埋地钢制管道阴极保护基础培训

前言腐蚀是材料在各种环境作用下发生的破坏和变质。根据工业发达国家统计调查，每年因腐蚀造成的经济损失占国民生产总值的2%-4%，按此估计，我国每年因腐蚀造成的经济损失至少有二千亿元。

对于公司而言，管道的安全是至关重要的，希望本次培训能对各位同事在阴保技术上有所帮助。由于水平有限，实践不足，错误再所难免，望能批评指正！

-hanxinyang

目录页1管道腐蚀2管道外防腐层3管道阴极保护4管道阴极保护参数测试目录页5管道交直流干扰6管道电危害7对管道运行原则的理解1管道腐蚀目录页第一节腐蚀的定义腐蚀定义可从几方面下定义（1）由于材料与环境作用而引起的破坏和性能退化；（2）除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏；（3）冶金的逆过程。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。（见GB/T10123-2001）第二节金属的腐蚀

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。第二节金属的腐蚀

腐蚀的管道第三节腐蚀的分类

按腐蚀机理，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀三类，通常情况下以电化学腐蚀为主。按腐蚀破坏的形貌特征分类，可分为局部腐蚀、全面腐蚀两类，通常情况下以局部腐蚀为主。第四节电化学腐蚀

电化学腐蚀发生的前提条件是-腐蚀原电池：●有电解质溶液和金属相接触（土壤）；●金属的不同部位或两种金属间存在电极电位差（阳极和阴极）；●电极之间相互连通（管道本体）；

在接近环境温度的情况下，绝大多数常见工程材料的腐蚀发生在含水的环境里，其本质是电化学的。含水环境同样也指那些电解质或是埋地腐蚀时的潮湿土壤。腐蚀过程包括金属失去电子（氧化），产生电流，以及其他还原反应中得到电子。Fe阳极

C阴极导线Fe2+

0Hˉeˉ腐蚀原电池第四节电化学腐蚀

关于土壤腐蚀性的一些知识1、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。2、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。第四节电化学腐蚀

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。1、土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。2、氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。3、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。4、pH值愈低，土壤腐蚀性愈强。第四节电化学腐蚀

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<20第四节电化学腐蚀

关于电极的一些基本知识1、

按电极电位的高低分：电位高者为正极，电位低者为负极，并规定外电路中电流方向：正极

→

负极。2、按电极反应分：发生氧化反应者为阳极，发生还原反应者为阴极。3、一般地，对原电池的电极称正极或负极，对电解池的电极称阳极或阴极。第四节电化学腐蚀

金属电化学腐蚀动力学1、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。2、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。3、腐蚀的驱动力是电极电位差。第五节腐蚀的控制1、防腐层-隔离电解质2、绝缘接头-中断金属通道3、施加阴极保护-消除阴极、阳极目录页2管道外防腐层第一节防腐层概念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。在用防腐层的老化有可能导致防腐层从管道表面剥离，进而将金属暴露在地下环境中。第一节防腐层概念理想的外防腐层应具有如下特性：（1）有效的电绝缘体；（2）有效的水分屏障；（3）涂敷方法和过程对管子不产生不利影响；（4）采用产生最少缺陷的方法涂敷到管子上；（5）与管子表面有很好的附着力；（6）抵抗随时间推移产生的漏点的能力；（7）抵抗转运处理、保管储存、安装过程中的损伤的能力；（8）在长时间保持稳定的电阻率；（9）抗剥离；（10）抗化学降解；（11）容易修理；（12）保持物理特性；（13）对环境没有毒害性；（14）抵抗地面储存和长途运输过程中的变化和恶化的能力。第一节防腐层概念外防腐层选择要考虑的因素包括：（1）环境类型；（2）管线系统在地理位置上的易接近性；（3）管线系统的运行温度；（4）在运输、保管储存、架设、安装和压力测试过程中的 周围环境温度；（5）管线的地理和物理位置；（6）系统中已有管线的外防腐层类型；（7）转运处理和保管储存；（8）管线安装方法；（9）成本；（10）管子表面预处理要求。第二节石油沥青防腐层

石油沥青防腐层的特点：(1)石油沥青属于热塑性材料，低温时硬而脆，随温度升高变成可塑状态，升高至软化点以上则具有可流动性，发生沥青流淌的现象。

(2)沥青的密度在1.01～1.07g／cm3之间。

(3)沥青的耐击穿电压随硬度的增加而增加，随温度的升高而降低。

(4)抗植物根茎穿透性能差。

(5)不耐微生物腐蚀第三节煤焦油瓷漆防腐层煤焦油瓷漆防腐层的特点：(1)吸水率低，抗水渗透。

(2)优良的化学惰性，耐溶剂和石油产品侵蚀。

(3)电绝缘性能好。

(4)粘结性优于石油沥青。

(5)抗植物根茎穿透和耐微生物腐蚀。

(6)低温发脆，热稳定性差。

(7)施工熬制和浇涂的过程中容易溢出有害物质，对环境和人体健康有影响。 我国塔中轮南原油和天然气管道、靖边西安天然气管道等均采用煤焦油瓷漆防腐层第四节环氧煤沥青防腐层环氧煤沥青防腐蚀层的特点由环氧树脂、煤沥青、固化剂及防锈颜料所组成的环氧煤沥青防腐涂料具有：

(1)强度高、绝缘好、耐水、耐热、耐腐蚀介质、抗菌等性能，适用于水下管道及金属构筑物防腐。

(2)施工简单(冷涂工艺)、操作安全、施工机具少等优点。

(3)较石油沥青、煤焦油瓷漆更优越。

(4)环氧煤沥青防腐蚀层属于薄型涂层，厚度小于1mm，而且对钢管表面处理、环境温度、湿度等条件要求很严，稍有疏忽就会产生针孔，影响防腐效果。因此，施工中应特别注意。 环氧煤沥青防腐层在我国石油及供水工程中应用较为广泛。第五节熔结环氧（FBE）防腐层熔结环氧（FBE）防腐层特点：目前该防腐层系统厚度发展到从最小12密尔涂敷到25密尔（304.8-635µm），并且从需要底漆和加热发展到不需要底漆并且多数情况下不需要加热。上世纪90年代，新的双层熔结环氧发明，提高了抗吸湿和抗磨损的能力。熔结环氧防腐层涂敷工艺中每个步骤要求都非常严格，需要仔细、认真完成以保证防腐层质量。表面处理必须达到NACENo.2标准中的近白级金属表面，这样才能在熔结环氧涂敷后保证合格。其最大的特点是良好的土壤和阴极剥离的抵抗能力。为提高该防腐层系统的机械性能，目前趋向于按16密尔（406.4µm）的标准涂敷得更厚。第六节三层PE防腐层采用聚乙烯对钢管进行防腐，是近年来逐步推广开来的一种钢管防腐技术。聚乙烯涂层的主要特点是：(1)防腐性能极佳，可耐受在自然环境下存在的各种腐蚀。

(2)具有较高的质价比。

(3)绝缘性能极好，而且在干燥条件下与长期浸水条件下电性能基本不变，可有效的防止杂散电流引起的电化学腐蚀；。

(4)耐微生物腐蚀及深根植物根刺能力强，不发生植物根穿透现象；

(5)强度高，可以直接用含有直径≤Φ25mm的非人工粉碎砾石的土回填而不会造成任何损伤；(6)抗阴极剥离能力强；

(7)产品质量稳定，有利于全面质量控制；

(8)使用寿命长，在≤60℃的条件下可以使用50年以上；第六节三层PE防腐层第六节三层PE防腐层底层：熔结环氧底层（primer）,厚度60～80μm；中间层：共聚物热熔胶(adhesive),厚度170～250μm；

外层（背层）：聚乙烯防腐层（polyethylene）,厚度2.5～3.2mm第六节防腐层的补伤完成焊接的管道，一般需要下沟、回填使其成为埋地管道，为及时发现和修补在各施工环节中涂层存在的缺陷，回填前必须对管道进行涂层检漏和补伤，最常用的检漏仪器通常都是用电池并配有一些类型的管道环型电极。电极安装应方便操作者能将环型电极在管道表面推过或拉过，以使得电极能够扫过涂层表面的所有部分。常用的补伤材料为辐射交联聚乙烯补伤片。对于小于30mm的缺陷，补伤时先将破损处污物清除，破损处周围原PE涂层打毛，切成圆形，边缘打成钝角，将整个须修补部位加热后，在破损处填满补伤用胶粘剂，最后贴上补伤片。对于大于30mm的缺陷，使用上述方法补伤后，建议外部再用热收缩带补伤。目录页3管道阴极保护第一节阴极保护原理化学腐蚀电化腐蚀条件金属跟非金属单质直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被氧化联系两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍第一节阴极保护原理阴极保护的原理就是用外电流实现阴极极化，使局部电池的阴极区域达到其阳极开路电位，表面变成等电位腐蚀电流不再流动。在工程条件下，任何一条管线表面都会出现阳极区和阴极区，在阳极区电流由管道钢表面流出，进入周围环境电解质（土壤和水），管线在该区域将会发生腐蚀。在阴极区，电流由电解质流到管道表面上，该区域的腐蚀速率将减小。基于以上观点，很明显，若使得管线表面暴露的每一点都有电流流入，那么就可以减小腐蚀速率。准确地说，这就是阴极保护所要完成的任务，强制直流电流入管线的表面上，就可以使管线的电位向负方向偏移，导致金属腐蚀速率减小。第二节极化的概念极化(polarizing)：由于净电流的流入或流出而在电极上引起的电位变化称为极化。电位的变化方向总是反抗平衡的移动，也就是说反抗电流的流动。阴极电位向负的方向偏离，阳极电位向正的方向偏离，使得阴极和阳极之间的电位差减小，如果电池的电阻不发生变化，电动势的减小会使电流减弱。第三节极化对腐蚀速率的影响电解质电阻和电极极化，这两个因素都限制了原电池产生的电流。因为在金属表面的局部电池中，其电极常彼此紧靠在一起，因此电解质电阻与极化这个较重要因素相比则退居第二位。当极化主要发生在阴极区时，称腐蚀速率受阴极控制，此时腐蚀电位接近于阳极开路电位。当电解质电阻非常之高，以致产生的电流不足以引起显著的阳极极化或阴极机化时，称为电阻控制。第四节阴极保护系统

阴极保护就是通过使金属表面成为电化学电池的阴极而减少腐蚀速率的技术。它是通过使用外电源施加电流（称为强制电流）或牺牲阳极，使金属的电位向负的方向移动来实现的。强制电流阴极保护是通过供电的方式将电流强加在金属和埋在地下的阳极上，电源称为整流器；在牺牲阳极系统中，利用牺牲阳极材料，例如，锌或镁与管道钢材之间的电动序的关系来提供所需的电流。第五节阴极保护的类型

牺牲阳极的阴极保护外加电流的阴极保护第六节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。这是通过将一种十分活泼的金属与管道相连接来实现的。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.第六节牺牲阳极的阴极保护

牺牲阳极阴保系统FIK阳极测试桩阴极电缆填料包FIK1FIK阳极电缆第六节牺牲阳极的阴极保护

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)阳极第六节牺牲阳极的阴极保护

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锌合金牺牲阳极第六节牺牲阳极的阴极保护

牺牲阳极用量计算I=阳极电流输出(Amps)t=设计寿命(years)U=电流效率(0.5)Z=理论电容量(2200Ah/kg)Q=阳极使用率85%W=阳极重量(Kg)第七节强制电流的阴极保护

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。

第七节强制电流的阴极保护

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。。第七节强制电流的阴极保护

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。第七节强制电流的阴极保护

运行率percentageofeffectnessoperation年度内阴极保护有效投运时间与全年时间的比率，GB/T21447第八节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。

第八节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、排流测试桩、绝缘接头测试桩、智能电位测试桩第八节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。目录页

4管道阴极保护参数测试第一节阴极保护的准则

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。第一节阴极保护的准则

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（不建议采纳，存在IR降、交直流干扰，应将通电标准上调至-900mV）极化电位-850mV准则100mV极化值准则第一节阴极保护的准则

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。（GB/T21448-2008）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。第一节阴极保护的准则

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。第一节阴极保护的准则

100mV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。第一节阴极保护的准则

在土壤电阻率100Ω.m至1000Ω.m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-750mV；在土壤电阻率大于1000Ω.米的环境中的管道，阴极保护电位宜负于-650mV。

在厌氧菌或SRB（硫酸盐还原菌）及其他有害菌土壤环境中，管道阴极保护电位应为-950mV或更负。

对高强度钢（最小屈服强度大于550Mpa)和耐蚀合金钢，如马氏体不锈钢，双相不锈钢等，极限保护电位则要根据实际析氢电位来确定。其保护电位