管道阴极保护培训

管道阴极保护系统培训西安石油大学机械工程学院陈chen@2011年7月1/13/20231理解金属腐蚀与控制原理掌握埋地管道外腐蚀防护的方法掌握三层PE防腐层结构理解管道阴极保护原理掌握外加电流阴极保护系统结构掌握管道阴极保护准则上午培训目的1/13/20232第一章金属的腐蚀与控制第二章管道外防腐层第三章管道阴极保护系统第四章管道阴极保护准则第五章管道阴极保护主要参数培训内容1/13/20233第一章金属的腐蚀与控制1/13/20234第一章金属的腐蚀与控制1/13/20235第一章金属的腐蚀与控制1/13/20236第一章金属的腐蚀与控制腐蚀损失

UK：1969年为13.65亿英镑，3.5%GDP。

US：1975年，700亿4.2%GDP，1982年，1260亿，1992年，1700亿。

NACE新统计为3000亿，GDP4.2%，其中基础设施为1500亿。

中国石油行业：1987年统计，漏泄：容器0.14次/台年，管道2万/年；1989年，石化约20亿；2003年10月发表的《中国腐蚀调查报告》指出：我国腐蚀损失为5000亿元/年，5%GDP，其中20%可以避免，占1000亿元。1/13/20237腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素之一。据美国国家输送局统计，美国45%的管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和集气管线的泄露事故中，有74％是腐蚀造成的。1981-1987年前苏联输气管道事故统计表明，总长约24万公里的管线上曾发生事故1210次，其中外腐蚀517次，占事故的42.7％；内腐蚀29次，占2.4%；因施工质量问题造成的事故280次，占23.2%。随着管道的大量敷设和运行时间延长，管道事故时有发生。由于管道所输送的物质一般为有害物质，一旦发生泄漏或断裂，就会对其周围的环境和人员产生严重的后果。例如，1960年美国Transwestern公司的一条X56钢级的、直径为762毫米的输气管道破裂，破裂长度达13公里。1989年6月苏联拉乌尔山隧道附近由于对天然气管道维护不当，造成天然气泄漏，随后引起大爆炸，烧毁了两列铁路列车，死伤800多人，成为1989年震惊世界的灾难性事故。六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。管道腐蚀防护的意义1/13/20238第一章金属的腐蚀与控制思考：大家都知道，铁放在潮湿的空气中一段时间会生锈，谁知道这是为什么？铁生锈是铁与空气中的氧气和水接触，发生电化学反应，而产生的一种电化学腐蚀。4Fe+3O2+H2O=2Fe2O3·H2O铁失去电子被氧化；氧得到电子被还原。 阳极反应：Fe+nH2O→Fe2+·nH2O+2e

阴极反应：1/2O2+H2O+2e→2OH-1/13/20239腐蚀概念

ISO定义：金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化，并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学性质，伴随着氧化-还原反应的发生。（见GB/T10123-2001）

金属的电化学腐蚀：不纯的金属或合金与电解质溶液接触，会发生原电池反应，比较活泼的金属失电子被氧化的腐蚀。

腐蚀的本质：金属发生氧化-还原反应。

油气管道，特别是长输管道所选用的管材常为碳钢或合金钢，金属腐蚀是管道保护过程中要解决的主要问题。第一章金属的腐蚀与控制1/13/202310腐蚀原电池—电化学腐蚀的前提金属回路：连接阴极和阳极的任何金属；阴极：被保护的部分，得电子；阳极：被腐蚀的部分，自身失去电子；电解质：导电介质。Fe阳极

C阴极导线Fe2+

0Hˉeˉ腐蚀原电池1/13/202311第一章金属的腐蚀与控制金属电化学腐蚀热力学金属从矿石中提炼出来时，需要提供很大的能量，使其处于一个高能级状态。这些矿石是典型的金属氧化物，如用来炼钢的赤铁矿（Fe2O3）。热力学的一个规律是：材料总是趋向于以最低能量状态存在。因此，多数的金属处于热力学不稳定状态，具有寻求低能量状态的倾向，如形成氧化物或其他化合物。金属转化成低能量氧化物的过程就是腐蚀。1/13/202312第一章金属的腐蚀与控制金属电化学腐蚀动力学金属在电解质中受自身材质、电解液种类、电解液浓度、温度、PH值等影响其电极电位不相同。当这些金属在电解液中作为腐蚀电池的阴、阳极时会产生电位差，引起腐蚀电池中的电流流动，即腐蚀电流。腐蚀的驱动力是电极电位差。1/13/202313第一章金属的腐蚀与控制碳-铁电池在中性土壤中的腐蚀图0.3V（C）-0.5V（Fe）

阴极阳极E（V）+㏒i-0.1V1/13/202314第一章金属的腐蚀与控制金属腐蚀的分类按腐蚀机理分类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀按腐蚀破坏的形貌特征分类：全面腐蚀、局部腐蚀按腐蚀环境分类：大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀以及化学介质中的腐蚀。1/13/202315土壤腐蚀土壤的腐蚀性土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，故土壤是一种腐蚀性电解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。土壤中含有多种无机物质和有机物质，这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性，又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的，因此长距离的地下管道和大尺寸的地下设施，其各个部位接触的土壤的结构和性质可能有较大的变化。土壤中还有大量微生物，对金属腐蚀能起加速作用。1/13/202316土壤腐蚀埋地管道的外腐蚀由于钢管的材质不同；土壤环境中的透气性、含水量、酸度、含盐量、电阻率、氧气浓度等不同；使得管道在土壤中的电位不同，从而在管道表面形成阴、阳极，驱动腐蚀的发生。管道是金属回路、土壤是电解质。钢铁表面的微小原电池示意图阳极（Fe）：Fe-2e=Fe2+

阴极（C）：2H2O+O2+4e=4OH-4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3（铁锈）1/13/202317土壤中的腐蚀电池通过组成、结构不同的土壤，形成长距离腐蚀宏电池：氧的渗透性不同而造成氧浓差电池其中一种土壤含有硫化物、有机酸或工业污水腐蚀电流（长线电流）可达5A

流动的范围可超过1.5Km管道在不同结构的土壤中形成的氧浓差电池1/13/202318土壤中的腐蚀电池局部不均匀性所引起的腐蚀宏电池与土壤中石块等夹杂物接触处，石块等阻止氧的传输，该部位金属为阳极；与土壤本体接触处，氧可通过土壤本体传输，该处的金属为阴极。金属所处状态的差异

异金属接触、温差、应力埋设深度不同及边缘效应较深的部位－阳极较浅的部位－阴极1旧管道（阴极），2新管道（阳极）1/13/202319土壤腐蚀影响土壤腐蚀性的因素主要因素有：含水量、含盐量、pH值、电阻率。土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。pH值愈低，土壤腐蚀性愈强。1/13/202320土壤腐蚀土壤腐蚀性划分标准极强强中弱极弱土壤电阻率(.m)<1010-2525-5050-100>100土壤含盐量(%)>0.750.75-0.10.1-0.050.05-0.01<0.01土壤含水量(%)12-2512-1010-77-3<3土壤PH值<4.54.5-5.55.5-77-8.5>8.5按电阻率(.m)判断土壤腐蚀性

低较低中等较高高特高中国>5020-50<20英国>3520-30<15美国>5020-5010-207-10<7原苏联>10020-10010-205-10<5日本>6045-6020-45<20法国>10050-10020-50<201/13/202321土壤腐蚀低碳钢材料在中国不同地区土壤的腐蚀数据1/13/202322影响土壤腐蚀性的因素杂散电流杂散电流是指直流电源设备漏电进入土壤产生的电流，对地下管道、贮罐、电缆等金属设施，造成严重的腐蚀破坏。杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区，金属发生氧化反应转变为离子进入土壤。腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比，可以按法拉弟电解定律进行估算。

1/13/202323杂散电流从电车轨道漏出的杂散电流对土壤中钢铁管道的腐蚀作用图解

根据Akumob引自（金属腐蚀理论及其研究方法）P133

电车电流流出

轨道阳极区域（严重腐蚀）

阴极区域

架空线＋1/13/202324细菌腐蚀或微生物腐蚀细菌在腐蚀过程中的作用包括：有的细菌的生命活动的代谢产物具有很强的腐蚀性有的细菌的生命活动能促进金属腐蚀的阴极反应，影响电极反应动力学过程。有的细菌活动改变了金属周围的环境条件，如氧浓度，盐浓度，pH值，增加土壤的不均匀性。有的细菌活动能破坏金属表面保护性覆盖层的稳定性，或使缓蚀剂分解失效。1/13/202325土壤腐蚀性的估计确定土壤的腐蚀性：电阻率法测定极化特征的极化曲线法测定土壤腐蚀速度的极化阻力法氧化还原电位法1/13/202326（1）减小土壤的腐蚀性加强排水，降低地下水位，保持土壤干燥。在酸性土壤地段，可以在钢管周围填充石灰石碎块。在埋置管道时用腐蚀性较小的土壤回填。（2）覆盖层保护石油沥青层有良好的防水性和耐蚀性。氧煤焦沥青涂层耐蚀性很好，但毒性大。塑料粘结带的防护性能优于石油沥青，且适宜长距离管道的现场机械化施工，但费用较高。（3）阴极保护和涂料联合阴极保护和涂料联合是保护地下钢铁管道最经济有效的方法。埋地管道外腐蚀防护1/13/202327埋地管道外腐蚀防护采用外涂层和施加阴极保护是管道外腐蚀防护的主要手段尽管管道的绝大多数表面都被涂层有效地保护着，但是在漏点处或是剥离区中将会产生较高的腐蚀速率，很可能导致穿孔或开裂。所以埋地管线的涂层系统少有不与阴极保护共同使用的。阴极保护分类：牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。目前管道常采用外加电流阴极保护的方式。1/13/202328埋地管道外腐蚀防护管道防腐蚀保护示意图金属+土壤 腐蚀1/13/202329埋地管道外腐蚀防护金属+土壤 腐蚀涂层将金属与土壤隔离开1/13/202330埋地管道外腐蚀防护

金属+土壤腐蚀涂层将金属与土壤隔离开阴极保护针对有的缺陷涂层1/13/202331埋地管道外腐蚀防护整流器将交流电流转变成脉动直流电流1/13/202332埋地管道外腐蚀防护通过涂层+阴极保护，最终形成一个完整的管道保护系统。1/13/202333第二章管道外防腐层防腐层的用意是要在金属表面上形成一层绝缘材料的连续覆盖层，将金属与其直接接触的电解质之间进行绝缘（防止电解质直接接触到金属），也就是设置一个高电阻使得电化学反应无法正常发生。在现实中，所有的防腐层，不论总体质量如何都存在不连续点，也被称做漏点，这些漏点一般是在涂敷、运输或者安装过程中产生的。很多管道从竣工投产到以后的日常运行中，经常处于外防腐层有严重破损的状态下。防腐层漏点一般是由于防腐层老化、土壤应力或是管道在土壤中移动而产生的，有时也可能来自未被及时发现的第三方破坏。1/13/202334第二章管道外防腐层涂层优点不足煤焦油瓷漆80年+的使用寿命，针孔少与钢材黏结力高，抗阴极剥离对健康和空气质量的影响

工厂预制缠带系统30年+的使用寿命，针孔少，与钢材黏结力高屏蔽土壤中的阴保电流

熔结环氧双层熔结环氧35+年的使用寿命，针孔少，与钢材黏结力高，抗阴极剥离抗冲击磨损能力较低吸湿率高

多层环氧/挤出聚烯烃系统

低的保护电流需要量，高的抗阴极剥离能力，与钢材优异的黏结性，高抗冲击和磨损性能

原始投入高，可能对阴保电流造成屏蔽

管道常用外涂层种类1/13/202335第二章管道外防腐层三层PE防腐层管道埋地干线防腐采用三层PE防腐涂层，其结构为：

底层：熔结环氧底层，厚度≥100μm；

中间层：共聚物热熔胶厚度170～250μm；

外层（背层）：聚乙烯防腐层，厚度≥3.0或≥3.7mm。根据德国调研数据，三层PE涂层的使用寿命在30年以上，是一种性能优异的外防腐涂层。从强度方面考虑，三层PE分为普通型和加强型（穿跨越段），普通型涂层总厚度为3.0mm左右，加强型涂层总厚度超过3.7mm。1/13/202336三层PE结构示意图第二章管道外防腐层1/13/202337第三章管道阴极保护系统阴极保护原理如果外加阴极极化电流，金属的腐蚀电位将由原来的Ecorr移至Eal，而金属的腐蚀电流就由Icorr降到Ial，其外加的阴极电流称为保护电流I保。如果继续增大外加阴极电流，使金属的电位移至阳极的初始电位，即E=Ea0，则金属上的阳极溶解电流Ia=0，表示微电池腐蚀停止，金属即得到了完全保护。1/13/202338第三章管道阴极保护系统阴极保护原理对被保护金属施加负电流，通过阴极极化使所有阴极点的电位都达到了最活泼阳极点的开路电位时，结构物上的腐蚀就停止了。1/13/202339阴极保护的两种方法外加电流的阴极保护辅助阳极（不溶性）牺牲阳极的阴极保护1/13/202340牺牲阳极的阴极保护

两种金属相接触而产生的腐蚀电池。在这种腐蚀电池中一种金属比另一种金属活泼而发生腐蚀。在牺牲阳极的阴极保护技术中，就是有意识地运用这种作用建立足够强的异种金属腐蚀电池来抵消通常存在于管道表面的腐蚀电池。通过将一种十分活泼的金属与管道相连接来实现，这种金属将发生腐蚀并由此向管道提供电流。在牺牲阳极阴极保护的情形下，阴极保护并没有减少腐蚀，它其实只是将所保护的结构的腐蚀转移到了牺牲阳极上面。

1/13/202341在一般情况下，牺牲阳极提供的电流是有限的。所以，牺牲阳极阴极保护一般都用在保护所需电流较小的情况下。同样，管道钢材和牺牲阳极金属之间的驱动电压也是有限的。因此，阳极和土壤之间的接触电阻必须很低以使阳极输出有用数量的电流。这也就意味着在一般安装中，牺牲阳极用于低电阻率土壤中（100欧姆·米）。常用的牺牲阳极有镁（Mg）阳极和锌（Zn）阳极。牺牲阳极的阴极保护

1/13/202342土壤电阻率推荐采用的牺牲阳极＞100不宜采用牺牲阳极60～100纯镁、镁锰合金系列15～60镁、铝、锌、锰系列阳极＜30潮湿环境锌合金牺牲阳极＜15锌合金牺牲阳极牺牲阳极的阴极保护

1/13/202343外加电流的阴极保护为避免牺牲阳极的驱动电压有限的问题，可利用阳极地床和一个电源，使电流通过外部电源加到管道表面

。最常用的电源是整流器，该装置把交流电转化为低压直流电，整流器常常配备有在合理范围内精细调节直流输出的功能。阴极保护需要有一个直流电源和一个辅助阳极，放置在距保护构件一定距离的位置上。直流电源的正极连接辅助阳极，负极连接需要保护的构件（管道）。电流从辅助阳极流出，经大地到达管道表面破损处，再沿管道流回电源的负极。1/13/202344直流电源的正极连接辅助阳极，负极连接需要保护的构件（管道）。电流从辅助阳极流出，经电解质到达管道表面（破损处），再流回电源的负极。外加电流阴极保护系统示意图1/13/202345外加电流阴极保护系统的构成电源：外加电流阴极保护电源分为：整流器和恒电位仪两种。整流器：是一种将交流电转变为直流电的装置。由变压器、整流元件、滤波器、控制单元等组成，它机构简单、易于安装、操作维护简便，工作稳定、适应性强。1/13/202346外加电流阴极保护系统的构成恒电位仪：广义地说，恒电位仪也是一种整流器。它是一种能自动地控制管道电位恒定的电子仪器。它有一个控制电位和一个保护电位，恒电位仪的作用，就是控制输出使保护电位和控制电位达到一致。若保护电位偏正则增加输出，若保护电位偏负则减小输出。1/13/202347脉宽调制器参比阳极直流电源电位测量电源欠压保护工作转换误差报警过流保护遥控切换全桥逆变整流滤波遥控通断外加电流阴极保护系统的构成1/13/202348外加电流阴极保护系统的构成

辅助阳极（也称惰性阳极） 一般由高硅铸铁、铂钛或贵金属氧化物和填埋料（通常为焦碳）组成；阳极寿命应尽可能长，选择合适的数量并埋在土壤电阻率较低的位置以降低阳极接地电阻。 辅助阳极地床是阴极保护站重要的辅助设施，通常阳极地床型式可分为深井和水平连续浅埋两种形式，阳极材料采用贵金属氧化物或加铬高硅铸铁等。阴极（即管道）1/13/202349连接电缆：功能是将上述各部分组件，按照技术要求连接成完整的保护系统。电缆类型：－阳极电缆－阴极电缆采用铜芯线，其截面积的大小应保证流经导线的电流密度小于5A/mm2－零位接阴电缆－参比电缆采用截面积不小于6mm2

铜芯线

－接地电缆外加电流阴极保护系统的构成1/13/202350阴极保护正常运行的其它必要设施参比电极：是测量被保护结构物电位的半电池（大家都知道结构物的电位值无法测量，只能通过与某个标准比较才能得出相对电位，参比电极就是这个标准）。管道上最常用的参比电极是铜/硫酸铜参比电极。结构为一根较粗的铜棒用做电极体，浸入饱和硫酸铜溶液。它分为便携和长效两种。长效参比一般埋设在通电点和测试桩附近用于测量管道电位。1/13/202351阴极保护正常运行的其它必要设施测试桩：为了确认已经按照适用准则建立起符合要求的阴极保护，以及阴极保护系统的所有部分都正常运行，进行电性能测量和检测是十分必要的。测试桩是用来测定埋地管线的阴极保护状况以及进行腐蚀控制相关的其他测试工作的最好途径。测试桩根据其功能，其类型为电位测试桩、电流测试桩、绝缘接头测试桩、牺牲阳极测试桩和穿路套管测试桩等。1/13/202352阴极保护正常运行的其它必要设施绝缘件：在长输管线中，绝缘接头用来断开被保护管道和与之相连的某些装置、设备、支路的电连接，避免阴级保护电流散失到不需要保护的相连部件上，以保证阴极保护技术的成功。是管道阴极保护系统中不可缺少的重要管件。在分输站的进出站、阀室放空管、阀室内接地处均设有绝缘接头。电位变送器：电位传送器可将埋地金属管道的管地电位信号(-3～0V)隔离变换成标准工业信号（4～20mA）输出，便于站控系统进行数据采集和处理。在大部分的阀室内均有电位传送器，用于传送管道电位。1/13/202353虽然阴极保护的原理很简单：强制一直流电施加于金属结构以减小腐蚀速率，但是涉及到的一个明显问题是：我们如何知道埋地结构获得了充分保护？有多种准则允许我们判断是否达到充分的保护，其中最常用的准则是电位准则，也就是测量管道与地之间的电位以评估阴极保护电流从环境（土壤或水）流到结构上引起的结构电位相对于环境的变化。有必要定期进行测量和检测，以便及时发现管道阴极保护状况的变化，有时可能需要频繁的测试和检测。

第四章管道阴极保护准则1/13/202354公认的阴极保护准则美国腐蚀工程师协会（NationalAssociationofCorrosionEngineers），简称NACE，成立于1943年，致力于制订预防与控制腐蚀方面的标准，已成为全球腐蚀研究领域中最大的组织。在其标准RP-01-69(1996年版本)第6部分列出了三个用于埋地或水下钢质或铸铁管道阴极保护的基本标准：通电电位-850mV准则极化电位-850mV准则100mV极化值准则1/13/202355通电电位-850mV准则

1、在施加阴极保护时，测得的管道相对饱和硫酸铜参比电极（简称CSE）电位达到-850mV或更负。2、阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mV（CSE）更负。3、以上测量电位时应消除IR降的影响。IR降：根据欧姆定律，由于电流的流动在参比电极与金属管道之间的电解质（土壤）内产生的电压降。防腐工程师需要定期进行测量和检测，以便及时发现管道阴极保护状况的变化。公认的阴极保护准则1/13/202356极化电位-850mV准则这个标准规定，“相对饱和硫酸铜参比电极至少-850mV的负极化电位时”，就获得了准确的保护。极化电位的定义是，“结构和电解质界面上的电位，是腐蚀电位和阴极极化电位的总和。”极化电位是在所有的电流源全部中断后直接测得的，通常指断或瞬间断电位。公认的阴极保护准则1/13/202357100mV极化值准则这个标准规定的是如果“管道表面和与电解质稳定接触的参比电极之间最小的阴极极化电位是100mV”。为满足这个标准可以测量到极化的建立或消除。那么，就实现了正常的阴极保护。在施加阴保前，必须确定埋地结构测试位置处的自然电位。在阴极保护通电、结构有足够的极化时间后再次测量该处电位。通常，在阴保系统通电后，立即在测量位置上连续监测通电电位，在通电电位连续几分钟没有变化后，读取断电电位。将断电电位和自然电位相比较，如果差值超过100mV，那么就可以认为该位置处已经满足了100mV标准。公认的阴极保护准则1/13/202358净保护电流标准这个标准起初是基于这样一个概念得出的：如果结构上任何一点的净电流都是从电解质流向管结构的，那么就不会有任何从结构上流出的腐蚀电流。公认的阴极保护准则1/13/202359第五章管道阴极保护主要参数自然电位自然电位是金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的对地电位。自然电位随着金属结构的材质、表面状况和土质状况，含水量等因素不同而异，一般有涂层埋地管道的自然电位在-0.4～-0.7V（CSE）之间，在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般取平均值-0.55V。1/13/202360最小保护电位

金属达到完全保护所需要的最低电位值。一般认为，金属在电解质溶液中，极化电位达到阳极区的开路电位时，就达到了完全保护。NACERP0169建议“在通电的情况下，埋地钢铁结构最小保护电位为-0.85V