，并将该处的聚乙 烯层打毛。然后将损伤部位的聚乙烯层修切成圆 形，边缘应倒成钝角。在孔内填满与补伤片配套 的胶粘剂，然后贴上补伤片，补伤片的大小应保 证其边缘距聚乙烯层的孔洞边缘不小于100mm 。 贴补时，应边加热边用辊子滚压或戴耐热手套用 手挤
10、压，排出空气，直至补伤片四周胶粘剂均匀 溢出。 对大于30mm的损伤，先除去损伤部位的污 物，将该处的聚乙烯层打毛，并将损伤处的 聚乙烯层修切成圆形，边缘应倒成钝角。在 孔洞部位填满与补伤片配套的胶粘剂，贴上 补伤片。最后，在修补处包覆一条热收缩带 ，包覆宽度应比补伤片的两边至少各大 50mm。 补伤时也可以先清理表面，然后用双组分液 态环氧涂料防腐，干膜厚度与主体管道相同 ，然后贴上补伤片或再加热收缩带。二、管道防腐层的维护 1、防腐层失效的原因 （1）防腐层类型选择不当 （2）防腐补口的质量不好 （3）外力破坏造成防腐层损伤 （4）防腐层自然老化 （5）阴极保护的参数不适当 （6）管理不善
11、 2、防腐层的维护 管道的腐蚀几乎都发生在防腐层严重缺陷 或破损的地方，由于管道埋在地下，不便 于直接观测和检查，加上土壤环境条件复 杂多变，给防腐层的管理维护带来困难。 防腐层的维护主要采取以下措施： （1）经常监测防腐层状况。通常采用定期 进行防腐层缺陷检漏、防腐层绝缘电阻测 量等方法，分析阴极保护参数的变化情况 及原因，判定防腐层质量及损伤程度。 （2）防腐层分级管理。对不同管段、不同 状况的防腐层，按其技术状况分级，分别 采用不同的维修对策。目前对防腐层是根 据其绝缘电阻值从大到小分为五个级别： 优、良、中、差、劣。最差的一级需要及 时维修更换原有的防腐层。 （3）制定实施维修计划。对
12、检测确定的不 同级别的防腐层，分别采取定期检测、修 补或更换的措施。 3、防腐层检测 防腐层检测分地面检测和地下检测，地面检测有 外观、厚度、粘结力及电火花检漏等。 为了能达到预期的防腐效果, 防腐管道在埋地前必 须保证其防腐层质量完好, 这就需要对防腐层质量 进行检测, 检测防腐层涂敷是否均匀，厚度是否达 到要求。还要检测涂层在工厂制作或运输中是否 造成针孔缺陷、裂纹等。管道焊接后的防腐处理 是否符合质量要求。 防腐层地下检测 管道在埋地后仍应定期或不定期进行防腐 层检测, 检测其在埋地后的防腐层质量变化 情况: 有否破损? 破损点位置、大小；防腐 层绝缘电阻变化速率等, 对埋地管道防腐层
13、状况作出确切的评估，并提出处理建议。4、音频信号检漏法 音频信号检漏法也称“人体电容法”，就是用 人体作检漏仪的感应元件, 通过相应的仪器 （如：SL6地面检测仪）进行埋地管道防 腐层破损检测。它是目前国内输油、输气 管道维护和检测的通用方法，用这种方法 检测防腐层破损点灵活方便。 、基本原理及方法 当发射机向被检测的管道上施加交流信号 时, 若该管道防腐层有破损, 管道金属部分 与大地短路，在防腐层破损点处便会有泄 漏电流流入土壤中，这样在管道防腐层破 损漏点和土壤之间就会形成电压差，且在 接近破损点的部位电压差最大，用仪器在 埋设管道的地面上方即可检测到这种电位 异常，据此即可发现管道防腐
14、层破损点。 作“人体电容法”时两位检漏员分别与检测仪 的检测线芯线两端相连，两人保持5-6m的 距离，沿管线以步行速度前进，当走到漏 点附近时, 仪器显示器信号发生变化，漏点 中心信号最强，数值最大，据此即可找到 漏蚀点(见图3-3)。据此信号强度变化, 来判 断防腐层有无破损, 并可根据信号异常分布 特征来确定漏点位置, 推测漏点大小。该仪 器探管、检漏同步进行，方便快捷,成功率 高。 人体电容法(纵向)检漏示意图 适用性 音频信号检漏法适用于一般地段的埋地管 道防腐层检漏，不适用于露空管道、覆盖 层导电性很差的管道、水下管道、套管内 的管道的防腐层地面检漏；水田或沼泽地 、高压交流电力线附
15、近的埋地管道，使用 本法进行防腐层检漏比较困难。 第三节 管道阴极保护基本知识 一、阴极保护的原理 二、阴极保护的基本参数 三、牺牲阳极阴极保护 四、外加电流阴极保护 五、阴极保护投入运行的调试一、阴极保护的原理 每种金属浸在一定的介质中都有一定的电 位, 称之为该金属的腐蚀电位（自然电位） ，腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难 易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称 失去电子的部位为阳极区，得到电子的部 位为阴极区。阳极区由于失去电子（如铁 原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受 到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。 阴极保护的原理： 是给金属补充大量的电子，使被保护金属 整体处于电子过剩的状
16、态，使金属表面各 点达到同一负电位。有两种办法可以实现 这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电 流阴极保护。 1、牺牲阳极法 将被保护金属和一种电位更负的金属或合 金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极 极化以降低腐蚀速率的方法。 在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电 池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的 电位往往负于被保护金属体的电位值，在 保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称 之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保 护金属体的防护。 牺牲阳极材料有高纯镁，其电位为-1.75V； 高钝锌，其电位为-1.1V；工业纯铝，其电 位为-0.8V（相对于饱和硫酸铜参比电极） 。 2、强制电流法（外加电流法）
