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1、长输管线防腐技术,机械工程硕士论文本篇论文目录导航：【题目】【第一章】【第二章】【第三章】 长输管线防腐技术【第四章】【结论/以下为参考文献】 第三章 长输管线防腐技术 当前长输管线应用最为广泛的防腐技术为管道外加防腐涂层和阴极保卫的防腐方式方法，本章通过查阅近年来的相关文献，从理论方面对长输管道的防腐技术做了简单的描绘叙述。 3.1 阴极保卫基本原理和机理。 图中纵坐标表示电极电位 E,横坐标表示电流强度 I,金属外表腐蚀电池阳极的初始平衡电极电位为 Ea、金属外表腐蚀电池阴极的初始平衡电极电位为 Ec,阴极、阳极的极化曲线分别由 EcS 与 EaS 代表。未通入外电流前，腐蚀电池的阳极极化
2、曲线和阴极极化曲线交于点 S,点 S 所对应的电位为腐蚀电池的自腐蚀电位 E腐,与此相对应的自腐蚀电流为 I腐.I腐表示当电池的回路电阻等于零时，电池中流过的电流，即电池可能到达的最大腐蚀电流限度，此时两极的电极电位相等，为腐蚀电位 E腐.在腐蚀电流作用下，金属外表阳极不断溶解，发生腐蚀毁坏。通入外加电流后，即我们施加一个阴极电流，由电解质流入阴极的电流量增加，造成阴极的进一步极化而使电位降低，金属的自腐蚀电位向负方向移动。例如流入阴极的极化电流为 Ip 时，金属总电位负移其电位降至 Eh,此时由阳极流出的腐蚀电流由 I腐降至 It,图中 Ip 与 It 的差值即为由辅助阳极流出的外加电流量，
3、由图可知，Ip 由外加电流的相当于 TP 线段和阳极溶解产生的电流相当于DT 段两者组成。可见阳极溶解的电流 It I腐,此时长输管线已经保卫。为了使被保卫金属到达完全保卫，我们把外加电流不断增大，电位不断向负方向移动，当的极化电位负移到阳极的初始电位 Ea 时，腐蚀电流趋于零，则长输管线得到了完全保卫。即没有腐蚀电流从金属上流出，此时流入阴极的电流为 In,全部是由辅助阳极流出的外加电流。 此时的外加电流 In 就是使金属到达完全保卫所需的电流12. 简单的讲阴极保卫的原理即是利用电化学腐蚀的基本原理对管线进行电化学保卫，由电化学腐蚀经过能够看出 Fe 原子失去电子，成为游离的 Fe 离子，
4、与土壤中的 OH 离子结合、反响最终生成最为稳定的 Fe3O4,在整个电化学腐蚀经过中，管道的裸漏部分充当了阳极，土壤充当了电解质，牺牲阳极的阴极保卫就是利用比铁元素更为活泼、不稳定的其他元素或者讲比铁元素的电位更负的元从来充当阳极如镁阳极、锌阳极、铝阳极等或者通过外加电流对金属提供足够量的电子施加所需的负电流，使管道裸漏部分呈负电性和到达足够负的电极电位，进而抑制氧化反响Fe Fe2+2e；此时复原反响所需电子完全从牺牲阳极或外电源获得。由此实现了阴极保卫，停止了金属的腐蚀经过。 3.2 阴极保卫技术。 3.2.1 牺牲阳极保卫技术。 在土壤等电解质环境中，牺牲阳极因其电极电位比被保卫体的更
5、负或者讲金属材料的活性比铁更活泼，当与被保卫体电连接后将优先腐蚀溶解，牺牲阳极的金属材料则被消耗掉，释放出的电子在被保卫体外表发生阴极复原反响，抑制了被保卫体的阳极溶解经过，进而对被保卫体提供了有效的阴极保卫。牺牲阳极的阴极保卫主要适用于中短距离和复杂的管网。其特点有：阳极输出电流小，发生阴极剥离的可能性小；随管道安装一起施工时，工程量较小；运行期间，维护工作简单。缺点是：阳极输出电流不能调节，可控性较小13. 牺牲阳极材料的选用必须知足下面要求： a.自腐蚀速率小且腐蚀均匀，要有高而稳定的电流效率。 b.电化学当量高，即单位重量产生的电流量大。 c.要有足够负的稳定电位。 d.工作中阳极极化
6、要小，溶解均匀，氧化后产物容易脱落。 e.腐蚀产物不污染环境。 f.材料来源广，容易加工，价格低廉。 常用的牺牲阳极有镁阳极、锌阳极和铝阳极三大类。但在实际当中，镁比拟活波，在土壤电阻率较低的地区镁很容易就消耗完了，一方面价格贵另一方面对阴极保卫的管理带来众多费事；锌的有效电位差很小，不适用于土壤电阻率偏高的地区；铝是便宜，按理讲是不错的选择，但铝氧化后容易发生钝化，在铝的外表构成一层氧化膜，并且氧化膜的电位很正，反倒加快金属管道的腐蚀，使牺牲阳极保卫失效14. 3.2.2 外加电流阴极保卫技术。 外加电流阴极保卫方式方法是用导线将金属构造接到直流电源的负极，将辅助阳极接到直流电源的正极。如上
7、图 3-2 中的外加电流阴极保卫，就会有电子流入阴极即被保卫的长输管道外表上。当外加的电子来不及与电解质溶液中的某些物质起作用时，就会在阴极外表积聚起来，导致阴极外表电极电位向负的方向移动，即产生阴极极化，这时金属构造上微阳极区释放电子的能力就遭到阻碍。施加的阴极电流越大，电子积累就会越多，金属构造外表上的电极电位就越负，微阳极释放电子的能力就越弱。当金属构造外表阴极极化到某一值时，微阴极和微阳极到达等电位，阴阳极间电位差为零，腐蚀原电池的作用就被迫停止，微阳极释放电子的能力完全消失，金属内部腐蚀电流为零，相应阴极金属的腐蚀也被迫停止。外加电流阴极保卫又称为强迫电流阴极保卫，它是由外部的直流电
8、源直接向被保卫金属输入阴极电流，是给金属补充大量的电子，使被保卫金属整体处于电子过剩的状态，使金属阴极极化，到达以保卫的目的。详细就是通过外部电源来改变周围环境的电位，使得埋地管道的电位一直处在低于周围环境的状态下，进而成为整个环境中的阴极，这样需要保卫的金属管道就不会由于失去电子而发生腐蚀了。外加电流阴极保卫主要应用于用于长输管线和区域性管网的保卫，其特点是输出电流大，一次性投资相对较小 ;安装工程量较小，可对旧管道补加阴极保卫；容易实现远程自动化监控；其缺点是：后期运行期间需要专业人员维护、检修、监控和检测投入；电位及电流控制不当时会导致过保卫引发涂层剥离的后果15. 3.2.3 排流保卫
9、阴极保卫技术。 当环境中有杂散电流时，利用排除杂散电流对保卫金属施加阴极保卫称为排流保卫。 只要在排流时对保卫体施行保卫，而不排流时，处于自然腐蚀状态。而强迫电流就是通过整流器进行排流。当有杂散电流存在时，利用排流进行保卫；相反无杂散电流时，利用整流器供应保卫直流电流，使保卫体处于阴极保卫状态。通常使用恒电位仪进行强迫电流，再有排流保卫时，最好流有少量保卫电流输出16. 3.3 管道涂层保卫技术。 3.3.1 管道涂层保卫目的及意义。 管道外加防腐层是当今金属及管道保卫普遍应用一种技术，长输管线大部分都是阴极保卫和防腐层综合使用，双重保卫效果更好。加了防腐层后，使用的外加电流需要量就少，也能节
10、能降耗。覆盖层作用的基本原理就是当金属外表有覆盖层如耐蚀的非金属材料，金属与腐蚀介质被覆盖层隔离，由于覆盖层电阻很大，减小了回路电流，使腐蚀速度降低。由欧姆定律可知腐蚀电流：I= E/R 3.1式中： E 为腐蚀推动力R 为覆盖层电阻。 当 E 0 或 R 时，腐蚀电流为 0.由此可见，覆盖层加阴极保卫双重保卫是当前标本兼治、既经济又合理的防腐办法。就是把管道和电解质土壤介质隔离开，使得腐蚀电流趋于零而到达管道防腐蚀目的，这样一旦隔离，土壤和输油管道无法接触，就无法完成电化学腐蚀经过。一旦涂层外表遭到损坏、毁坏或开缝隙了，就会构成大阴极盖部分、小阳极针孔或者破损部分的腐蚀电池，这种电池的构成，
11、对金属管道局部进行腐蚀，直至腐蚀成大面积。从理论上来讲防腐层也能够保卫腐蚀，但在实际当中，仅仅靠防腐层是保卫不住的，不可靠的，这样的例子很多，有很多最后都腐蚀。相反，对于裸露的埋地管道而言，单用阴极保卫能够起到防蚀作用，但若想到达E=0,必须通以很大的阴极保卫电流，因而耗电宏大而不经济，甚至不可行。但是对于带有涂层的埋地管线而言，由于覆盖层的使用，大大地减少了金属裸露的外表，使得阴极保卫的电流密度急剧地降低，极大地扩大了保卫范围，使阴极保卫变得经济和可行17. 因而在陕北靖边地区长输管线的工程应用中一般不单独采用涂层对管道进行保卫，也不单采独用阴极保卫进行保卫，而是将二者联合起来保卫，进而到达
12、既安全又经济的保卫效果。 3.3.2 管道涂层的种类。 当前国内外适用于长输管道的防腐蚀涂层主要有煤焦油瓷漆、PE 二层构造、PE 三层构造、熔结环氧粉末FBE、双层熔结环氧粉末双层 FBE覆盖层等。 a.煤焦油瓷漆。具有绝缘性能好、吸水率低、耐细菌腐蚀和植物根茎穿透、国内材料充足及使用寿命长、价格低约 55-60 元，m2等优点。主要缺点是机械强度较低，适宜温度范围窄，低温易变脆，生产施工经过中可能会逸出有毒气体，需要严格的烟雾处理措施。国外使用已有 70 多年历史，近年来因受环保的限制逐步被其他覆盖层代替。我们国家已研制出到达国际标准的煤焦油瓷漆产品，分 3 种型号，以适应不同的温度需要。
13、 b.PE 两层构造。具有绝缘陛能好、吸水率低、机械强度高、坚韧耐磨、耐酸碱盐和细菌腐蚀、耐温度变化、国内材料充足等优点，价格较低约 6065 元，m2 o 缺点是耐紫外线性能差，阳光下过久暴露易老化，与钢管外表结合力较差，抗阴极剥离性能差。 PE 层的静电屏蔽作用不利于外加电流阴极保卫。国外采用聚乙烯防腐蚀有 40 多年历史，当前仍有一定的使用量，华而不实，在中小管径上的用量占第一位，中等管径应用上仅次于熔结环氧粉末。国内 1985 年后广泛应用，到当前为止油田和各地中小管径采用此种覆盖层的防腐蚀管道已超过上万公里。 c.PE 三层构造。PE 三层构造防腐蚀层结合了高密度聚乙烯包覆、熔结环氧
14、粉末的优点。它利用环氧粉末与钢管外表牢固结合，利用高密度聚乙烯耐机械损伤，两层之间特殊的胶层使三者构成分子键结合的复合构造，实现防腐蚀性能、机械性能的良好结合，是当前我们国家大型管道工程首选的涂层。PE 三层构造防腐蚀层从 1995 年在库鄯线、陕京线应用以来，防腐蚀效果很好。PE-层构造防腐蚀层造价相对较高约 100 元/m2，是其缺点之一。 d.熔结环氧粉末FBE具有与钢管外表结合牢固、绝缘性能好、机械强度高、耐温度变化、耐化学腐蚀等优点，可适用于各种恶劣自然环境。主要缺点是耐紫外线性能差；由于覆盖层较薄0.35 一 0.50mm，耐划伤和磕碰性能较厚覆盖层要差。国外从 20 世纪60 年
15、代开场应用于管道防腐蚀，发展很快，是当前国际管道防腐蚀上采用量最多的覆盖层。价格约在 65-70 元/m2.国内的大型新建长输管道也多采用此涂层18. 3.4 长输管线防腐的检测技术。 3.4.1 阴极保卫效果评判准则。 对埋地管道、贮罐和其它设施，采用涂层和阴极保卫联合保卫，是行之有效的防腐蚀方式方法，在工业发达国家已通过立法强迫施行。在我们国家这一技术也有广泛应用，十分是新建的长距离输送管道。阴极保卫的原理是对处于电化学腐蚀环境的金属设备通入外加极化电流由直流电源或牺牲阳极提供，使金属的电位负移，金属阳极溶解反响遭到抑制，腐蚀速度减小。阴极保卫的效果一般用保卫度来衡量：P=V 一 VI/V
16、x100%式中：V 和 Vl 分别是未加保卫时和施加保卫后金属的腐蚀速度。 保卫度 P 是阴极保卫的一个重要的技术指标19.但是，直接测量阴极保卫下金属的腐蚀速度却不是一件容易的事。迄今为止，只能使用试片。试片的材质与埋地管道一样，埋在管道附近。一组试片与管道电连接，因此处于同样的阴极保卫状态；另一组试片不通电，处于未保卫状态。经过适当的时间，将试片取出，用失重法测量其腐蚀速度，然后计算保卫度。由于失重法测量特别费工费时，对于长距离输送管道，要在各个测量点都埋置试片进行测量，其工作量是很大的。所以一般都是采取间接的方式方法，即由被保卫埋地管道的保卫电位来判定其保卫效果。华而不实最常用的准则是电
17、位准则，也就是测量管道与地之间的电位以评估阴极保卫电流从环境土壤或水流到管道上引起的管道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卫状况的变化，有时可能需要频繁的测试和检测。美国腐蚀工程师协会National Association ofCorrosionEngineers，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-01-691996 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卫的基本标准：通电电位-850mV准则、极化电位-850mV 准则和 100mV 极化值准
18、则20-22.当施加阴极保卫的钢质管道的管/地电位到达-850mv 时，其腐蚀速度降至很小，保卫程度到达 90%以上。因而，能够根据这一电位准则来测定埋地钢质管道施行阴极保卫的效果和控制阴极保卫的水平。 为了施行这一准则，需要测量埋地管道在通入外加极化电流状态下的管/地电位，一般称为保卫电位onpotential。测量保卫电位的方式方法简单，阴极保卫施工时，在选定的测量点埋置永久性参比电极一般为 CSE，测量时在被保卫管道和参比电极之间接入高阻电压表，电压表指示的电位值就是被保卫管道相对于参比电极的电位。但是，这一测量值除管/地电位外，还包含了电流流经被保卫管道与参比电极之间的欧姆电阻所产生的
19、电压降，即所谓 IR 降。这些欧姆电阻主要包括管道外表涂层电阻、管道与参比电极间土壤的电阻。显然，假如 IR 降较大，那么将实测电压值按-850mVVcse控制，实际的管/地电位将达不到-850mVVcsE的要求，使得埋地钢管将保卫缺乏。调查表示清楚，假如不考虑IR 降，按实测电位-850mVVcse控制，钢管的腐蚀有时仍很严重，由于有时只要 60%的管道的管/地电位真正到达了电位准则的要求。为了减小和消除 IR 降对测量通电电位的影响，需要减小电路中的欧姆电阻，因而参比电极应尽量靠近被测量的管道。将参比电极埋置在管道上方并靠近管道，对于永久性参比电极是比拟容易办到的23. 3.4.2 长输管
20、线管地电位测试方式方法。 管/地电位测试主要测试管道的自然电位、牺牲阳极开路电位、管道保卫电位，当前主要的测试方式方法有： a.地表参比法，采用数字式电压表，接线见图示参比电极放在管道顶部上方 1m 范围的地表潮湿土壤上，保证参比电极与土壤电接触良好电压表调至适宜量程上，读取数据，作好记录，注明该电位值的名称。 b.近参比法，在管道或牺牲阳极上方，距测试点 1m 左右挖一安顿参比电极的探坑，将参比电极置于距管壁或牺牲阳极3-5cm 的土壤上，读取数据，作好记录，注明该电位值的名称。该方式方法能够有效的减少 IR 降对测量的影响电流流经被保卫管道与参比电极之间的欧姆电阻所产生的电压降。 c.远参
21、比法，将参比电极远离地电场源的方向依次安装在地表上，第一个安顿点距管道测试点大于 10m,后逐次移动 10m.用数字万用表调至适宜量程上，读取数据，作好记录，注明该电位值的名称当相邻两个安顿点测试的管道电位相差小于 5mV 时，参比电极不再向远方移动，取最远处的管地电位值作为该测试点的管道对远方大地的电位值d.断电法，为消除阴极保卫电位中 IR 降的影响，宜采用断电法测试管道保卫电位断电法通过电流断续器实现，断续器应串接在阴极保卫电流输出端上在非测试期间，阴极保卫站处于连续供电状态，在测试管道保卫电位或外防腐层电阻期间，阴极保卫站处于向管道供电 12s,停电 3s 的间歇供电状态，同一系统的全
22、部阴极保卫站，间歇供电时应同步，同步误差不大于 0.1s,停电 3s 期间用地表参比法测得的电位，即为参比电极安顿处的管道保卫电位e.辅助电极法，采用与管道一样材质钢片制作一个检查片作为辅助电极，片面除一面中心留下一个 10mm 直径的裸露孔外，其余部位全部用防腐层覆盖，埋设于管道附近冻土线下面的土壤中，埋设时裸露孔朝上，覆盖 1-2cm 细土后，将长效硫酸铜电极的底部置于裸露孔正上方，然后回填至地平面。辅助电极的导线和长效硫酸铜电极的导线分别接于测试桩各自的接线桩上，辅助电极接线柱用铜片或铜导线与测试桩内管道引出线的接线桩短接采用数字万用表定期测试辅助电极与长效硫酸铜电极的电位差，有阴极保卫
23、时，该电位差代表该点的管道保卫电位。 3.4.3 管道防护层的测量方式方法。 a.电火花检漏，利用电火花检测仪电击穿防腐层的气隙产生电火花，在放电的霎时产生一负脉冲，并触发电火花检测仪报警。该方式方法主要用于场管道施工完成后回填土之前的质量检验，或者在防腐管理中开挖管道后进行防腐层破损位置的检验。 b.PCM 检测，又名变频-选频检测法与沟通电衰减检测法。变频-选频法原理是：向管道外加一个电信号，并测量电信号在被测管道中的传输损耗，假如管道防腐层质量好信号损耗就小，讲明防腐绝缘层状况好其绝缘电阻值就大； 假如管道防腐层质量差信号损耗就大，讲明防腐绝缘层状况差其绝缘电阻值就小。故通过直接接触管道
24、测量管中信号衰减，就能够测出防腐层绝缘电阻值。长输管道防腐绝缘层电阻是管道单位面积的绝缘层电阻，其数值大小是由绝缘层漏敷的数目和大小来决定，因而，它是衡量绝缘防腐层质量好坏的尺度，单位为 ？m2.所谓漏敷的内容应包括：针孔、破损、老化、剥离、开裂等。所以若能够准确定量的测得防腐层绝缘电阻值，就能够真实的反映埋地管道防腐层质量状况24.该方式方法的优点是不用开挖管道便可获知防腐层的质量，并且工作效率高，合适野外作业。 3.5 小结。 本章从理论知识方面主要阐述了阴极保卫的基本原理及当前主要的阴极保卫技术；管道外保卫层的基本原理和当前国内正在应用的防腐涂层技术；阐述了阴极保卫的检测技术，为靖边地区施工项目的阴极保卫测试奠定了理论基础，方便了后期测试及数据分析。