(高清版)GBT 40377-2021 金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準(zhǔn)則

交流腐蝕的測定防護準(zhǔn)則DeterminationofACcorrosion—Prote國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會 I Ⅱ 3術(shù)語和定義 4陰極保護人員的工作能力 4 46交流腐蝕的可能性評估 5 89緩解措施 附錄A(資料性)本文件與ISO18086:2019 附錄B(資料性)土壤特性對交流腐蝕過程的影響 附錄C(資料性)存在交流干擾時應(yīng)用過的其他準(zhǔn)則 附錄D(資料性)試片和探頭 附錄E(資料性)庫侖氧化 附錄F(資料性)交流腐蝕現(xiàn)象簡述 附錄G(資料性)交流腐蝕數(shù)據(jù)圖譜 附錄H(資料性)高速同步測量試片電流密度 附錄I(資料性)確定遠地參比電極位置的方法 附錄J(資料性)選擇直流去耦合裝置需要考慮的參數(shù) I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件使用重新起草法修改采用ISO18086:2019《金屬和合金的腐蝕交流腐蝕的測定保護準(zhǔn) Ⅱ蝕緩解系統(tǒng)調(diào)試時應(yīng)進行的測試。注意附錄C中建議的其他參數(shù)和閾值需要基于實踐經(jīng)驗進一步1本文件不適用于管道交流電壓相關(guān)的安全問題。這些安全問題在其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中有涉及下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不GB4793.1測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備的安全要求第1部分：通用要求(GB4793.1—2007,IEC61010-1:2001,IDGB/T10123金屬和合金的腐蝕基本術(shù)語和定義(GB/T10123—2001,eqvISO8044:1999)ISO15589-1石油、石化和天然氣工業(yè)管道系統(tǒng)陰極保護第1部分：陸上管道(Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries—Cathodicprotectionofpipelinesystems—EN50443高壓交流電牽引系統(tǒng)和/或高壓交流輸電系統(tǒng)對管道的電磁干擾的影響(EffectsofelectromagneticinterferenceonpipelinescausedbyhighvoltageACelectrichighvoltageACpowersupply23IR降IRdropEoff4Eon本文件適用于所有金屬管道系統(tǒng)、高壓交流牽引系統(tǒng)和高壓交流電力系 -—防腐層的厚度；5在參考文獻[8]中給出了交流電力系統(tǒng)在金屬結(jié)構(gòu)物上產(chǎn)生的交流電壓計算指南。該算法利用計-—土壤電阻率；-—腐蝕速率。可接受的交流電壓閾值取決于所選的交流腐蝕防護方案(見第7章及附錄C)。因此，管道上的干防腐層破損點的交流電流密度和直流電流密度6流密度參數(shù)來評價交流腐蝕可能性比使用通電電位或交流電壓更可靠。但與管道上存在的電壓相比，交流電流密度導(dǎo)致陽極和陰極電荷轉(zhuǎn)移。電荷轉(zhuǎn)移過程的詳細解釋參見附錄F。該電流可消耗于影響腐蝕過程的唯一電流。陰極電流能減少已形成的高直流電流密度導(dǎo)致更負的陰極保護水平以及管道表面高pH的形成。但是，在同時存在交流干附錄C和附錄F給出了該過程的詳細解釋。附錄C和附錄F給出了該過程的詳細解釋。電流密度的比值可以用來評價腐蝕可能性。只要該比值低于某閾值(參見附錄C),則不會出現(xiàn)交流腐7附錄B給出了更多關(guān)于土壤組分對交流腐蝕風(fēng)險影響的詳細通過探頭確定腐蝕速率是評價交流腐蝕可能性的一個直接方法(見8.4.3)?；趯嶋H測量的腐蝕速率可以對復(fù)雜干擾情況進行評價。附錄D對電阻探頭的原理進行了介紹。交流腐蝕只發(fā)生在與周邊土壤直接接觸的金屬表面。通過金屬/土壤界面的交流電流導(dǎo)致了金屬1)平均交流電流密度(rms)低于30A/m2;2)在平均直流電流密度低于1A/m2或極化電位EIR-fre正于—1.15V(CSE),且極化電位EIr-tree負于-0.90V(CSE)時，平均交流電流密度(rms)可大于或等于30A/m2且小82A1x本條涵蓋了第5章中確定的參數(shù)的測量技術(shù)。應(yīng)使用符合GB4793.1規(guī)定的具有足夠絕緣水平的設(shè)備和電纜。-—低土壤電阻率區(qū)域(如低于25Q·m);9所開展的測量應(yīng)按第7章的要求，并考慮第6章中的參數(shù)。有必要使用試片或探頭測試并計算電流密度(見第7章)。直流電位測量以及相關(guān)的設(shè)備使用方法參見G在附錄H中給出了電位測試設(shè)備準(zhǔn)確性的指導(dǎo)。a)管道斷電電位E.的測量通常取決于電壓表的濾波特性以及讀取數(shù)據(jù)前電流源斷開的時間。結(jié)構(gòu)物上斷電電位Eo的可靠性可能受到此類設(shè)備的時間常數(shù)以及放電特性的影響。c)感應(yīng)交流電壓會影響無IR降電位的測試。d)通常來說(不考慮測試技術(shù)),疊加交流電壓會使無IR降電位正向偏移且直流電流密度增加。應(yīng)使用可編程的數(shù)據(jù)記錄儀在足夠短的時間間隔(見8.1.4)內(nèi)測量交流電壓，捕捉穩(wěn)態(tài)的長期交流電壓的測試應(yīng)相對于大地進行。附錄I中給出了確定參比電極對地位置的方法。在EN50443中進一步給出了交流電壓的測試方法。-—試片或探頭應(yīng)與周邊土壤保持有效電接觸，除非接觸不良是監(jiān)測目標(biāo)的一——使用螺旋鉆探法(參見附錄D)。安裝方法的選擇取決于現(xiàn)場條件、開挖土壤的類型、涉及的成本以及是否能夠與結(jié)構(gòu)物進行電試片或探頭電流(交流或直流)可以通過測量串聯(lián)電阻上的壓降來確定(見圖2)。對于交流和直流頭對應(yīng)的串聯(lián)電阻通常是10Ω左右?！┛追ǎ皇е胤y試要求預(yù)先安裝失重試片。在經(jīng)過一定運行時間后(幾個月到幾年),將試片開挖。如果使用特定的穿孔探頭進行穿孔法測試(參見附錄D)。試片電阻測試需要安裝電阻探頭(ERprobes)(參見附錄D)。當(dāng)腐蝕過程逐漸減小試片的厚度時，試通過腐蝕產(chǎn)物的庫侖氧化反應(yīng)也可以間接的識別交流腐蝕的過程(參見附錄E)。在并行路由密集或高土壤電阻率(比如大于500Ω·m)的地區(qū)，該方法是有益的。在土壤電阻率件。接地系統(tǒng)應(yīng)具有足夠低的阻抗以實現(xiàn)感應(yīng)電壓下的交流腐蝕保護準(zhǔn)則。通常該阻抗需要低于-—鋅或鍍鋅鋼纜在土壤中用作接地系統(tǒng)時，會隨時間逐漸變?yōu)楦枠O性的趨直流去耦合裝置不應(yīng)干擾正常陰極保護系統(tǒng)運行以及陰極保護有效性的監(jiān)測和管道的接觸電壓通過調(diào)整陰極保護水平達到第7章中的準(zhǔn)則，控制陰極保護水平趨向更正以實現(xiàn)第7章中要求的蝕風(fēng)險。這些帶有防腐層缺陷的管段可以使用盡管交流緩解系統(tǒng)不是陰極保護系統(tǒng)，但通常它需能會引起非意識性反應(yīng)并造成危害。如果存在不可接受的接觸電壓風(fēng)險，應(yīng)遵照EN50443采取安全預(yù)防措施。選擇的測試位置應(yīng)包括已出現(xiàn)過高干擾水平的地方(見第7章),并應(yīng)包括被認為不會遭受嚴重干擾的b)安裝檢查(在連接接地系統(tǒng)前):1)緩解設(shè)備的功能；3)如果安裝了合適的探頭或試片，可進行以下額外測試：c)調(diào)試檢查(將接地系統(tǒng)連接后):1)選定位置的管對地交流電壓和通/斷電電位；-—腐蝕速率；-—試片的通/斷電電位和電流。達到第7章中要求的準(zhǔn)則即表明緩解系統(tǒng)有效。也可按照調(diào)試階段的測試進行驗證(見10.2.2)。在被識別為高交流腐蝕風(fēng)險的區(qū)域可使用試片或探頭以確定電流密度和/或腐蝕速率(見8.4)?！袘?yīng)交流水平及其對管道外腐蝕影響的長期監(jiān)測的建議(可以包括遠程監(jiān)測和防腐層缺陷檢測); 應(yīng)按照第8章在所選的測試點進行測試。測試頻率應(yīng)符合ISO15589-1規(guī)定。因為有交流電壓的(資料性)本文件與ISO18086:2019的技術(shù)性差異及其原因表A.1給出了本文件與ISO18086:2019的技術(shù)性差異及其原因。表A.1本文件與ISO18086:2019的技術(shù)性差異及其原因原因2關(guān)于規(guī)范性引用文件，本文件做了具有技術(shù)性差異的調(diào)以適應(yīng)我國的技術(shù)條件，調(diào)整的情況集中反映在第2章“規(guī)范性引用文件”中，具體調(diào)整如下：——用等效采用國際標(biāo)準(zhǔn)的GB/T10123代替ISO8044;———用等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)的GB4793.1代替IEC61010-1規(guī)定編寫，確保技術(shù)內(nèi)容的確定和標(biāo)準(zhǔn)編寫和版式要求原表述不夠準(zhǔn)確7的指標(biāo)限值，增加了圖示正的陰極保護極化電位或偏負的極化電位均可能增大交流腐蝕的(資料性)涂層缺陷處的交流電流密度本質(zhì)上是由管道上的交流感應(yīng)電壓和涂層氧的電化學(xué)還原或氫的析出導(dǎo)致金屬表面上的pH升高。通常，pH高于11,在極端情況下可達到14或甚至可能更高。土壤組成，涂層缺陷電阻隨時間而增加或減少。實際上，隨著pH的增加(即NaOH或CaCO?的形堿土金屬離子Ca2+和Mg2+形成溶解度相對較低的氫氧化物。隨著pH的增加，這些沉淀物將出隙電阻降低到原來的1/60。(資料性)基于通電電位來考慮腐蝕可能性的問題只有在對所選取的交流腐蝕防護理念有所了解時才有的加速還原(參見附錄G)。因此，所需的通電電位水平與管線上的感應(yīng)交流電壓有關(guān)。管道上存在直統(tǒng)時，很有必要安裝額外的陰極保護站。與通電電位有關(guān)的電流(大能性是很困難的。然而，在仍然滿足ISO15589-1中給出的斷電電位標(biāo)準(zhǔn)的同時AX1——負電位偏正的陰極保護水平；圖C.1交直流電流密度與交流腐蝕可能性關(guān)系圖X 圖C.2直流通電電位、交流電壓與交流腐蝕可能性關(guān)系圖(資料性)交流腐蝕風(fēng)險也可通過測量探頭或試片上的腐蝕速率進行評估。腐蝕速率可通過ER探頭測量，頭或試片進行交流測量(例如Ua.c和Ie)。回填部位的位置(見圖D.1)。做好標(biāo)記(例如55圖D.1管道旁邊的鉆孔如果需要對土壤類型進行表征，宜使用開挖的土壤在土壤箱中進行土壤電阻率測試，確定土壤含水量，用酸滴試驗顯示是否有碳酸鈣存在，或收集樣品進行進一步分析。詳細的土壤分析可以在實驗室進行。D.2.3埋地試片或探頭的安裝將試片或探頭推入到位。如果土壤質(zhì)地柔軟/沙質(zhì)，將試片或探頭多推一點進入未開挖過的原始土壤/回填物中。在這種情況下，土壤通常會在試片或探頭周圍填滿并壓實，并形成良好的電連接。如果土壤較硬，可能需要從所需的試片或探頭深度取樣一定量的土壤，并利用這些土壤混合少量蒸餾水制成包覆試片或探頭等模擬防腐層缺陷外周的“塊餅狀”,然后再放置在土壤中。在鉆孔中以相同的方式回填土壤，盡量復(fù)原。回填過程中，做到少量多次回填并壓實，將試片或探頭測試導(dǎo)線安置在測試樁中(見圖D.2)。優(yōu)選的做法是，試片或探頭應(yīng)該配備雙線連接。試片或探頭與管道之間應(yīng)至少有一條連接線；第二條連接線可使測量更便捷更可靠。5523圖D.2位于管道旁邊并通過測試樁連接的試片或探頭D.3電阻探頭原理D.3.1使用電阻探頭技術(shù)評估腐蝕D.3.1.1一般理論電阻(ER)探頭技術(shù)可以作為失重試片的替代方法用于腐蝕速率評估。與失重試片不同，ER探頭技術(shù)不需要開挖和稱重程序，它通過電子方式來評估質(zhì)量損失。如第8章所述，其他的探頭電化學(xué)特征也可在ER探頭上測量，如交流電流密度，直流電流密度，泄漏電阻等。使用ER技術(shù)測量金屬元件試片的電阻變化。當(dāng)金屬元件由于腐蝕而遭受金屬損失時，元件的電阻將增加。由于元件的電阻也隨溫度變化而變化，因此使用第二元件用于溫度補償，該元件用涂層保護免受腐蝕。暴露于腐蝕環(huán)境的元件構(gòu)成了試片部分，而帶有防腐涂層的元件則構(gòu)成參比元件(見圖D.3)。兩者進行了熱連接處理以有效地均衡兩個元件之間的任何溫度差。通常測量兩個獨立元件電阻值的方法是，使激勵電流通過元件并測量由激勵電流引起的元件長度上產(chǎn)生的電壓。典型的交流腐蝕常可見在全部時間段內(nèi)擴散電阻降低的情況(通常是由高直流電流密度引起的),并存在足夠高交流電壓的情況下，產(chǎn)生高的交流電流密度。最終，腐蝕速率將迅速增加，通常顯著高上述概念也適用于其他類型的腐蝕(例如由直流雜散電流引起的腐蝕),ER探頭可以作為通用工D.4穿孔探頭可使用穿孔探頭來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試片。該探頭可以測量交流和直流干擾的水平以及電流密度。此(資料性)E.1陰極保護電流導(dǎo)致pH增加，并且導(dǎo)致鋼表面形成的一些腐蝕產(chǎn)物發(fā)生從Fe3+到Fe2+的電化學(xué)還原反應(yīng)。由腐蝕產(chǎn)生所積累的鐵離子的總體含量可以根據(jù)腐蝕產(chǎn)物中Fe2+電化學(xué)氧化為Fe3+來進(資料性)產(chǎn)物)的進一步氧化以及管線鋼的氧化。如果pH足夠高(大于10),管線鋼的氧化可導(dǎo)致氧化膜的形果該過程導(dǎo)致在每個陽極半波期間單層氧化物的形成和溶解，則導(dǎo)致腐蝕速率在100mm/a范圍內(nèi)。圖F.1受交流影響的陰極保護電流變化-陰極保護作用下的交流腐蝕過程示意圖F.2.2交流腐蝕速率的降低基于這個概念，可以討論一些經(jīng)驗觀察結(jié)果。減輕交流腐蝕的最有效方法是限制交流電流密度。如果這一點不可能的話，則應(yīng)采取其他緩解措施。只有氧化膜形成(至少部分)并溶解(至少部分),交流腐蝕過程才能發(fā)生。如果通過在足夠低的交流電流密度下施加足夠高的直流電流密度來防止氧化膜的形成，則可以阻止交流腐蝕。類似地，如果可以阻止已經(jīng)形成的氧化膜被陰極還原(溶解),也可以阻止交流腐蝕。這可以通過充分限制陰極電流密度來實現(xiàn)。另外，在低直流電流密度下，交流腐蝕速率的降低可能是金屬表面pH較低以及金屬表面的擴散電阻較高的結(jié)果?；诖丝紤]，在高和低直流電流密度條件下可能可以防止交流腐蝕。在討論臨界值時應(yīng)考慮到這一點，因為這是兩種根本不同的交流腐蝕緩解概念。這組概念可以用來解釋各種臨界值之間的相關(guān)性，例如，存在交流和直流電流密度之間的臨界比值以及臨界交流電流密度。交流腐蝕數(shù)據(jù)圖譜b)平均交流電流密度(rms)大于或等于30A/m2且小于100A/m2,則平均直流電流密度低于2△△■A△■0xy——交流電流密度JAc,單位為安培每平方米(A/m2)。圖G.1交流腐蝕評判指標(biāo)圖譜(資料性)高速同步測量試片電流密度H.1測量試片電流與通電電位的測量系統(tǒng)見圖H.1(見參考文獻[7])。試片電流是指當(dāng)陰極保護系統(tǒng)持續(xù)運行時流過試片與管道之間的電流。試片電流為正值時，代表電流由電解質(zhì)流入試片(即陰極電圖H.1試片電流密度與通電電位的測試系統(tǒng)圖H.2在電力傳輸線頻率為50Hz及交流電氣化鐵路系統(tǒng)運行頻率為50Hz時，試片電流密度檢測至少需要24h,用來評價管道的長期或短期交流干擾水平，如H.3～H.5所示。H.3在每個測試點，試片電流密度與通電電位以0.1ms的時間間隔被連續(xù)測試，測試分辨率16bits。當(dāng)有直流或交流列車通過的地方被懷疑會誘發(fā)直流和/或交流干擾時，這種具有0.1ms高速數(shù)據(jù)采集率的測量技術(shù)能夠用于評價腐蝕風(fēng)險。就50Hz的單個周期(即每個20ms的子單元)而言，按式(H.1)、式(H.2)和式(H.3)可以獲得試片直流電流密度Id.,試片交流電流密度I。,試片通電電位Eo等數(shù)據(jù)，測量時使用截止頻率為73Hz的低通濾波器來避免異常的電尖峰和諧波電流的影響。7n———1,2,…,1I(n)——單個50Hz周期內(nèi)每間隔0.1ms所測得的試片瞬時電流；Ide——單個50Hz周期(即每個子單元)內(nèi)的試片直流電流密度；I——單個50Hz周期(即每個子單元)內(nèi)的試片交流電流密Eon(n)——單個50Hz周期內(nèi)每間隔0.1ms所測得的試片瞬時通電電位；H.5每個單元設(shè)置為10s,包括500個子單元。通過分析500個子單元數(shù)據(jù)可以得到每個單元Ia.、(資料性)I.1合理的遠地位置可由如圖I.1所示的方法進行評估。在接地極附近進行測量時，遠參比的方法就776232□154I.2參比電極1代表無IR降的情況，不適合于交流電壓測量，因為測量值(相比遠大地)應(yīng)包含所有IR降。a)將參比電極2放置在管道上方地表的土壤中。在該參比電極與管道間直接連接電壓表并讀取b)將參比電極3放置在管道上方地表的土壤中。在參比電極2與3之間連接另一個電壓表并讀c)在橫穿管道方向上改變參比電極3與管道的間距(1m～5m)并讀取電壓表上的交流電壓值。d)將參比電極2放置在之前參比電極3的位置并讀取交流電壓值。e)重復(fù)步驟c)、d)直到第二個電壓表的交流電壓讀數(shù)不再發(fā)生變化并接近為0時，可確定此處f)最后，將參比電極2放置在參比電極3所示的遠地位置，連接電壓表，并讀取管道與參比電極2的交流電壓值。6)交流故障電流kA;7)交流擊穿電壓；8)直流擊穿電壓。[1]GB/T2900.71—2008電工術(shù)語電氣裝置[4]EN13509:2013[4]BuüchlerM.,Vou?teC.-H.,JoosD.FeldversuchezurWechselstromkorroenergie/wasser-praxisJuly/August2010,30([5]BuüchlerM.,Vou?teC.-H.,JoosD.FieldinvestigationofACcorrosion,CEOCnationalCongress2011Menthon-Saint-BernardCEOCOR,c/o[6]BuüchlerM.Alternatingcurrentcorrosionofcathodicallyprotectedpipelines:Discussionof[7]KAJIYAMAF.,NAKAMURAY.Developmentofanadvancedinstrumentatiingtheaccorrosionriskofburiedpipelines.NA[9]OrmelleseM;LazzariL.;BrennaA.ACcorrosiolines:criticalinterferencevaluesandprotec[10]OrmelleseM,LazzariL,GoidanichS,etal.CPcriteriaassess[11]OlesenAJ,NielsenLV,MφllerP.InvestigationofHightingCurrentInterference[J].Corrosion,2019,75(8)[12]KajiyamaF,NakamuraY.DevelopmentofanAdvancedInsACCorrosionRiskofBuriedPipelines.NACE,2[13]HosokawaY,KajiyamaF,NakamuraY.NewCPcriteriaforeliminationoftherisksofACcorrosionandoverprotectiononc[14]HosokawaY,KajiyamaF.NewCPmaintenanceconceptforburiedsteedensity-basedCPcriteria,andon-linesurveillancesystemfousingsteelcouponswithrespecttocur[16]KuangD,ChengYF.Effectsofalternatingcurrentinterferenceoncathodicprotectentialanditseffectivenessforcorrosionprotectionofpipelines[J].CorrosionEngineering,ScienceandTechnology,201[17]YanxiaDu,YiLiang,SiliXie,LeiZhang.DiscussiononACRiskAssessmentforCathodic[18]YuxingZhang,YanxiaDu×,ZitaoJiang,MinxuLu.ofHigh-SpeedRailwayonPipelines.NACE,2019:13208[19]YanxiaDu,YingwuXiao,SiliXie,MinxuLu.Researchonth