管道腐蚀防护技术讲座

1、管道腐蚀(fsh)防护技术讲座汇报(hubo)人：胡松青日 期：2013-7-17共一百零一页主要(zhyo)内容123一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义二、金属腐蚀防护技术三、埋地管道的腐蚀防护4四、课题组工作简介共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义1.1 腐蚀(fsh)是一种自然现象 金属的腐蚀广泛的存在于我们的生活中，而且时刻在进行。留意一下生锈的水管，锈迹斑斑的护栏，我们会发现，腐蚀是如此普遍，以致于我们对它熟视无睹，习以为常，认为它的存在是天经地义，理所当然的。共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义1.2 腐蚀(fsh)的危害 国外统计表明，每年由于腐蚀而报废

2、的金属材料, 约相当于金属产量的2040，全世界每年因腐蚀而损耗的金属达1亿吨以上。 腐蚀会导致设备破坏而引发事故，如火灾、爆炸、有毒气体泄漏等，除了造成经济损失以及环境破坏外，有时会伤及生命，因此，必须对腐蚀予以高度重视。共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义英国著名腐蚀科学家伊文思(Evans)提出 ： “金属腐蚀是金属从元素(yun s)态转变为化合态的化学变化及电化学变化”。 物理化学及统计力学中，研究的对象叫做系统，系统以外的部分叫做环境。某“事件”可定义为“系统”与“环境”作用的“现象”。腐蚀的定义可表述为： “物质（或材料）的腐蚀时物质（或材料）受环境介质的化学或电化学

3、作用而破坏的现象”。1.3 腐蚀的定义共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义1.4 腐蚀(fsh)的分类定义：指金属表面与电解质发生电化学反应而引起的破坏。特点：腐蚀过程中有电流的产生。化学腐蚀定义：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。特点：腐蚀过程中无电流的产生。电化学腐蚀依据腐蚀机理划分：共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义1.5 金属发生腐蚀(fsh)的过程金属的腐蚀大多为电化学过程，金属表面与电解质接触，形成腐蚀电池；电极电位较负的为阳极、电位较正的为阴极，电子将离开阳极向阴极移动，而位于阳极区的金属原子由于失去电子而成为带正电的离子、进入电解质

4、；在阳极区，带正电的金属离子与周围电解质中的负离子发生反应而形成腐蚀产物，金属发生腐蚀；在阴极区，由于存在多余的电子，金属不会发生腐蚀，化学反应在电解质中发生。共一百零一页一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义1.6 防腐蚀的意义(yy) 管道埋地后，最终导致其报废的因素总是腐蚀。而利用现有技术，可以减少30%的金属腐蚀损失，最大程度的减小腐蚀的危害，其经济意义、社会意义都是非常巨大的。共一百零一页主要(zhyo)内容123一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义二、金属腐蚀防护技术三、埋地管道的腐蚀防护4四、课题组工作简介共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术针对(zhndu)油

5、气田环境，常用的金属防腐蚀技术：合理选材与结构优化设计；阴极保护技术；缓蚀剂保护技术；覆盖层保护技术；共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术2.1 合理(hl)选材与结构优化设计2.1.1 选材的基本原则（1）材料的耐蚀性能要满足生产要求；（2）材料的机械强度、加工性能满足要求； 金属的耐蚀性能可通过提高其纯度来加以改进，但纯金属往往机械强度低，不能应用于工程中，有的材料耐蚀性能好，但机加工性能差。 （3）注意节约资金； Au、Pt等贵金属在绝大多数介质中是非常稳定的材料，不易受到腐蚀，但这类金属价格昂贵不易大规模的工业应用。共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防

6、护技术2.1.2 合理(hl)设计的一般原则（1）尺寸留有余量；（使用寿命和腐蚀余量）（2）结构力求简单；（3）尽量避免残液或沉积物存在；（4）力求避免缝隙的存在；（5）力求不采用引起电偶腐蚀的结构设计； 当必须把不同金属装配在一起时，应该用不导电的材料把它们隔离开（6）避免应力过分集中；共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术2.2 阴极保护技术(jsh)2.2.1 阴极保护技术概述定义：阴极保护就是通过外加负电位使被保护的金属阴极极化， 从而降低金属的腐蚀速度的方法。原理：强制电流从周围电介质中流向被保护结构表面，使金属 表面全部处于阴极状态，就可抑制阴极区金属表面电子 释

7、放。施加的电流越大，产生的阴极极化越强，直到腐 蚀原电池的阴阳极达到等电位，消除结构表面的阳极区， 腐蚀得到抑制。分类：牺牲阳极阴极保护 和 外加电流阴极保护。共一百零一页定义：将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。 通常用作牺牲(xshng)阳极的材料有镁和镁合金、锌合金、铝合金等。2.2.2 牺牲阳极(yngj)阴极保护技术二、金属腐蚀防护技术共一百零一页牺牲阳极阴极保护原理：牺牲阳极阴极保护，依靠外加阳极不断溶解所产生的电流实现阴极保护。电位较负的阳极材料随着电流的流动而不断地消耗。 当管道与镁阳极连接在一起时，管道表面

8、电位负移，直到管道表面不再存在阳极或阴极，所以，消除了管道表面电流在阴、阳极之间的流动(lidng)，从而抑制了腐蚀。未施加牺牲阳极保护施加牺牲阳极保护二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术共一百零一页 应用范围(fnwi)：适用于保护范围相对简单、防腐层性能好且与非 保护设施有效绝缘隔离的金属结构。 优点：不需外部电源，应用灵活、易于(yy)安 装、运行维护简单，对附近非保护 金属构筑物无干扰。 缺点：输出电流小（一般小于1A) 、仅用于 保护电流需求小的场合。驱动电压低， 运行电位不可调，受环境因素影响较 大，仅用于低土壤电阻率环境。二、金属腐蚀防护技术牺牲阳极阴极保护的特点：共一百

9、零一页定义：将被保护金属与外加电流负极相连，由外部电源提供保 护电流，以降低腐蚀速率的方法。 外加电流阴极保护系统(xtng)由整流电源、阳极地床、参比电极、连接电缆组成（阳极地床：由多支阳极组成的接地极）。外加电流保护示意图二、金属腐蚀防护(fngh)技术2.2.3 外加电流阴极保护技术共一百零一页外加电流阴极保护原理：外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过周围的介质流向被保护金属结构，被保护金属结构为阴极，腐蚀受到抑制。外加电流阴极保护原理图二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术共一百零一页 应用场合(chng h)：各种埋地金属构筑物的阴极保护。如长输管道、站 内埋地管

10、道。 优点：输出功率大，保护范围广，保 护电位可调、可控，受地质(dzh)环 境条件影响小，可以用于高土 壤电阻率环境。 缺点：需要可靠的外部电力供应，需 要定期管理和维护；辅助阳极 地床形式和位置选择不当时， 可能对邻近金属构筑物产生干 扰腐蚀。二、金属腐蚀防护技术外加电流阴极保护的特点：共一百零一页牺牲(xshng)阳极外加(wiji)电流不需要电源需要电源埋设点多，使用寿命随环境而变化，可能需要更换；阳极用量较小。开挖工作量小。由于在每个点的输出都较小，一般不会产生干扰腐蚀；需要检测临近结构是否可能发生干扰腐蚀；其输出可以自身调节，但不能人为控制；在过保护状态下，对外防腐涂层产生阴极剥离

11、作用；电缆接头受到阴极保护，不会腐蚀；辅助阳极电缆连接接头要严格密封，一旦与介质接触，将很快腐蚀断；极性不会接反。需要谨慎连接阴、阳级电缆，极性接错将加速腐蚀。二、金属腐蚀防护技术2.2.4 两种阴极保护技术的比较共一百零一页最小保护电流密度 阴极保护时，使腐蚀停止，或达到允许程度时所需的电流密度值称为最小保护电流密度。最小保护电位 为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的绝对值最小的负电位值，称之为最小保护电位。实验测定在土壤中的最小保护电位为0.85 V。最大保护电位 在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏，此电位值就是最大保护电位。一般取

12、1.5V（CSE）。二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术2.2.5 阴极保护参数(cnsh)共一百零一页2.3 缓蚀剂保护(boh)技术二、金属腐蚀防护(fngh)技术2.3.1 缓蚀剂的定义定义： 一种以适当浓度和形式存在于环境（介质）中时，可以防止或减缓腐蚀的化学物质或几种化学物质的混合物。共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术2.3.2 缓蚀剂的分类(fn li)（1） 按化学组成分：缓蚀剂 无机缓蚀剂有机缓蚀剂咪唑啉亚硝酸盐、硝酸盐铬酸盐、重铬酸盐磷酸盐、多磷酸盐硅酸盐钼酸盐含砷化合物胺类醛类有机磷化物有机硫化物羧酸及其盐类磺酸及其盐类共一百零一页二、金属腐蚀

13、(jn sh f sh)防护技术2.3.2 缓蚀剂的分类(fn li)（2） 按电化学机理分：阳极型缓蚀剂(阳极缓蚀剂)阴极型缓蚀剂(阴极缓蚀剂)混合型缓蚀剂 通过抑制腐蚀的阳极过程而阻滞金属的腐蚀，加入阳极缓蚀剂将增大阳极极化。 通过抑制阴极过程的进行，在阴极表面形成沉淀膜，增加阴极极化。 同时抑制阳极过程和阴极过程，同时使阳极极化和阴极极化增大的缓蚀剂。共一百零一页二、金属腐蚀防护(fngh)技术2.3.2 缓蚀剂的分类(fn li)（3） 按物理化学机理分：缓蚀剂在金属表面成膜类型共一百零一页二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术油溶性缓蚀剂 用作防锈油脂(yuzh)气相缓蚀剂 用

14、作封装和包装水溶性缓蚀剂 用作水处理剂2.3.2 缓蚀剂的分类（4） 按缓蚀剂的物理状态分：共一百零一页根据使用介质(jizh)分类 酸性缓蚀剂、中性缓蚀剂、碱性缓蚀剂、油溶性缓蚀剂、气相缓蚀剂。根据应用范围分类(fn li) 酸洗缓蚀剂、油气井酸化缓蚀剂、石油化工工艺缓蚀剂、油田注水缓蚀剂、油田集输管线缓蚀剂、锅炉缓蚀剂、循环冷却水缓蚀剂。二、金属腐蚀防护技术2.3.2 缓蚀剂的分类（5） 其他分类：共一百零一页有机缓蚀剂都含有极性基团和非极性基团。极性基团通过物理吸附或化学吸附作用吸附在金属表面上，改变了金属表面的电荷状态和界面性质，使能量状态稳定化，从而降低了腐蚀反应倾向(qngxing

15、)(能量障碍)。同时，非极性基团形成一层疏水性的保护膜，阻碍腐蚀性物质向金属表面移动(移动障碍)。 吸附膜型：如 RNH2腐蚀介质基体吸附膜二、金属腐蚀防护(fngh)技术2.3.3 缓蚀剂的缓蚀机理（1） 吸附理论共一百零一页物理吸附(xf)缓蚀剂分子与金属表面有静电引力和分子间作用力而发生吸附。化学吸附缓蚀剂分子和金属表面形成(xngchng)化学键而发生吸附。金属基体+ + + + + + +腐蚀介质-+静电吸引导致表面吸附化学作用导致表面吸附二、金属腐蚀防护技术共一百零一页钝化膜型：如 NaNO2腐蚀介质钝化膜基体钝化膜 缓蚀剂氧化金属表面形成氧化物膜。沉淀型膜：如 ZnSO4腐蚀介质

16、沉淀膜基体沉淀膜 缓蚀剂与金属表面阳极溶解出来的金属离子生成难溶性产物沉积于阳极表面，形成保护膜。二、金属腐蚀(jn sh f sh)防护技术2.3.3 缓蚀剂的缓蚀机理(j l)（2） 成膜理论共一百零一页认为缓蚀剂之所以能起到缓蚀作用是由于它能在金属表面上生成一层难溶的保护膜，抑制其阴极或阳极(yngj)反应过程，从而降低金属的腐蚀速率。i2i1i2 i1i-EEeAEeC阳极型缓蚀剂i2i1i2 i1i-EEeAEeC阴极型缓蚀剂i2i1i2 a1共一百零一页三、埋地管道(gundo)的腐蚀防护管道上外加电位和电流分布规律的推导（2）有限长管道电位、电流(dinli)分布：3.2.2 外

17、加电流阴极保护设计x = 0 时，E = E0 ， I = I0 x = L 时，dE/dx = 0， I = 0L 两站间距的一半。x 距汇流点的距离；L 两汇流点的间距的1/2共一百零一页三、埋地管道的腐蚀(fsh)防护3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计（1）无限长管道保护长度 将 x = 0处，E0 = Emax （外加最大保护电位） x = L1max ， E = Emin（外加最小保护电位） 代入电位、电流分布表达式，得： L1max 无限长管道汇流点一侧的保护长度，m； 由上式可见：绝缘层质量直接影响到保护长度，绝缘层质量越好，RT越大，a越小，L1max就越大；若无绝

18、缘层，L1max 将很短。 外加电流阴极保护站保护长度计算共一百零一页三、埋地管道(gundo)的腐蚀防护3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计（2）有限长管道保护长度 将 x = 0处，E0=Emax （外加最大保护电位） x = L2max，E=Emin （外加最小保护电位） 代入有限长管道电位、电流分布表达式，得：L2max 有限长管道汇流点一侧的保护长度，m；（大于无限长管道保护长度）外加电流阴极保护站保护长度计算共一百零一页三、埋地管道的腐蚀(fsh)防护 需要说明的是：当管道(gundo)末端有绝缘法兰时，其保护长度按有限 长管道计算 。如图所示：L2maxL2max绝缘法

19、兰L2maxL1max对照：共一百零一页3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计三、埋地管道的腐蚀(fsh)防护阴极保护站数量的确定L 被保护管道总长，m；L1 管道端部被保护长度，m；L2 有限长管道保护长度，m。L1L1L2L2L2L2L2L2L2L2EamxEminL1=L1amx(无限长） 或 L1=L2amx（有限长）共一百零一页三、埋地管道(gundo)的腐蚀防护3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计通过保护站所提供的电压、电流来计算其功率。 P0=IU阴极保护站功率计算共一百零一页三、埋地管道的腐蚀(fsh)防护3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计阳极接地

20、设计（阳极地床） 按照铺设方式，阳极地床结构可以分为： 立式阳极地床（普遍）、水平式阳极地床 按埋深可分为： 浅埋式阳极地床（多见）、深埋式阳极地床 浅埋式：埋深距地表15米； 深埋式: 2040米为次深；50100米为中深 ；大于100米为深。 为了减少阳极之间的相互屏蔽，阳极之间应保证有一定的距离。 阳极到管道的距离： 短管道：油田的集输管网、油库管网 50300米； 长输管道：300500米。共一百零一页三、埋地管道(gundo)的腐蚀防护多支立式(l sh)浅埋阳极地床多支卧式浅埋地床共一百零一页三、埋地管道(gundo)的腐蚀防护3.2.2 外加(wiji)电流阴极保护设计 长输管道

21、的外加电流阴极保护实例深井阳极床的布置和安装共一百零一页浅埋阳极床的安装(nzhung)和布置3.2.2 外加电流(dinli)阴极保护设计 长输管道的外加电流阴极保护实例三、埋地管道的腐蚀防护共一百零一页外加电流(dinli)设备3.2.2 外加(wiji)电流阴极保护设计 长输管道的外加电流阴极保护实例三、埋地管道的腐蚀防护共一百零一页主要(zhyo)内容123一、防腐蚀的重要(zhngyo)意义二、金属腐蚀防护技术三、埋地管道的腐蚀防护4四、课题组工作简介共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介4.1 科研(k yn)队伍 课题组现有教授2人，副教授3人，其中博士生导师2人，硕士生导

22、师3人，在读研究生40人。课题组长期致力于防腐蚀工程技术、油田化学剂分子设计和提高原油采收率基础研究等方面的研究工作。近4年先后主持参与了国家基金项目、中国石油科技创新基金、中石化重大科技专项、山东省自然科学基金等省部级以上课题30项；与中国石化西北油田分公司、胜利油田、华北油田、徐州管道局、廊坊管道局等单位合作的横向课题40余项；发表60余篇论文，其中40余篇被SCI或EI收录 。 共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介4.2 研究(ynji)方向及研究(ynji)成果缓蚀剂保护技术阴极保护技术涂料防腐蚀技术防腐蚀工程技术研究共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介4.2.1 缓蚀

23、剂保护(boh)技术研究量子化学计算分子动力学模拟分子力学介观动力学 缓蚀机理的多尺度模拟研究（1）缓蚀剂缓蚀机理研究共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介（2）基于定量(dngling)构效关系方法（QSAR）的缓蚀剂分子设计缓蚀剂分子设计思路缓蚀机理的理论研究成果QSAR关系软硬酸碱理论前人研究成果建立新型缓蚀剂设计模型合成、表征实验评价模型优化共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介增加N（电子转移参数）、（极化率），减小Qring （咪唑(m zu)环上的静电荷），有利于分子活性的提高缓蚀剂分子结构-缓蚀效率的QSAR模型：IE = 14.049 N 75.457 Qring

24、 + 0.149 1.206新型缓蚀剂分子设计ABCD2D-QSAR 方法（2）基于定量构效关系方法（QSAR）的缓蚀剂分子设计共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介3D-QSAR 方法(fngf)引入大体积基团引入小体积基团引入电负性基团引入正电性基团（2）基于定量构效关系方法（QSAR）的缓蚀剂分子设计共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介序号课题名称来源1高含H2S、CO2油气田缓蚀剂的设计与合成中国石油科技创新基金2普光气田缓蚀剂技术研究中石化重大专项课题3有机缓蚀剂缓蚀机理的理论研究山东省自然科学基金4高含H2S/CO2油气田缓蚀剂的缓蚀机理研究中国石化集团公司5苏桥储气

25、库注采管柱腐蚀因素分析与防腐蚀技术研究中石油华北油田分公司6井下封隔器防腐蚀技术研究中石油华北油田分公司7胜利采油厂区域腐蚀治理研究中石化胜利油田分公司8塔河油田注水系统防腐蚀技术研究中石化西北分公司9华北石化管道管输原油腐蚀风险研究中石油廊坊管道局10管输原油加热炉硫酸露点腐蚀及防腐蚀技术研究中石化徐州管道公司取得(qd)的研究成果共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介英文研究(ynji)论文序号论文名称发表时间发表刊物1Density functional theory study of imidazole, benzimidazole and 2-mercaptobenzimida

26、zole adsorption onto clean Cu(111) surface2012Corrosion Science2Theoretical evaluation of corrosion inhibition performance of imidazoline compounds with different hydrophilic groups2011Corrosion Science3Computer simulation of diffusion of corrosive particle in corrosion inhibitor membrane2011Computa

27、tional and Theoretical Chemistry4Molecular modeling of the inhibition mechanism of 1-(2-aminoethyl)-2-alkyl-imidazoline2010Corrosion Science5Molecular modeling study on inhibition performance of imidazolines for mild steel in CO2 corrosion2010Corrosion Science共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介4.2.2 阴极保护技术(jsh)研究（1）阴极保护系统的数值模拟及优化设计（1）采用数值模拟方法研究阴极保护体系的电位分布规律；（2）对储罐和石油管道阴保防腐系统进行设计和优化。罐底电位示意图储罐模型电流密度分布图共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介4.2.3 涂料(tlio)防腐蚀技术研究（1）涂层热力学性能的分子模拟研究玻璃态转化温度 利用计算机模拟的方法，构建不同的涂层体系模型，研究涂层的玻璃态转化温度、热膨胀系数、屈服性能、弹性性能、涂层与基体结合力等参数，明确不同因素下涂层的热力学性能。涂层与基体结合力模型共一百零一页四、课题组工作(gngzu)简介（2）涂层防腐蚀机理的分子