減輕腐蝕方法張中文校好版

1、 管道陰極保護 (一) - 減輕腐蝕的方法及涂層王 元 教授1一、減輕腐蝕的方法概述(1) 對于埋地管道來說,減輕腐蝕的主要方法就是管道的內(nèi)、外涂層和對管道進行強加電流的陰極保護（CP）。 2概述 (2) 管道的腐蝕過程是一種電化學反應過程。管道與土壤之間的電子流動回路是腐蝕過程的基本組成部分。在土壤中，電解液（可導電的液體）和鋼管本身；以及陽極和陰極共同組成了一個完整的電池和回路。3概述 (3) 正是這個電回路使得腐蝕過程能夠一直進行下去。在此過程中，鋼材就被消耗掉。如果這一電回路被切斷，腐蝕過程將會停止。4概述(4) 使用內(nèi)、外涂層就是為了防止金屬表面與它周圍的電解液直接接觸。同時，涂層等

2、于在電回路中增加了一個高電阻，它大大增加了電流流動的阻力。至少，它使得電化學反應不能立刻就出現(xiàn)。5概述 (5) 在管道服役的過程中，由于涂層的變質(zhì)、土壤的應力作用、或者埋地管道的位移等，都會使涂層產(chǎn)生針眼（孔）或裂紋。 我們知道，如果使金屬表面成為電化學電池的陰極，這將大大降低金屬的腐蝕速度。6概述(6) 通過從外部強加電流；或者使用犧牲陽極的方法就能夠使金屬管道的表面變成電回路中的陰極。7概述 (7) 在強加電流系統(tǒng)的情況下，使用變壓（器）整流器，通過向管道供應直流電的方法，將電流強加到鋼管道或金屬結(jié)構上，并使管道成為電回路中的陰極。同時使用一個埋地的陽極地床。這樣一來，管道就受到了某種程度

3、的保護。8概述 (8) 在犧牲陽極的系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)將由一個犧牲陽極的金屬（例如：鋅或鎂）和鋼管（或金屬結(jié)構-如鋼油罐）組成。用于犧牲陽極的金屬材料要比鋼材活潑（或它的電動勢序比鋼材高）得多，它將向被保護的，作為陰極的管道提供電回路所需要的電（子）流。9二、管道的涂層和陰極保護10學習本節(jié)的目的通過本節(jié)的學習，你將能夠： 了解減輕腐蝕的方法 了解涂層的特點了解陰極保護系統(tǒng)的組成11一、 涂層的功能(1) 埋地管道的主要防腐方法就是涂層。管道涂層之后，就可以防止管道金屬與周圍的土壤直接接觸。管道金屬的腐蝕就得到減輕。12一、涂層 的功能(1-1)如果涂層材料能在任何情況下都不破裂，同時始終保持

4、著回填時的質(zhì)量和起初的完整薄膜，它就可以阻止住腐蝕過程的發(fā)生。對于埋地管道選擇涂層就十分重要。13一、涂層的特性(2) 適當?shù)耐繉硬牧蠎斁哂邢铝刑匦?1. 它是有效的電絕緣體。 2. 它能夠有小的阻止潮濕的侵蝕。3. 良好的可使用性（易于形成涂層膜、易于與鋼表面結(jié)合等等） 。14一、涂層的特性(2)4. 隨著使用時間的延長，涂層仍然能夠阻止針孔的產(chǎn)生、或開裂的能力。 5. 具有承受因正常運輸、儲存UV(Ultra-Violet Light)）而不變質(zhì)和管道鋪設和安裝的能力。6. 易于修理。 7. 與環(huán)境之間無毒性反應。15一、涂層材料 (3) 適當?shù)耐繉硬牧习? 1、塑性（變性）煤膠油，或

5、瀝青瓷漆。在加熱的情況下使用。通常與非有機纖維的加強布一起使用。它是應用最廣泛的一種外涂層材料。16一、涂層 材料(3) 2、塑料帶，一般使用自粘帶，或與一種底料/粘結(jié)劑一起使用的塑膠帶。通常主要使用的是聚氯乙烯帶，或者聚乙烯帶。有時也使用與橡膠組份分層壓制的膠帶。17一、涂層材料 (3) 3、各種氨基甲酸乙酯樹脂。它們都是通過涂刷；或噴涂的施工方法加以使用 4、高密度聚乙烯粉末。它們大多數(shù)是用燒結(jié)法；或擠壓法施工加以使用 5、環(huán)氧樹脂。一般以半固化的粉末型式應用在加熱的管子表面上，以形成涂層。18一、涂層材料 (3)涂層的初始電阻率可以達到10,000m2 ；雖然，陰極保護所要求的電流密度取

6、決于管道在下溝和回填等操作期間涂層的受損情況。但是，管道開始投入使用時的電流密度可以取為0.05 mA/m2；或者更低。19一、涂層材料 (3-1) 如果我們希望把各陰極保護站之間的相互影響降低到最小的話，高質(zhì)量的涂層，對于加大各陰極保護站之間的距離具有非常重要的意義。20二、陰極保護 (1) 8、按照對管道或設施保護所使用的不同方法，陰極保護可以分為犧牲陽極保護和強加電流的陰極保護兩種。但是，它們保護管道的基本原理沒有太大的差別。21二、陰極保護 (2)2.1. 犧牲陽極的保護 2.1.1.犧牲陽極的類型 2.1.2.犧牲陽極系統(tǒng)是如何工作的？ 2.1.3.犧牲陽極系統(tǒng)的應用場合222.2.

7、1.典型犧牲陽極系統(tǒng) 錳和鋅是管道上使用的兩種典型的金屬。雖然，鋁在理論上具有該于上述兩種的能量。但是，至今仍沒有證據(jù)它被應用在埋地的金屬結(jié)構上。因為在保持它的活性方面尚沒有找到有效的方法。232.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1） 陰極保護（CP）中使用的犧牲陽極就是把兩種不同的金屬（管道-陰極和陽極金屬）直接相連接，形成一個腐蝕電池的回路，從而對管道加以保護。此時，鋼管道在電氣上與一種電動勢序比它高（活潑）的金屬連接在一起。兩者處于一個共用的、導電的電解液（例如土壤）中，形成了一個完整的電回路。242.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1A） 在此電回路中，作為陽極的這種金屬越活潑（電動勢

8、序越高），它就越易于被腐蝕。即在此過程中，它就放出更多的（正）電（子）流。而作為陰極的管道（或金屬結(jié)構）就被保護，免于或減輕了腐蝕。 錳和鋅正是這樣的一些可作為陽極的金屬材料。252.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1-1） 如果我們能確定對一條管道進行陰極保護的電流密度（單位表面積上的電流）值。那么，我們就能夠在設計中確定陽極系統(tǒng)所使用的陽極材料的尺寸和陽極地床的數(shù)量。因為正是這個陽極連續(xù)地、在期望的系統(tǒng)壽命期內(nèi)，提供了所期望的電流輸出量。262.1.3.犧牲陽極的應用 （1） 對于管道，犧牲陽極一般應用在需要的電流相對比較小的場合；以及土壤電阻率足夠低（易于導電）的場合。以便在合理的陽極數(shù)

9、量下，能夠獲得所期望的電流值（大?。?。如果需要大量的電流，一般來說，還是應用強加電流的陰極保護系統(tǒng)更為經(jīng)濟。272.1.3.犧牲陽極的應用 （1-1） 一個具有良好涂層、并采用了強加電流的陰極保護系統(tǒng)的管道，可能有一些個別的地方需要加以保護。這些地方需要相對小的額外電流。這些要求可以同通過采用犧牲陽極的辦法加以滿足。282.1.3.犧牲陽極的應用 （1-2） 典型的應用包括涂層很差或不完整的埋地閥門、設施；不能夠進行清理的短套管；或管子涂層已經(jīng)受到嚴重損壞的個別管段，以及一些管段雖然已經(jīng)由遠處的強加電流系統(tǒng)供電保護，但是，由于電氣屏蔽等外部因素已經(jīng)損害了保護電流的分布狀況的地段等等。292.1

10、.3.犧牲陽極的應用 （1-3） 犧牲陽極（通常使用鋅）也有可能應用在管道泵站的電氣接地、跨越絕緣接頭等位置處。作為接地極使用的鋅棒不僅是有效的電氣接地極；同時也提供了對該設備；或設施的CP。302.1.3.犧牲陽極的應用 （1-4） 管道有可能通過已經(jīng)有許多地下金屬結(jié)構的地方。在這些地方安裝強加電流的陰極保護系統(tǒng)；又不產(chǎn)生雜散電流和相互之間電氣干擾的問題難于達到。在這樣的條件下，作為一種陰極保護的電源提供者，犧牲陽極的方法可能是一種經(jīng)濟的選擇。312.2. 強加電流的陰極保護 (1) 變壓整流器 陽極電纜 陰極電纜 強加電流的陽極 管道 測試樁圖2.1 強加電流陰極保護系統(tǒng)的主要組成部分 3

11、22.2.1 電源 A）變壓整流器 由下列主要部分組成： 一臺變壓器把引進一級線圈的高壓交流電降壓為次級線圈的低壓交流電。次級線圈的不同抽頭容許選擇輸出電壓高低的范圍。332.2.1 電源- A）變壓整流器(2) 一臺整流裝置（器）將交流電變?yōu)橹绷麟姡⑤敵銎椒€(wěn)的直流電壓，同時保證在較高電壓下使用時都有高的效率（通常采用全波硅二極管進行整流）。這就是向管道（段）供應直流電的主要設備：變壓整流器。342.2.1 電源- A）變壓整流器(3) 有一個適于室外安裝的機箱。還有交流電斷路器和直流電輸出的電流、電壓等參數(shù)的測量儀表。352.2.1. 電源- A）變壓整流器 (4) 變壓整流器的控制方法包

12、括輸出穩(wěn)定的電壓、穩(wěn)定的電流，以及穩(wěn)定的電勢調(diào)節(jié)、控制等等。362.2.1 電源- A）變壓整流(4-1) 一般管道系統(tǒng)使用的都是自動穩(wěn)壓（電勢）整流器。這類設備可以自動地在它保護的管段上維持一個穩(wěn)定的保護電勢。它能按照管道需要的保護電流改變其其電壓的大小。372.2.1. 電源 - A）變壓整流器 (5) 自動穩(wěn)壓（電勢）整流器（圖2.2) 與過去常用的傳統(tǒng)整流器（它常需要手動調(diào)節(jié)變壓器的次級線圈的接頭，以改變輸出的電壓）不同。它有一個靈敏的監(jiān)測回路。該回路連續(xù)地監(jiān)測著管道與土壤之間的電勢變化，并以根據(jù)此測量值自動地調(diào)節(jié)向被保護管道輸出的電流值。382.2.1 電源 - A）變壓整流器(6)

13、 如果按照管道到土壤的電勢（管道和參考電極之間），已經(jīng)（通過電氣控制器）將變壓整流器應輸出的保護電勢值設置好。那末，服役電勢在絕對值上的任何增加，將使腐蝕反應參與者的電抗值增加。而電抗的增加將使輸出保護電勢返回到原先的設置值處。392.2.1 電源 - A）變壓整流器 (6A) 同樣地，如果管道和參考電極之間的服役電勢在絕對值上的有任何的降低，它將使腐蝕反應參與者的電抗值相應地降低。電抗值的降低將使電勢升高，而使該輸出保護電勢回到原先的設置。40圖2.2 油冷變壓-整流器41B) 其它電源 - 概述 （1） 通常陰極保護的電源是從一臺正在操作的整流變壓器上引出。在那些不能使用整流變壓器的地方，

14、可以使用其它類型的電源。例如柴油發(fā)電機組、太陽能供電系統(tǒng)、風力發(fā)電機組、溫差發(fā)電、或透平機組發(fā)電等。42B)太陽能供電系統(tǒng)圖太陽能板控制器蓄電池負荷43B) 太陽能供電系統(tǒng)（2） 在陰極保護系統(tǒng)中使用的太陽能供電系統(tǒng)主要由許多光電伏特電池板（太陽能板）和電池充電控制器和輸出調(diào)節(jié)器組成。44B)太陽能供電系統(tǒng)（3） A）太陽能板 由各種高效的單塊，或多塊的晶體太陽能模塊組成。它高效地將光能轉(zhuǎn)化為電能。電池具有增透涂層（增透膜）。45B)太陽能供電系統(tǒng)（4） B）電池充、放電控制器 為了防止蓄電池過度充電，在蓄電瓶中出現(xiàn)氣體；或過度放電。通常要使用一臺電池充電控制器。用來控制蓄電池的充、放電程度。

15、46B）太陽能供電系統(tǒng)（5） 系統(tǒng)中管理電流的設備中，有一個帶有電源晶體管的固態(tài)開關-調(diào)節(jié)分路器。通過設定它的電流限值，以保護蓄電池不至于過度充電。通過它將太陽能板以最短的回路連接在一起操作。它也保護著蓄電池不會過度放電，這是通過自動斷開供電負荷而暫時停止工作。47B) 太陽能供電系統(tǒng)（6） 蓄電池的過度放電限值（閾值）是可調(diào)節(jié)的。并按照一種滯后曲線自動再連接。對于充、放電時，蓄電池的瞬時溫度值是通過一個PTC （壓力-溫度控制器）來檢測和控制的。48B) 太陽能供電系統(tǒng)（7） C）陰極輸出調(diào)節(jié)器 該輸出調(diào)節(jié)器是一臺專用的陰極保護控制裝置。輸出調(diào)節(jié)器保證了供給管道的穩(wěn)定電源（它并不考慮陽極地床

16、的電阻率）。它將供給管道的電流/電壓值控制在預先設定的水平上；或者依據(jù)檢測后所返回的參數(shù)（通過采用參考電極），將它輸出的電流/電壓值維持在預先設定的限值處。49B)太陽能供電系統(tǒng)（7-1） 陰極輸出調(diào)節(jié)器輸出的電壓/電流值，在一個很寬的范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的。該調(diào)節(jié)器使用著DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換。它與太陽能板一起，以標準的12、24V（伏），或48V（伏）工作。為了保持高電源效率，它可以選擇上述任何一種電勢作為輸出的電壓。50B) 太陽能供電系統(tǒng)（7-2） 輸出調(diào)節(jié)器也能配合數(shù)字儀表使用。如配合一臺可改變接通斷開時間循環(huán)范圍的輸出電流斷路器使用。這一特點具有極好的實用價值。因為這就能使在現(xiàn)場

17、的腐蝕工程師方便、準確地來測試陰極的極化電勢和每一個供電系統(tǒng)保護管道的功能。51B) 太陽能供電系統(tǒng) （7-3） C）電池 太陽能蓄電池的充電和放電機制與通常使用的蓄電池不同。后者充、放電速度十分緩慢。而電池的容量相對較低。因此，普通的標準蓄電池并不能夠作為太陽能蓄電池使用。對于太陽能蓄電池，諸如充電效率、自放電、充電時的溫度、循環(huán)壽命和維護要求等等許多因素都應加以考慮?？上τ谶@些特性，并沒有幾個供應商加以公布。52B)太陽能供電系統(tǒng)（7-4） 對于太陽能板排、板的結(jié)構、密閉類型、服役能力、電解液的密度等等，以及選擇的詳細要求都需要由不同專業(yè)的工程技術人員在一起加以確定。532.2.2. 強

18、加電流陰極保護的陽極- C）陽極材料 (1) 一般地說，陽極材料的最重要性質(zhì)就是材料消耗與電流密度之間的關系。542.2.2.強加電流陰極保護的陽極- C）陽極材料(2) 如果使用鋼材作為陽極材料的話，每公斤鋼材所能提供的電流和消耗時間乘積約為0.11(安倍.年/公斤)。也就是說，每1安倍.年，至少要消耗9公斤的鋼材。552.2.2. 強加電流陰極保護的陽極 - C）陽極材料 (3) 把石墨用作陽極材料,可以操作的電流密度為2.5 A/m2 10 A/m2。一般是用蠟；或人造樹脂浸漬的石墨，以填充它的孔隙。它的消耗率比鑄鐵和鋼材都要低。作為陽極使用，可達到比較滿意的程度。 562.2.2.強加

19、電流陰極保護的陽極 - C）陽極材料(4) 高硅鑄鐵可以在電流密度為5A/m2 50A/m2的條件下用作陽極。根據(jù)陽極的形狀和使用條件，此時的消耗率為0.2公斤/安倍.年1公斤/安倍.年 。高硅鑄鐵很適合用作埋地管道和水下管道的陰極保護系統(tǒng)的陽極地床。572.2.2.強加電流陰極保護的陽極 - C）陽極材料(5) 磁性氧化鐵陽極的消耗速率低于5克/安倍.年。它可以在土壤、淡水和海水中使用。這種材料很脆，在運輸應特別注意這一特性。582.2.2.強加電流陰極保護的陽極 - C）陽極材料 (6) 當陽極材料埋地時，上述各種材料總是與回填的焦炭一起使用。使用焦炭的目的是要降低陽極與土壤之間的電阻。從

20、而降低了陽極的消耗速度。592.2.3支持設備 D）絕緣接頭(1) 設計陰極保護系統(tǒng)時,常常需要把已經(jīng)進行了很好涂層的管道與涂層很差的設備；或完全裸體的設備相連接。例如：與泵站、儲罐配管相連；或與電氣接地裝置相連等。這些設備或裝置將會在陰極保護系統(tǒng)中形成一個很大的電流排放點。這對陰極保護系統(tǒng)很不利。60 2.2.3支持設備- D）絕緣接頭(2) 另外，在不同的金屬之間也可能需要進行電氣絕緣。同樣，在強加電流的陰極保護系統(tǒng)和犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)的設備、裝置之間也需要進行電氣絕緣。以便限制和消除相互之間的影響；或限制和消除各種雜散電流之間的相互影響。612.2.3支持設備 E）測試樁(3) 各種

21、永久性的測試樁（絕緣的導線和接頭與管道和測試樁相連接；并與地面上的終端接線箱連接）以適當?shù)拈g距沿管道的路徑安裝和設置。以便用于陰極保護的功能和效果的檢查、監(jiān)測和控制。622.2.3支持設備 - A）測試樁的分布(4) (3) 測試樁的分布 通常每公里測試樁的數(shù)量不少于一個。在某些特殊的地區(qū)；或重要位置處，可能需要附加的測試樁。例如：在使用了套管保護的地方；在兩條管道相交叉的位置處；在管道的絕緣接頭處；在河流穿越處；以及在土壤具有很大侵蝕性的那些地方等等。632.2.3支持設備 - A ）測試樁的分布 (5) 管道施工階段，當管道鋪設在其它管道或金屬結(jié)構附近時，也許安裝附加的測試樁是值得的。這樣

22、一來，就有利于以后進行它們之間電氣相互影響的測試。642.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型(6) 1、 STP (單頭測試樁) 用于測試管道對土壤的電勢值。 652.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型 (7) 2、 CTP (套管測試樁) 用于檢查管道與套管兩者之間的電氣絕緣狀況。同時，也用于測量管道對土壤的電勢值。 662.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型 (8) 3、 IJC (絕緣接頭測試樁) 用于檢查絕緣接頭使用的有效性；以及測定管道對土壤的電勢值。.672.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型 (9) 4、ATP (安倍電流測試樁)-用于管道電流值的測量；以及用于管

23、道對土壤電勢值的測量。 682.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型 (10) 5、 ETP (穿越原有管道或結(jié)構測試樁) 用于檢查現(xiàn)在鋪設管道與原有管道/結(jié)構之間的相互影響。也用于測量管道對土壤的電勢值。 692.2.3支持設備 - B) 測試樁的類型(11) 6、 ETP (等電位測試樁) 通過使用一個可變電阻，連接兩條電氣絕緣的平行管道。從而可以測定兩者之間的電勢（位）大小。也用于測定管道對土壤的電勢值。70減輕腐蝕的方法復習題 (1)1. 可以保護埋地管道的方法有 。 a) 涂層 b) 陰極保護 c) 陽極保護 d) a 和 b 71減輕腐蝕的方法復習題 (2)2. 涂層的功能是 。 a) 有效的電氣絕緣材料 b) 一種有效的電氣絕緣體 c) 降低提供陰極保