减轻腐蚀方法张中文校好版

1、 管道阴极保护 (一) - 减轻腐蚀的方法及涂层王 元 教授1一、减轻腐蚀的方法概述(1) 对于埋地管道来说,减轻腐蚀的主要方法就是管道的内、外涂层和对管道进行强加电流的阴极保护（CP）。 2概述 (2) 管道的腐蚀过程是一种电化学反应过程。管道与土壤之间的电子流动回路是腐蚀过程的基本组成部分。在土壤中，电解液（可导电的液体）和钢管本身；以及阳极和阴极共同组成了一个完整的电池和回路。3概述 (3) 正是这个电回路使得腐蚀过程能够一直进行下去。在此过程中，钢材就被消耗掉。如果这一电回路被切断，腐蚀过程将会停止。4概述(4) 使用内、外涂层就是为了防止金属表面与它周围的电解液直接接触。同时，涂层等

2、于在电回路中增加了一个高电阻，它大大增加了电流流动的阻力。至少，它使得电化学反应不能立刻就出现。5概述 (5) 在管道服役的过程中，由于涂层的变质、土壤的应力作用、或者埋地管道的位移等，都会使涂层产生针眼（孔）或裂纹。 我们知道，如果使金属表面成为电化学电池的阴极，这将大大降低金属的腐蚀速度。6概述(6) 通过从外部强加电流；或者使用牺牲阳极的方法就能够使金属管道的表面变成电回路中的阴极。7概述 (7) 在强加电流系统的情况下，使用变压（器）整流器，通过向管道供应直流电的方法，将电流强加到钢管道或金属结构上，并使管道成为电回路中的阴极。同时使用一个埋地的阳极地床。这样一来，管道就受到了某种程度

3、的保护。8概述 (8) 在牺牲阳极的系统的情况下，系统将由一个牺牲阳极的金属（例如：锌或镁）和钢管（或金属结构-如钢油罐）组成。用于牺牲阳极的金属材料要比钢材活泼（或它的电动势序比钢材高）得多，它将向被保护的，作为阴极的管道提供电回路所需要的电（子）流。9二、管道的涂层和阴极保护10学习本节的目的通过本节的学习，你将能够： 了解减轻腐蚀的方法 了解涂层的特点了解阴极保护系统的组成11一、 涂层的功能(1) 埋地管道的主要防腐方法就是涂层。管道涂层之后，就可以防止管道金属与周围的土壤直接接触。管道金属的腐蚀就得到减轻。12一、涂层 的功能(1-1)如果涂层材料能在任何情况下都不破裂，同时始终保持

4、着回填时的质量和起初的完整薄膜，它就可以阻止住腐蚀过程的发生。对于埋地管道选择涂层就十分重要。13一、涂层的特性(2) 适当的涂层材料应当具有下列特性:1. 它是有效的电绝缘体。 2. 它能够有小的阻止潮湿的侵蚀。3. 良好的可使用性（易于形成涂层膜、易于与钢表面结合等等） 。14一、涂层的特性(2)4. 随着使用时间的延长，涂层仍然能够阻止针孔的产生、或开裂的能力。 5. 具有承受因正常运输、储存UV(Ultra-Violet Light)）而不变质和管道铺设和安装的能力。6. 易于修理。 7. 与环境之间无毒性反应。15一、涂层材料 (3) 适当的涂层材料包括: 1、塑性（变性）煤胶油，或

5、沥青瓷漆。在加热的情况下使用。通常与非有机纤维的加强布一起使用。它是应用最广泛的一种外涂层材料。16一、涂层 材料(3) 2、塑料带，一般使用自粘带，或与一种底料/粘结剂一起使用的塑胶带。通常主要使用的是聚氯乙烯带，或者聚乙烯带。有时也使用与橡胶组份分层压制的胶带。17一、涂层材料 (3) 3、各种氨基甲酸乙酯树脂。它们都是通过涂刷；或喷涂的施工方法加以使用 4、高密度聚乙烯粉末。它们大多数是用烧结法；或挤压法施工加以使用 5、环氧树脂。一般以半固化的粉末型式应用在加热的管子表面上，以形成涂层。18一、涂层材料 (3)涂层的初始电阻率可以达到10,000m2 ；虽然，阴极保护所要求的电流密度取

6、决于管道在下沟和回填等操作期间涂层的受损情况。但是，管道开始投入使用时的电流密度可以取为0.05 mA/m2；或者更低。19一、涂层材料 (3-1) 如果我们希望把各阴极保护站之间的相互影响降低到最小的话，高质量的涂层，对于加大各阴极保护站之间的距离具有非常重要的意义。20二、阴极保护 (1) 8、按照对管道或设施保护所使用的不同方法，阴极保护可以分为牺牲阳极保护和强加电流的阴极保护两种。但是，它们保护管道的基本原理没有太大的差别。21二、阴极保护 (2)2.1. 牺牲阳极的保护 2.1.1.牺牲阳极的类型 2.1.2.牺牲阳极系统是如何工作的？ 2.1.3.牺牲阳极系统的应用场合222.2.

7、1.典型牺牲阳极系统 锰和锌是管道上使用的两种典型的金属。虽然，铝在理论上具有该于上述两种的能量。但是，至今仍没有证据它被应用在埋地的金属结构上。因为在保持它的活性方面尚没有找到有效的方法。232.1.2.牺牲阳极是如何工作的？（1） 阴极保护（CP）中使用的牺牲阳极就是把两种不同的金属（管道-阴极和阳极金属）直接相连接，形成一个腐蚀电池的回路，从而对管道加以保护。此时，钢管道在电气上与一种电动势序比它高（活泼）的金属连接在一起。两者处于一个共用的、导电的电解液（例如土壤）中，形成了一个完整的电回路。242.1.2.牺牲阳极是如何工作的？（1A） 在此电回路中，作为阳极的这种金属越活泼（电动势

8、序越高），它就越易于被腐蚀。即在此过程中，它就放出更多的（正）电（子）流。而作为阴极的管道（或金属结构）就被保护，免于或减轻了腐蚀。 锰和锌正是这样的一些可作为阳极的金属材料。252.1.2.牺牲阳极是如何工作的？（1-1） 如果我们能确定对一条管道进行阴极保护的电流密度（单位表面积上的电流）值。那么，我们就能够在设计中确定阳极系统所使用的阳极材料的尺寸和阳极地床的数量。因为正是这个阳极连续地、在期望的系统寿命期内，提供了所期望的电流输出量。262.1.3.牺牲阳极的应用 （1） 对于管道，牺牲阳极一般应用在需要的电流相对比较小的场合；以及土壤电阻率足够低（易于导电）的场合。以便在合理的阳极数

9、量下，能够获得所期望的电流值（大小）。如果需要大量的电流，一般来说，还是应用强加电流的阴极保护系统更为经济。272.1.3.牺牲阳极的应用 （1-1） 一个具有良好涂层、并采用了强加电流的阴极保护系统的管道，可能有一些个别的地方需要加以保护。这些地方需要相对小的额外电流。这些要求可以同通过采用牺牲阳极的办法加以满足。282.1.3.牺牲阳极的应用 （1-2） 典型的应用包括涂层很差或不完整的埋地阀门、设施；不能够进行清理的短套管；或管子涂层已经受到严重损坏的个别管段，以及一些管段虽然已经由远处的强加电流系统供电保护，但是，由于电气屏蔽等外部因素已经损害了保护电流的分布状况的地段等等。292.1

10、.3.牺牲阳极的应用 （1-3） 牺牲阳极（通常使用锌）也有可能应用在管道泵站的电气接地、跨越绝缘接头等位置处。作为接地极使用的锌棒不仅是有效的电气接地极；同时也提供了对该设备；或设施的CP。302.1.3.牺牲阳极的应用 （1-4） 管道有可能通过已经有许多地下金属结构的地方。在这些地方安装强加电流的阴极保护系统；又不产生杂散电流和相互之间电气干扰的问题难于达到。在这样的条件下，作为一种阴极保护的电源提供者，牺牲阳极的方法可能是一种经济的选择。312.2. 强加电流的阴极保护 (1) 变压整流器 阳极电缆 阴极电缆 强加电流的阳极 管道 测试桩图2.1 强加电流阴极保护系统的主要组成部分 3

11、22.2.1 电源 A）变压整流器 由下列主要部分组成： 一台变压器把引进一级线圈的高压交流电降压为次级线圈的低压交流电。次级线圈的不同抽头容许选择输出电压高低的范围。332.2.1 电源- A）变压整流器(2) 一台整流装置（器）将交流电变为直流电，并输出平稳的直流电压，同时保证在较高电压下使用时都有高的效率（通常采用全波硅二极管进行整流）。这就是向管道（段）供应直流电的主要设备：变压整流器。342.2.1 电源- A）变压整流器(3) 有一个适于室外安装的机箱。还有交流电断路器和直流电输出的电流、电压等参数的测量仪表。352.2.1. 电源- A）变压整流器 (4) 变压整流器的控制方法包

12、括输出稳定的电压、稳定的电流，以及稳定的电势调节、控制等等。362.2.1 电源- A）变压整流(4-1) 一般管道系统使用的都是自动稳压（电势）整流器。这类设备可以自动地在它保护的管段上维持一个稳定的保护电势。它能按照管道需要的保护电流改变其其电压的大小。372.2.1. 电源 - A）变压整流器 (5) 自动稳压（电势）整流器（图2.2) 与过去常用的传统整流器（它常需要手动调节变压器的次级线圈的接头，以改变输出的电压）不同。它有一个灵敏的监测回路。该回路连续地监测着管道与土壤之间的电势变化，并以根据此测量值自动地调节向被保护管道输出的电流值。382.2.1 电源 - A）变压整流器(6)

13、 如果按照管道到土壤的电势（管道和参考电极之间），已经（通过电气控制器）将变压整流器应输出的保护电势值设置好。那末，服役电势在绝对值上的任何增加，将使腐蚀反应参与者的电抗值增加。而电抗的增加将使输出保护电势返回到原先的设置值处。392.2.1 电源 - A）变压整流器 (6A) 同样地，如果管道和参考电极之间的服役电势在绝对值上的有任何的降低，它将使腐蚀反应参与者的电抗值相应地降低。电抗值的降低将使电势升高，而使该输出保护电势回到原先的设置。40图2.2 油冷变压-整流器41B) 其它电源 - 概述 （1） 通常阴极保护的电源是从一台正在操作的整流变压器上引出。在那些不能使用整流变压器的地方，

14、可以使用其它类型的电源。例如柴油发电机组、太阳能供电系统、风力发电机组、温差发电、或透平机组发电等。42B)太阳能供电系统图太阳能板控制器蓄电池负荷43B) 太阳能供电系统（2） 在阴极保护系统中使用的太阳能供电系统主要由许多光电伏特电池板（太阳能板）和电池充电控制器和输出调节器组成。44B)太阳能供电系统（3） A）太阳能板 由各种高效的单块，或多块的晶体太阳能模块组成。它高效地将光能转化为电能。电池具有增透涂层（增透膜）。45B)太阳能供电系统（4） B）电池充、放电控制器 为了防止蓄电池过度充电，在蓄电瓶中出现气体；或过度放电。通常要使用一台电池充电控制器。用来控制蓄电池的充、放电程度。

15、46B）太阳能供电系统（5） 系统中管理电流的设备中，有一个带有电源晶体管的固态开关-调节分路器。通过设定它的电流限值，以保护蓄电池不至于过度充电。通过它将太阳能板以最短的回路连接在一起操作。它也保护着蓄电池不会过度放电，这是通过自动断开供电负荷而暂时停止工作。47B) 太阳能供电系统（6） 蓄电池的过度放电限值（阈值）是可调节的。并按照一种滞后曲线自动再连接。对于充、放电时，蓄电池的瞬时温度值是通过一个PTC （压力-温度控制器）来检测和控制的。48B) 太阳能供电系统（7） C）阴极输出调节器 该输出调节器是一台专用的阴极保护控制装置。输出调节器保证了供给管道的稳定电源（它并不考虑阳极地床

16、的电阻率）。它将供给管道的电流/电压值控制在预先设定的水平上；或者依据检测后所返回的参数（通过采用参考电极），将它输出的电流/电压值维持在预先设定的限值处。49B)太阳能供电系统（7-1） 阴极输出调节器输出的电压/电流值，在一个很宽的范围内是连续可调的。该调节器使用着DC-DC（直流-直流）转换。它与太阳能板一起，以标准的12、24V（伏），或48V（伏）工作。为了保持高电源效率，它可以选择上述任何一种电势作为输出的电压。50B) 太阳能供电系统（7-2） 输出调节器也能配合数字仪表使用。如配合一台可改变接通断开时间循环范围的输出电流断路器使用。这一特点具有极好的实用价值。因为这就能使在现场

17、的腐蚀工程师方便、准确地来测试阴极的极化电势和每一个供电系统保护管道的功能。51B) 太阳能供电系统 （7-3） C）电池 太阳能蓄电池的充电和放电机制与通常使用的蓄电池不同。后者充、放电速度十分缓慢。而电池的容量相对较低。因此，普通的标准蓄电池并不能够作为太阳能蓄电池使用。对于太阳能蓄电池，诸如充电效率、自放电、充电时的温度、循环寿命和维护要求等等许多因素都应加以考虑。可惜对于这些特性，并没有几个供应商加以公布。52B)太阳能供电系统（7-4） 对于太阳能板排、板的结构、密闭类型、服役能力、电解液的密度等等，以及选择的详细要求都需要由不同专业的工程技术人员在一起加以确定。532.2.2. 强

18、加电流阴极保护的阳极- C）阳极材料 (1) 一般地说，阳极材料的最重要性质就是材料消耗与电流密度之间的关系。542.2.2.强加电流阴极保护的阳极- C）阳极材料(2) 如果使用钢材作为阳极材料的话，每公斤钢材所能提供的电流和消耗时间乘积约为0.11(安倍.年/公斤)。也就是说，每1安倍.年，至少要消耗9公斤的钢材。552.2.2. 强加电流阴极保护的阳极 - C）阳极材料 (3) 把石墨用作阳极材料,可以操作的电流密度为2.5 A/m2 10 A/m2。一般是用蜡；或人造树脂浸渍的石墨，以填充它的孔隙。它的消耗率比铸铁和钢材都要低。作为阳极使用，可达到比较满意的程度。 562.2.2.强加

19、电流阴极保护的阳极 - C）阳极材料(4) 高硅铸铁可以在电流密度为5A/m2 50A/m2的条件下用作阳极。根据阳极的形状和使用条件，此时的消耗率为0.2公斤/安倍.年1公斤/安倍.年 。高硅铸铁很适合用作埋地管道和水下管道的阴极保护系统的阳极地床。572.2.2.强加电流阴极保护的阳极 - C）阳极材料(5) 磁性氧化铁阳极的消耗速率低于5克/安倍.年。它可以在土壤、淡水和海水中使用。这种材料很脆，在运输应特别注意这一特性。582.2.2.强加电流阴极保护的阳极 - C）阳极材料 (6) 当阳极材料埋地时，上述各种材料总是与回填的焦炭一起使用。使用焦炭的目的是要降低阳极与土壤之间的电阻。从

20、而降低了阳极的消耗速度。592.2.3支持设备 D）绝缘接头(1) 设计阴极保护系统时,常常需要把已经进行了很好涂层的管道与涂层很差的设备；或完全裸体的设备相连接。例如：与泵站、储罐配管相连；或与电气接地装置相连等。这些设备或装置将会在阴极保护系统中形成一个很大的电流排放点。这对阴极保护系统很不利。60 2.2.3支持设备- D）绝缘接头(2) 另外，在不同的金属之间也可能需要进行电气绝缘。同样，在强加电流的阴极保护系统和牺牲阳极的阴极保护系统的设备、装置之间也需要进行电气绝缘。以便限制和消除相互之间的影响；或限制和消除各种杂散电流之间的相互影响。612.2.3支持设备 E）测试桩(3) 各种

21、永久性的测试桩（绝缘的导线和接头与管道和测试桩相连接；并与地面上的终端接线箱连接）以适当的间距沿管道的路径安装和设置。以便用于阴极保护的功能和效果的检查、监测和控制。622.2.3支持设备 - A）测试桩的分布(4) (3) 测试桩的分布 通常每公里测试桩的数量不少于一个。在某些特殊的地区；或重要位置处，可能需要附加的测试桩。例如：在使用了套管保护的地方；在两条管道相交叉的位置处；在管道的绝缘接头处；在河流穿越处；以及在土壤具有很大侵蚀性的那些地方等等。632.2.3支持设备 - A ）测试桩的分布 (5) 管道施工阶段，当管道铺设在其它管道或金属结构附近时，也许安装附加的测试桩是值得的。这样

22、一来，就有利于以后进行它们之间电气相互影响的测试。642.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型(6) 1、 STP (单头测试桩) 用于测试管道对土壤的电势值。 652.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型 (7) 2、 CTP (套管测试桩) 用于检查管道与套管两者之间的电气绝缘状况。同时，也用于测量管道对土壤的电势值。 662.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型 (8) 3、 IJC (绝缘接头测试桩) 用于检查绝缘接头使用的有效性；以及测定管道对土壤的电势值。.672.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型 (9) 4、ATP (安倍电流测试桩)-用于管道电流值的测量；以及用于管

23、道对土壤电势值的测量。 682.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型 (10) 5、 ETP (穿越原有管道或结构测试桩) 用于检查现在铺设管道与原有管道/结构之间的相互影响。也用于测量管道对土壤的电势值。 692.2.3支持设备 - B) 测试桩的类型(11) 6、 ETP (等电位测试桩) 通过使用一个可变电阻，连接两条电气绝缘的平行管道。从而可以测定两者之间的电势（位）大小。也用于测定管道对土壤的电势值。70减轻腐蚀的方法复习题 (1)1. 可以保护埋地管道的方法有 。 a) 涂层 b) 阴极保护 c) 阳极保护 d) a 和 b 71减轻腐蚀的方法复习题 (2)2. 涂层的功能是 。 a) 有效的电气绝缘材料 b) 一种有效的电气绝缘体 c) 降低提供阴极保