输油管道中减少腐蚀方法的研究

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1、分类号 11395 单位代码 密 级 学 号 0606230107 学生毕业设计（论文）题 目输 油 管 道 中减少腐蚀方法的研究作 者院 (系)专 业指导教师答辩日期年 月 日摘 要管道燃气在人们生活中作为主要消耗能源的比重越来越大。而燃气管道作为管道燃气的传输载体，己经成为了城市的基础设施之一。同时，由于各种原因的考虑，现有的燃气管道(尤其是主干管道)基本上都是埋地钢质管道。由于长期埋在地下，随着时间的推移，在施工、土壤腐蚀、地形沉降等因素影响下，管道会发生腐蚀、穿孔、泄露，给燃气公司和人民群众带来严重的损失。为了增加埋地钢质管网的安全性，减少潜在的不安全隐患，对新建和在线运行的燃气管道定

2、期实施腐蚀状况检测，为管网的维护和管理提供科学依据。这对于燃气管网的运行有着至关重要的作用和意义。关键词：管道，防腐层，腐蚀检测ABSTRACT The pipeline gas is regarded specific proportion .That chiefly consumes the sources of energy in the life. Pipeline as the carrier of gas,it has become an important part of city infrastructure.At the same time,owing to thinking

3、 over of various reasons,now available pipeling(particularly trunk pipeline)are buried steel pipeline basically.Owing to butied in the underground,along with elapsing of time,is constructingand soil corruptions and topography are subsided etc the influence is down,and the pipeline can occur corrodes

4、,perforating and let out.It brings gas group the serious loss.In order to reduce potential danger,to newly-builts and online gas popeline,its necessary to corrosive detection regularyKeywords:pipeline,Anticorrosive coating,Corrosive detection1 研究的目的与意义伴随着我国油气产量的逐步增加，管道输油的安全、节能、快捷等优点日益显现。国内各大油田输油、暑期管

5、道基本上都采用碳素钢无缝管道及螺旋焊缝管道。钢制管道在施工、运行过程中都要和周围介质接触，因其防腐层破损而引起的管道表明锈蚀现象十分普通。金属管道早到腐蚀后，其外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化，影响所输油气产品的质量，缩短油气管道的使用寿命，严重时可能造成穿孔泄露，甚至不能使用腐蚀视影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，随着国民经济的发展，油气田的开发，管道输油的优点日益突显出来。输油管道基本上都采用碳素钢无缝钢管、直缝电阻焊钢管和螺旋焊钢管。输油管道的敷设一般采用地上架空或埋地两种方式。但无论采用哪种方式，当金属管道和四周介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的其表面锈蚀。

6、这种现象是十分普遍的。金属管道遭到腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能方面都将发生变化，影响所输油品的质量，缩短输油管道的使用寿命，严重可能造成泄漏污染环境，甚至不能使用。因此防止管道腐蚀是管道工程的重要内容。目前我国正在进行大规模的基础建设，每年地下要埋设数万公里的管道，其中部分管道会因防腐蚀措施不到位，腐蚀环境恶劣等因素会因腐蚀而造成重大经济损失。据有关资料统计:仅在1971年5月至1986年2月间，四川天然气管道由于腐蚀导致爆炸和燃烧事故就达83起，1994年10月26日俄罗斯北部Usinsk地下输油气管线多处腐蚀破裂，大量泄漏，严重污染了环境；美国Alaska一条约1287Km的地下输油管

7、道，由于建设初期防腐施工不规范，在运行12年后，频频出现腐蚀穿孔826次，仅维修就耗资25亿美元。腐蚀可以说是无时不有，无处不在，造成的后果极为严重。山西神头某电厂有3条2739的输送浓灰的管道通向灰场，此三条管道于2002年同时同槽敷设完成，埋地管部分长6500米。其中2#、3#管道于2004年5月投入使用，1#管道于2006年1月投入使用。浓灰管道(埋地部分)平面示意图见图1.1。在2007年初至9月份的时间里，浓灰管道埋地部分的管线先后8次发生泄漏，其中1#管道发生了7次腐蚀穿孔（位置分别为2#、3#、4#泄漏点），3#管道发生1次腐蚀穿孔（位置为1#泄漏点），腐蚀均为外壁腐蚀穿孔，腐蚀

8、泄露状况及穿孔型式见图1.2-1.10。管道的腐蚀穿孔不仅造成了浓灰管道的停产，并且若两条以上管道同时泄漏时会导致发电机组的停产，将会造成重大经济损失。同时泄漏的灰水会污染大量耕地，造成被污染的耕地数年内不可再种植农作物。埋设在土壤中的长距离输油管道，因其输送量大、成本较低，今年来发展很快，中国已经偷用的西气东输工程就是一个很好的佐证。由于管道内输送的是具有腐蚀性的流体（可进行预处理），管道外侧接触的土壤也常常带有腐蚀性（无法控制），导致管腐蚀穿孔的显现在各国时有发生，不但造成经济损失，还会危及人身安全；因此，长距离输油管道的放腐蚀问题一直倍受重视。图1.1神头某电厂浓灰管道（埋地部分）平面示

9、意 图1.2第1次管道腐蚀泄漏 图1.3第1次管道腐蚀泄漏处腐蚀点 图1.4第2次管道腐蚀泄漏图 1.5第2次管道腐蚀泄漏处腐蚀点图1.6第3次管道腐蚀泄漏图 1.7第3次管道腐蚀泄漏处腐蚀点图1.8 4#泄漏点处的管道腐蚀坑(管道已腐 图1.9 4#泄漏点处的管道腐蚀(腐蚀尚未穿孔) 蚀坑深约7mm) 图1.10第8次管道腐蚀泄漏处2 腐蚀的原因埋地钢制管道发生腐蚀有四大影响因素：即环境、腐蚀防护效果、钢管材质及制造工艺、应力水平。管道的腐蚀破坏是上述诸因素相互影响的结果。要防止发生腐蚀破坏，就必须根据相关标准，在满足输量与流程的前提下，提出钢管材质与制造的标准要求，再结合管道现场的腐蚀环境

10、选择安全、适用、经济的防腐覆盖层。2.1 埋地管道所处的环境埋地管道所处的环境是引起腐蚀的外因，这些因素包括土壤类型、土壤电阻率、土壤含水量（湿度）、pH值、硫化物含量、氧化还原电位、杂散电流及干扰电流、微生物、植物根系等。因此在选择仿佛覆盖层时，必须综合考虑。在SY/T0087-95钢制管道及储罐腐蚀与防护调整方法标准中，推荐用原位极化法及试片失重法测定土壤腐蚀性，根据土壤腐蚀严重程度，在设计管道仿佛覆盖层时，往往分成普通级、加强级与特加强级防腐。值得注意的是，目前所采用的各种仿佛覆盖层对抗土壤腐蚀各有优缺点，应根据现场不同的土壤环境，选择合适的防腐涂料覆盖，才能较好的保护管道。2.2 腐蚀

11、防护效果腐蚀防护效果是控制管道是否会发生腐蚀破坏的关键因素。目前管道的腐蚀防护采用了双重措施，及仿佛覆盖层与印记保护（外加电流或牺牲阳极、排流）。仿佛覆盖层至关重要的是能抵御现场环境腐蚀，保证与钢管牢固粘结，尽可能不出现阴极剥离。一旦发生局部剥离，就必须保证阴极保护电流的畅通，达到防护效果。据加拿大能源委员会1995年对该国540000km、直径25-1219mm的各种输送管道的调查，从1940年开始，覆盖层使用过的防腐涂料有是石油沥青、煤焦油瓦漆、沥青带、挤塑聚乙烯、聚乙烯缠带、熔结环氧树脂、三层PE及复合覆盖层等。经过长年埋地（三层PE使用不到9年，复合覆盖层使用不到5年）的腐蚀作用，发现

12、管道除高pH的应力腐蚀开裂外，存在接近中性pH的应力腐蚀开裂（SCC），其中聚乙烯缠带占73%，石油沥青占9%，煤焦油瓦漆占9%，其他占9%，但熔结环氧树脂覆盖层未发生SCC。发生SCC的主要原因是阴极剥离后的钢管直接与腐蚀环境接触，由于覆盖层自身的绝缘性强，特别是聚乙烯缠带，使得保护电流不能进入玻璃橱，发生了电化学腐蚀。煤焦油瓷漆等李庆磊的覆盖层，由于早期钢管表面处理知识采用了钢刷除锈，造成覆盖层与钢管粘结不牢，易产生阴极剥离，笑容了防腐层的防护作用。2.3钢管的材质与制造因素钢管的材质与制造因素是管道腐蚀的内因，特别是刚才的化学组分与微晶结构，非金属组分含量高，如S、P易发生腐蚀，C、Si

13、易造成脆性开裂，加入微量镰、铜、铬可提高抗腐蚀性。在钢管制造过程中，表面存在缺陷如划痕，凹坑，微裂等，也易造成腐蚀开裂。因此北美、西欧、中国等过对输送用钢管提出了材质要求与制造标准，有些管道工程业主根据具体情况还提出了更高标准的附加订货条件。2.4管道造作运行过程中的使用应力管道造作运行时，输送压力与压力波动时应力腐蚀开裂的又以中药因素。过高的压力使管壁产生过大的使用应力，易使腐蚀裂纹扩展；压力循环波动也易使裂纹扩展。当裂纹扩展达到临界状态时，管道就会发生断裂破坏，甚至引起爆炸（如输气管道）。为此各国在管道设计标准中，都限制了管道的最大使用应力。如加拿大CSAZ662-94标准规定，根据不同地

14、区，油气管道最大允许使用应力等级为44%-80%的钢管最低屈服强度；我国和美国的标准则规定为40%-72%的钢管最低屈服强度。压力波动一般规定在10%的正常操作压力。3 腐蚀的分类3.1 根据管道腐蚀机理3.1.1 化学腐蚀指金属和纯的非电解质（如无水有机溶剂）直接发生纯化学作用而引起的金属破坏，在腐蚀过程没有电流产生。3.1.2 电化学腐蚀指金属和电解质发生电化学作用而引起金属的破坏，其特点是在腐蚀过程中同时存在两个相对独立的反应过程，即阳极反应和阴极反应，并有电流产生。大部分腐蚀为电化学腐蚀。3.2 根据管道被腐蚀部位3.2.1 管道内壁腐蚀金属管道内壁因输送介质的作用而产生的腐蚀3.2.

15、2管道外壁腐蚀管道外壁腐蚀视管道所处环境而异。架空管道易受大气腐蚀；土壤或水环境中的管道，则易受土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀 3.3 根据管道腐蚀形态3.3.1 全面（均匀）腐蚀腐蚀作用以基本相同的速度在整个金属表面同时进行。3.3.2 局部腐蚀腐蚀作用仅发生在金属的某一局部区域，而其他部位基本设有发生腐蚀，或者某一部位的腐蚀速度比其他部位的腐蚀速度快得多，显示了局部腐蚀破坏的痕迹。常见且危害性较大的局部腐蚀破坏形式有以下几种：小孔腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀、腐蚀疲劳、选择性腐蚀、空泡腐蚀等。3.4 根据腐蚀形态大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、化学介质腐蚀、高温腐

16、蚀等。4 减少腐蚀方法研究4.1涂料腐蚀 设置防腐蚀涂层的主要目的是利用耐腐蚀材料将金属管道的表面与外界腐蚀环境隔离，减少酸、碱和细菌等对管材的腐蚀。管道防腐蚀层的种类很多，要根据不同的环境与防腐蚀性能相结合来选择合适的防腐层。按防腐蚀涂层的性质可以将其分为有机防腐蚀涂层、无机防腐蚀涂层以及有机和无机复合防腐蚀涂层。4.1.1 有机防腐蚀涂层 有机物通常具有良好的耐酸、碱腐蚀性能，因而也成为使用最广泛的金属管道防腐蚀涂层。由于有既无种类繁多，所以可作为防腐蚀涂层的研究较为广泛。4.1.1.1 石油沥青及煤焦油放腐蚀涂层石油沥青用于防腐蚀涂层具有悠久的历史，其优点为耐酸、碱飞侵蚀、原料充足、成本

17、低，有良好的绝缘性、耐水性和粘结性，抗剥离能力好，固化成膜施工效率高；其涂层的主要缺点是机械性能强度低，易受植物根和细菌破坏，热稳定性差，高温易流淌、低温易碎裂，容易老化而丧失防腐蚀能力。为了弥补其缺点，经常和玻璃布等防腐蚀胶带一起使用。煤焦油涂层其优点为绝缘性能好、吸水率低、粘结力强、乃细菌轻视、使用寿命长等；其缺点是机械强度低，抗土壤应力差，热稳定性差，高温易结炭，低温易变脆，毒性大，施工条件严格。因此它也经常与玻璃布等防腐蚀胶带一起使用，来缓解热稳定性差和机械强度低的缺陷。4.1.1.2 环氧类防腐蚀涂层环氧涂层（FBE）是目前国际上公认的金属管道主要防腐蚀方法之一，性能优于石油沥青和煤

18、焦油涂层。它是一种热固性材料，主要由环氧树脂、固化剂等组成，其优点为粘结力好、表面光滑，涂层致密、耐盐、耐碱腐蚀。单层FBE质脆，不耐尖锐硬物的冲击碰撞，施工困难。现在一般用双层FBE（将单层FBE的防腐蚀性能和表层塑性的抗机械损伤性能相结合），即使在高温下仍可表现出较好的性能。但其防腐蚀层的吸水率较高，对阴极保护电流不会长生屏蔽作用，容易发生阴极剥离，因此尽量避免在潮湿地带使用。三层结构PE系统（3PE）是由双层FBE的基础上发展而来，其底层为环氧涂料，厚度为60-80m；中间层为胶黏剂，厚度为170-250m；面层为聚乙烯，厚度约为2mm。1995年国内首次在陕京天然气管道上使用。该工艺制

19、备的防腐蚀涂层具有FBE的防腐蚀性能、粘结性和聚烯烃材料的高抗渗性、良好的机型性能和抗土壤应力的性能，而且各项性能稳定、无污染，超强的耐腐性能降低了阴极保护的成本和规模，先已成为国内管线防腐蚀的主要涂层。但它存在造价高，工艺复杂，涂层厚度不均匀，管端翘边，温度难控制，易产生空隙、气泡等缺陷。3PP与3PE涂层一样属于多层体系，由底层环氧粉末、中间层胶黏剂和外层PP（聚丙烯）构成，制备工艺近似，使用3PE作业线也能够生产出3PP涂层。3PP的优点是高温性能优于3PE涂层，抗划痕性强，使它在管道穿越方面具有优越性，而且3PP涂层的成本比3PE涂层低。环氧煤沥青涂层则是由环氧树脂、煤焦沥青、颜料、溶

20、剂、固化剂等组成，目前已在城市地下管道、长输管道中广泛使用。它具有良好的防水防腐蚀和耐化学腐蚀能力，又具有涂层光滑、耐热、耐磨、耐离散电流、使用寿命长和良好的绝缘性等优点。但也有它的缺点：固化时间较长，特别是在低温下酒更难固化；施工程序比较繁琐，一般只能采用人工涂覆，造成工作效率低，可靠性能差。现在环氧煤沥青涂层的基础上已研制出性能更好的环氧煤沥青冷缠带防腐蚀层。4.1.1.3 橡胶防腐蚀涂层金属管道橡胶防腐蚀涂层技术是一种新型防腐蚀工艺。它主要是利用废旧胎面再生橡胶制成缠绕带，将管道除锈涂刷底漆后，把橡胶带缠绕在管道上，通过蒸汽硫化技术，在钢管外部形成一定厚度的橡胶涂层，硫化橡胶防腐蚀涂层平

21、均每毫米厚度耐电值约为7000V，电绝缘性能优势比较明显，特别是能够耐盐水（质量分数为10%的NaCl溶液）浸泡，这是在油田地区（土壤含盐量高）硫化橡胶能够作为钢管为防腐蚀层最重要的性能特点。与传统的石油沥青及环氧煤沥青防腐蚀技术相比，该工艺还具有管外部防腐蚀层成型美观，涂层牢固，成本低廉，污染小等优点，代表了当今金属管为防腐蚀技术发展趋势。该工艺也存在着不足，主要表现在防腐蚀层的质地比较柔软，成品管在运输和施工过程中易损伤外防腐蚀层，且现场补口较麻烦。4.1.1.4 其它有机防腐蚀涂层聚脲涂料时美国公司研制的新型防腐蚀材料，代表着国际最新防腐蚀技术潮流。聚脲涂层电绝缘性优于聚乙烯，其中电阻率

22、比3PE标准高是个百分点。耐化学介质腐蚀7d后测试，拉伸强度保持率在75%以上。随着中国石油天然气股份有限公司大庆油田有限侧人公司聚脲管道的应用，其性能的优越性将进一步得到验证。聚脲防腐蚀管道的开发应用，将推动油田专用防腐蚀管道产品更新换代，对提高油田防腐蚀技术水平将产生深远影响。改性EVA热熔胶能在低于基材热收缩温度的情况下进行机械涂覆，又能在高于基材热收缩温度的情况下进行机械涂覆，又能在高于基材热收缩温度时，随基材的收缩而将基材与管道粘牢，达到密封和防腐的目的；同时该改性热熔胶涂层有较高的剪切强度，可避免热收缩时出现滑移现象。其优异的耐高、低温性能及耐介质性能尤其适合油气管道防腐蚀密封的要

23、求。聚氨酯防腐蚀涂料除了具有出色的使用寿命和性能、抵抗恶劣环境腐蚀、优异的耐磨性以及低温柔韧性外，还具有常温固化等特点，在金属管道防腐蚀涂料上应用也较为广泛。4.1.2 无机防腐蚀涂层无机非金属材料以其不老化，耐腐蚀、耐磨、耐温性能优异逐渐引起了人们的关注，许多国家均将无机防腐蚀涂层工艺研究作为金属管道防腐蚀的攻关课题。4.1.2.1 陶瓷涂层陶瓷涂层由于具有高化学稳定性（耐腐蚀、耐氧化、耐高温）而受到广泛的重视，目前已发展了多种制备金属管道陶瓷涂层的工艺，如自蔓延高温合成、热喷涂、化学反映法、机关熔敷陶瓷涂层。除此之外，还有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溶胶-凝胶等制备陶瓷

24、涂层的方法，但后几种工艺在制备金属管道涂层方面应用较少。4.1.2.2 搪瓷涂层搪瓷的综合防腐蚀性能是其它材料所不能比拟的。除了氢氟酸外，可以耐各种浓度的有机酸和无机酸，也可以耐各种盐，用搪瓷对钢制管道进行防腐蚀，使管道的防腐蚀水平得到极大提高。搪瓷管道具有优异的性价比，以基层是普通碳钢，内部是搪瓷的管道为例，其价格只是不修钢管的1/2左右，仅从材料的一次性投资看，起码可以节省1/3的费用。搪瓷管道的生产工艺基本延续了传统搪瓷技术，即将管道内外表面喷砂除锈，涂搪釉浆，在烘干室烘干釉浆，管道整体进入窖炉焙烧，整体出炉冷却。4.1.2.3热喷玻璃涂层将热喷涂技术和传统搪瓷技术相结合，外壁采用火焰喷

25、涂，而内壁则借助管道预热及外壁喷涂的热量，通过氮气输送釉料，是釉料融化于管壁，形成耐磨、抗腐蚀的无极非金属涂层，形成的涂层主要成分为玻璃相，其致密性、耐腐蚀性、耐磨性优异，明显优于陶瓷涂层，而且涂层表面光滑、阻力小，作为内涂层还可以起到降低流体阻力的作用4.1.2.4 水泥沙浆涂层除了以上常见的三种无极防腐蚀涂层工艺外，还可以利用水泥砂浆特有的碱性，对金属管道进行防腐蚀处理，使管道内表面产生钝化膜而得到保护。现国内外输水管道的内防腐蚀已广泛采用该工艺，这是一种无公害、无毒、易施工、造价低，有前途的金属管道防腐蚀技术。前三种金属管道的无极防腐蚀涂层工艺没有打规模应用的主要原因在于其生产工艺繁多，

26、能耗大，生产效率低，因而成本昂贵。而且还存在涂层结合强度不高，脆性较大，受外力冲击时涂层易破坏、脱落等缺点。今后应集中力量研究新工艺来降低生产成本，还要研究如何提高涂层的结合性和韧性，使无机非金属防腐蚀涂层工艺得到更大规模的应用。4.1.3 有机、无机复合防腐蚀涂层利用有机和无机复合的防腐蚀涂层主要分为两类，一类为涂层中无机物而本身不发生腐蚀，如玻璃鳞片防腐蚀涂层；另一类为无机物要发生腐蚀，如环氧富锌涂料。玻璃鳞片涂层具有优异的耐化学腐蚀性，抗渗水、耐冷、耐热等特点，处理好的涂层防护寿命长达20多年。它是以耐腐蚀树脂为主要成膜物，以玻璃鳞片（GF）、云母氧化铁（MIO）、不锈钢片等鳞片为填料，

27、再加上引发剂、促进剂等组成的。鳞片在涂抹内部相互平行而且重叠排列，形成致密的防渗层（形象的称它为迷宫式结构），不仅把涂层分割成许多小的空间而大大降低涂层的收缩应力和膨胀系数，而且能形成防止介质扩散的屏障，迫使介质迂回渗入，延长介质渗透扩散到集体的时间，从而增大涂膜的抗渗性能及机械强度，达到金属管道防腐蚀的目的。利用超声波和双氧水降解聚乙烯醇，生产被炭黑表面捕获的大分子自由基，再与乙醛发生缩醛反应，获得能在油性介质中分散的炭黑粒子。在超生场和机械搅拌作用下，将油性分散的纳米炭黑粒子加入到醇酸调和漆中，制备的纳米炭黑复合涂料，能明显提高金属管道的抗Cl腐蚀能力。环氧富锌涂料的防腐蚀机理主要是在腐蚀

28、环境中牺牲锌粉（阳极）而保护金属管道。如在环氧富锌涂料中添加纳米改性的复合铁钛粉，微笑的纳米粒子具有填充空穴的作用，还能利用化学键合于化学吸附阻塞通道，大幅度地改善环氧富锌涂膜的密封性，加入少量酒能起到显著的抗渗效果，耐腐蚀性能也明显提高。纳米涂料的化学结构形成亲油憎水表面，一方面使污垢粒子整齐排列，不会形成分子交错穿插的硬垢；另一方面，排斥污垢粒子，使其不能粘附到图层表面上，除了防腐蚀，还能起到除垢的功能。 4.2 阴极保护阴极保护原理可用腐蚀电极的极化图（图4-1）进行解释图4-1阴极保护原理的极化图由图4.1看出，金属表面阳极和阴极的初始电位分别为Ea和Ec。金属腐蚀时，由于极化作用，阳

29、极和阴极的电位都接近于交点S所对应的腐蚀电位Ecorr，与此相对应的腐蚀电流为Icorr。在腐蚀电流作用下，金属上的阳极区不断发生溶解，导致腐蚀破坏。当对该金属进行阴极保护时，在阴极电流作用下金属的电位从Ecorr向更负的方向变动阴极极化曲线从Ec S点向C点方向延长。当金属电位极化到E1，这时所需的极化电流为I1，相当于AC线段。线段由两部分组成，其中BC线段这部分是外加的，而AB线段这部分电流是阳极溶解所提供的，表明金属腐蚀速度有所减少。当外加阴极电流继续增大时，金属的电位将变得更负。当金属的极化电位达到阳极的初始电位Ea时，金属表面各个部分的电位都等于Ea，腐蚀电流为零，金属达到了完全的

30、保护。此时，金属表面上只发生阴极还原反应。外加的电流Iappi即为达到完全保护所需的电流。另外，也可从热力学上对阴极保护进行解释。图4-2是金属铁的电位-pH图。从图可看出，当溶液的pH等于7时，铁的腐蚀电位等于-0.50-0.60V（vs Cu/CuSO4）,处于活化腐蚀状态。若使其电位下降到-0.94V（vs Cu/CuSO4）以下，则铁从腐蚀区进入免蚀区（见图中黑点及箭头方向）。为了实现这个目的，对金属铁施加阴极电流使其极化，电位必然向负的方向变动，这就是阴极保护。图4-2从电位-pH图看阴极保护4.2.1阴极保护参数在阴极保护中，判断金属构筑物是否达到完全保护，要借助参比电极测量金属的

31、保护电位。而为了达到需要的保护电位，都是通过改变保护电流密度来实现的。因此，保护电位和保护电流密度是阴极保护的两大参数。4.2.2保护电位保护电位是指阴极保护时金属停止腐蚀（或腐蚀可忽略）时所需的点位值。为了使腐蚀完全停止，必须使被保护金属极化到它的电位等于表面上最活跃的阳极点的初始电位。实际上，对钢构筑物来说，这一电位就是铁在给定电解质溶液中的平衡电位。所以，只要能确定铁的平衡电位，就可以知道它的保护电位。根据Nernst方程式计算出铁的平衡电位与溶液pH值的关系如下：E=(0.05+0.0592pH)V(vs SHE)因此，铁的保护电位取决于电解质溶液的pH值。必须指出，上式中的pH是指紧

32、靠电极的电解液液层的pH。在中性介质中，由于阴极反应释放出来的OH-离子的影响，此pH值在8.39.6之间。由此计算得到铁的保护电位为-0.541-0.618 V（vs SHE）。若将氢参比电极改为铜/硫酸铜电极，则铁的保护电位为-0.861-0.938V（vs Cu/CuSO4）。另外，从铁的电位-pH图上也可以看出，铁的理论保护电位（V，vs SHE）为pH9.0 E=-0.62V9.0pH13.7 E=+0.320-0.0886pH(V)上述理论保护电位等于铁在电解质溶液中Fe2+离子浓度为10-6mol/L的平衡电位。但是，在介质流动的情况下，紧靠被保护金属表面液层的离子浓度是低于10

33、-6mol/L的。因此，铁的实际保护电位要比理论电位更负。以上我们讨论的是为达到完全保护所需的电位。在实际应用中，为了兼顾保护程度和保护效率，不应片面追求达到完全保护，而是给出一个保护电位范围，允许金属在保护下仍以不大的速度进行均匀腐蚀。例如，我国国家标准规定（1998年修订）对钢在海水中的保护电位范围规定-0.80-095V（vsAg/AgCl）当电位低于保护电位的下限时，钢不得到有效的保护。所以，该下限值称为最小保护电位。表4-1不同类型钢构筑物在水中和埋地的最小保护电流密度在电阻率高的介质中进行保护电位测量，IR将会造成很大的误差。因此，国内外有关标准对钢铁构筑物的保护电位作出了以下补充

34、规定：（1）采用中断保护电流，消除IR降误差，来测量钢铁构筑物的极化电位。规定相对饱和硫酸铜参比电极的负向极化电位至少为-0.85V。（2）采用中断法，中断0.5s电流后测定断电电位，并以此为基准让其去极化。4h后电位衰减值与基准值之差大于100mV即为合格。4.2.3 保护电流密度保护电流密度是指被保护结构单位面积上所需的保护电流。它的数值受到多种因素的影响。保护电流密度的大小与金属的表面状态、介质条件有关。表4-2各种钢构筑物在水中和埋地的保护电流密度4.2.4 牺牲阳极法阴极保护是通过外加阴极极化来实现的。在被保护金属构筑物上联结一个电位更负的金属或合金作阳极，依靠它不断溶解所产生的阴极

35、电流对金属进行阴极极化。牺牲阳极法是一种较古老的保护方法。早在1824年英国的Davy第一个提出用锌块来保护船舶，以后逐步推广到港湾设施，地下管道和化工机械设备等方面。牺牲阳极法具有电流分散能力好，不需要外加电源和专人管理，不会干扰临近金属设施，施工方便等优点因此，目前在阴极保护中使用仍很广泛。在某些场合（例如没有外加电源），只能采用牺牲阳极法阴极保护。牺牲阳极材料的选择也是一个经济问题。镁阳极材料的费用约为锌阳极快2.5倍，若使用镁阳极其费用可能是锌阳极的5倍，镁阳极可能使构筑物受到过度保护，又浪费了电源。电流输出功率和激励电势则是锌阳极的限制因素。土壤电阻牺牲阳极材料主要有镁、铝、锌基合金

36、三大类。牺牲阳极材料的选择也是一个经济问题。镁阳极材料的费用约为锌阳极的两倍，镁本身激励电势较高，能输出较大的电流，因此阳极消耗较快。在相同的电阻率土壤环境中，镁电极的消耗比锌阳极快2.5倍，若使用镁阳极其费用可能是锌阳极的5倍，镁阳极可能使构筑物受到过度保护又浪费了电源。电流输出功率和激励电势的限制因素。在原油储罐内部镁金属合金是禁止使用的。土壤电阻率低于10m时，通常用锌阳极更为经济，但在土壤电阻率比较高的地方，不能采用锌阳极时，镁阳极在阴极保护中用得较多。但镁阳极在含盐量3%4%土壤电阻率小于1m下使用，高的输出电流将伴随着严重的自腐蚀。铝阳极则不宜在土壤中使用，因为铝阳极腐蚀后生成Al

37、(OH)3会形成坚硬的外壳；而当土壤电阻率小于5m，或氯离子浓度很高如在海水中，其使用效果较好。锌合金阳极在高温介质中极化率存在晶间腐蚀。锌阳极在工作环境温度较高的情况下使用，对晶间腐蚀的敏感性有明显的增加，且晶间腐蚀速率随温度的生高而加快，温度高于49时会更加剧；铝阳极未发现晶间腐蚀。锌阳极可能产生电位极性逆转，也不能用于油罐内部。当温度高于60时，由于锌阳极表面不断地生成电位比锌本身电位正得多的膜，从而使变正，但阳极铁的电位基本不变，因而出现了电位的极性反转，锌阳极成为阴极受到保护，而铁成为阳极而加速腐蚀。当锌阳极处在高温地热场范围内工作或在较高温度的水中工作，锌阳极可能会钝化，发生危险的

38、极性逆转现象，这一点应引起高度重视。镁阳极和铝阳极可用于较高温度，但电流效率大大降低。牺牲阳极多成组布置，每组4-5支或更多，阳极间距2-3m，现场测试结果表明，4支一组阳极发出的电流之和远小于4倍的单支阳极发出的电流。其原因也是阳极电场的相互影响，多支汇流一点与管道相连造成电场的屏蔽，影响阳极电流的输出。如果阳极成组安装，则阳极间距至少5m。因此建议采用单支分散布置以消除电场影响，使电位分布均匀，这对涂层略差的管道更显示出优越性。此外，阳极距管道的距离根据土壤电阻率和防护绝缘质量的好坏来考虑，如果是新管线防护层很好，土壤电阻率又较低，可使阳极与管道同沟铺设，以减少土方量。如果土壤电阻率高，管

39、道涂层较差时，阳极与被保护体之间必须有足够的距离。4.2.5 外加电流法外加电流法又称强制电流法。它是由外加的直流电源直接向被保护金属构筑物施加阴极电流使其发生阴极极化。它由辅助电极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。外加电流法具有输出电流连续可调，保护范围大，不受环境电阻率的限制，保护装置寿命长以及工程越大越经济等优点为使阴极保护工程投资取得最好效益，设计是十分重要的。首先应设计一个耗电省、易于安装、对其它构筑物干扰最小、被保护对象保护电位分布最佳的低电阻阳极地床。按我国石油行业标准SYJ36-89埋地钢质管道强制电流阴极保护规范对辅助阳极接地电阻没有明确规定，只是提出应与所用的仪器

40、相匹配。接地电阻是阴极保护电能消耗的主要部位，约占60%80%，接地电阻越小，则电能消耗越小，但若接地电阻过小，阳极装置必然过于庞大，或需作必要的处理，在经济上是不可取的。究竟取多大为宜，前苏联规定该值应小于0.5。事实表明，当阳极埋设处土壤电阻率较小时，一般阳极构造可以达到这一标准，而当土壤电阻率较大时，阳极构造要十分庞大，甚至无法达到这一标准。目前多使用难溶高硅铸铁阳极，要求阳极工作电流密度控制在580A/m2范围内，接地电阻可以不受此限制。目前我国生产的阴极保护专用仪器，恒电位仪的规格有限，选用时要注意与阴极保护系统的电阻相匹配。在管道、导线、阳极三部分中，阳极接地电阻占主要部分，又是可

41、变部分，如何使它们互相匹配，主要是看经济的合理性。例如，我国某一阴极保护工程，设计阳极接地电阻0.5，阳极地床处土壤电阻率为15m，设计辅助阳极100mm1500mm高硅铸铁阳极为40支。现场测试结果表明，阳极用10支就达到了小于0.5的要求。少量几支阳极并联对接地电阻的降低影响较大，如单支接地电阻4.3，2支并联为2.2，3支并联为1.5，以后增加较多支数阳极所获得的接地电阻降低却很少，这是由于阳极间屏蔽效应造成的。4.2.6两种方法的比较牺牲阳极法和外加电流法各有其优缺点，在某些场合下，可能采用牺牲阳极法的优点多些，而在另外场合下，则采用外加电流法可能更合适。在选择两种方法时主要考虑的因素

42、有：保护构筑物的表面覆盖层状况，工程规模的大小，环境条件，有无利用的电源以及经济性等。4.2.7 阴极保护方式的选择阴极保护方式有牺牲阳极法和外加电流法，究竟选用哪种方式，选用时要以经济实施、安装、维护的原则把构筑物的腐蚀降低到最低限度。为此，第一步是建立电流需要量的基数。对于新装置的阴极保护，为避免过量的设计开支，需先了解构筑物或管道防护层绝缘电阻值，土壤电阻值，根据阴极保护需要的电量大小，决定采用那种方式。如强制电流法，由于输出可调，可用在高电阻率土壤及涂层质量较差甚至裸管，以及未加绝缘装置和多处电气接地的情况下，可实现不停产进行补加阴极保护。上述情况，用牺牲阳极保护法是不可能的。采用牺牲

43、阳极保护管道，涂层质量必须良好，而且与外部金属管道或构筑物不能有电气连接，这是保证用好牺牲阳极的必要条件。如天然气管线，由于外防护层是聚乙烯三层结构，所需保护电流密度在几个A/m2数量级，全线也仅需几个安培，可以采用牺牲阳极保护方案，省去建阴极保护站和设置固定人员的长期维护费用。因此，需要大电流才能实现保护的地方就用强制电流法，反之可用牺牲阳极法，当然还有其它因素要考虑，如对邻近构筑物的干扰影响，供电情况等。5 管道腐蚀检测无论是过去还是现在，人们都认为，进行埋地管道的腐蚀状况检测，对于保障管道的安全运行、减少管道更新次数和维护费用都是非常必要的。问题的关键是如何提高检测精确性和降低检测成本。

44、过去，我们比较熟知的埋地管道的腐蚀检测主要有两种方式:一种是利用智能清管器在管内进行检测，另一种是通过局部解剖检测来分析管道的腐蚀状况。前一种由于易出现卡壳堵塞现象，在油田生产管道中很难实施;后一种则只是一种定性分析，不能获得关于管道腐蚀全貌的具体信息。而且两种检测方式的检测成本都比较高，在技术上也不完全适应油田管道的实际情况和对腐蚀检测结果要求的需要，应用受到一定限制。为了寻求腐蚀检测与评价等问题的解决方法，胜利油田腐蚀与防护研究所，专门申请设立了中石化集团公司级研究课题油田集输系统腐蚀控制研究。其中，腐蚀检课题的主要研究内容之一。在对腐蚀检测技术与评价研究的基础上，结合国内外的最新研究成果

45、，探索出一条在不开挖的情况下快速检测判断管道腐蚀状况的基本路线。5.1 具体的检测技术与仪器组合通过研究和分析，我们最终确定了非开挖检测管壁剩余厚度的金属蚀失量法，通过检测防腐层绝缘电阻、视电容率等评价防腐层状况的视综合参数异常评价法，非开挖检测防腐层破损点的电位梯度法以及对防腐层质量进行评估与破损点定位的C一扫描法，作为在胜利油田进行埋地管道腐蚀检测的基本方法。方法确定以后，我们先后引进、试验了管道GPS卫星定位系统、PCM埋地管道电流测绘系统、SL一2099检漏仪、美国zonge工程公司GDP综合地球物理数据采集系统及C一扫描等国内外先进仪器和相应的数据解释处理软件。近一年的检测实践表明:

46、C一扫描、PCM埋地管道电流测绘系统与GDP一32为依托的金属蚀失量法的结合是最好的腐蚀检测设备和技术组合。就单项技术而言，目前在国际国内都处于领先水平;就其组合应用而言，胜利油田是国内第一家，不但运用了国外最新的仪器，而且实践了国内最新研究成果。使埋地管道不开挖腐蚀检测技术获得成功的应用，而且瞬变电磁检测技术(花M)的精度有了新的提高，同时丰富了阳极倾向点理论，并为其判别技术提供了有力的实践依据。总之，这种综合利用国内外最先进的技术进行腐蚀检测的结果，既基本满足油田埋地管道腐蚀检测与评价要求，又比较经济可行，不失为目前开展油田埋地管道腐蚀检测最成功的一种方法。5.2 主要测t参数的检测程序和

47、误差控制对于埋地管道的腐蚀检测而言，不仅要正确地选择检测技术及其具体的方法，而且要研究在检测过程中主要测量参数的测量程序和误差控制。在检测实践中，结合所选择检测方法的特点，主要确定了以下检测程序并达到下列精度标准。(l)确定管道空间位置:采用RD4管道探测仪查明被测管道的埋深、走向、折点，同时布设测点，进行GPS定位;管道中心埋深测量误差不大于10cm，平面定位误差不大于埋深的0.1倍，测点间距相对误差小于1%，GPS测量精度满足1:2万的成图要求。(2)PCM的数据采集:在同一观测点上，采集4Hz、128Hz、麟OHz的水平磁场与等效电流，数据采集误差小于3%。(3)PCM电位梯度测量:沿管

48、道连续测量，发现“变向点”则详细确定破损、缺陷位置，误差不大于0.5m，根据需要，在破损点两侧加密PCM数据采集。(4)花M数据采集:按设计间距布置发射与接收回线，采用多次叠加方式同时采集31个时窗的脉冲瞬变数据块，待监视时窗的数据质量达标后存储检测数据，总平均均方相对误差控制在2%一3%以内。当完成上述数据采集以后，结合通过调查获得的有关管道材质、规格型号、防腐保温类型、地理环境状况以及利用其他仪器采集的管道埋深等相关参数，再利用数据处理软件进行数据处理和分析，以获得关于管道防腐层状况和剩余管壁其中，防腐层状况用综合参数异常评价法进行评价，我们在实际工作中主要是利用FE中CMV2.1地下管道

49、腐蚀检测评价系统进行数据处理。C一SCAN检测则用DCAPPZO10数据处理软件进行处理。剩余管壁厚度评价的数据处理程序相对较为复杂，具体处理程序如图5.1所示。图5.1 金月蚀失量数据处理流程5.3 埋地管道腐蚀检测的实践效果从2004年一季度起，我们陆续对胜利油田河口、孤东、东辛采油厂的多条输油、输气、混输等不同类型埋地管道的腐蚀情况进行了检测与评价，共完成管道定位(走向、埋深)检测106km、外防腐层破损点定位以及防腐层状况评价检测138km、管壁腐蚀剩余平均厚度检测43.7km。获得了有关管道埋深、走向、防腐层绝缘电阻、视电容率、防腐层破损点、剩余厚度等方面的结论J性数据25191个，

50、检测过程中获得的检测数据约1050(X)个，其中发现和查处管道防腐层破损点约1110个;防腐层评价数据30054个，提供评价结论数据5000组;提供管体腐蚀剩余壁厚检测数据56730个，结论性数据1830组;发现并定位具有腐蚀迹象或正在发生腐蚀的管道部位83处。通过对检测结果进行分析，及时发现了一批事故隐患，为管道的更换、维护提供了可靠依据，避免了不必要的投资浪费，产出与投入比值高达10一巧倍，取得了很好的经济效益。具体效果体现在以下几个方面:(l)获得的被检测管道埋深、走向等方面的数据准确，为生产单位进行日常巡线检查乃至油田的进一步规划建设提供了重要参考。(2)破损点的查出并定位，为运行维护

51、、管道维修、更换提供了重要参考。(3)对埋地管道的外防腐层目前的性能状况提供了基本的评价数据，通过评价正确区分出在役管道防腐状况等级与分布情况，为决定哪些区段的防护状况需要修补以及实地评价各类防护效果提供了直观可靠的依据。(4)确定了管道具有阳极倾向(即正在发生腐蚀以及具有腐蚀迹象的部位)的具体点位，为预测管道腐蚀发展趋势提供了前瞻性的科学依据。(5)管道腐蚀剩余平均壁厚检测，使我们获得了对管道腐蚀状况更本质的认识，为及时发现事故隐患以及准确地确定需要更换的具体区段提供了直接的依据。而且利用这种方法还可以发现工程施工中存在的偷工减料等一系列影响管道使用寿命的问题，减少经济损失。(6)通过对各种

52、管道腐蚀状况检测与评价的综合分析，使我们对各种防腐技术的适应性以及各种腐蚀环境对管道埋设的技术要求有了一定的认识，2加4年的检测至少使我们获得了下列几方面有价值的观念:对埋地管道采用泡沫黄夹克保温防腐应慎重;管道的外腐蚀仍然是集输管道腐蚀穿孔的主要原因之一;植物根系会加速管道的腐蚀;管道浅埋比深埋更容易发生腐蚀;牺牲阳极系统有助于阻挡管体金属腐蚀。6 案例设计埋地管道在土壤中主要是遭受电化学腐蚀，该腐蚀分为阳极过程、阴极过程、电流流动3个过程，相互独立又彼此联系，其中一个过程受阻，另两个过程也受阻，腐蚀电池就会停止和减慢。这给采取防腐对策提供了理论依据。针对埋地管道电化学腐蚀的3个过程，钢管的

53、防腐方法也从抑制其中某一过程入手。如在管道外壁加防腐涂层，可增大回路电阻，减少腐蚀电流；外加直流电源，使钢管对土壤造成负电位、形成阴极保护，可消除阴阳极电位差，从根本上停止阴阳极过程的进行。防腐涂层法治表，阴极保护法治本。但是一旦防腐涂层破损，露铁部分会加速局部腐蚀。故防腐涂层与阴极保护相结合才是标本兼治的方法，经济而有效。美国等国家已明确规定，采用防腐涂层的同时必须采用阴极保护。6.1阴极保护准则6.1.1.在通电保护情况下，测得管道保护电位为-0.850V(相对Cu/CuSO4，下同)或更负，测量方法应符合SY/T0023-97埋地钢质管道阴极保护参数测定方法中地表参比法和近参比法，并应注

54、意土壤介质中电流流动造成的IR降影响。6.1.2.管道表面与同土壤接触的参比电极之间测得的阴极极化电位差不得小于100mv。这个准则可用于极化建立过程的衰减过程中。6.1.3.当土壤或水中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根含量大于0.5%时，通电保护电位应达到-0.850V或更负6.2工艺参数的选定自然电位：-0.546V-0.685V最小保护电位：-0.85V最大保护电位：-1.5V覆盖层电阻：1000m钢管电阻率：0.135mm2/m保护电流密度：2mA/m2（外加电流），0.6mA/m2（牺牲阳极）管道直径：DN250,3根+DN300,1根管道厚度：9mm设计寿命：20年保护度要求：20年使用

55、寿命期内保护度不小于90%。土壤电阻率8.8-170（m）管道总保护面积：23361 m2管道总保护电流：46.7A（外加电流），14A（牺牲阳极）6.3阴极保护方式的选择阴极保护有二种方式：外加电流法和牺牲阳极法，管道阴极保护应用牺牲阳极一般用于下列场合：电流需要量较小，一般小于1A，土壤电阻率足够低，一般低于100.m，可用适当数量阳极获得所需的保护电流，如果需要的电流较大，外加电流系统就比较经济。如果采用电源有问题，干扰影响无法解决，如管网密集，在管道交叉处，外加电流系统产生杂散电流干扰，牺牲阳极可被用于消除干扰环境，可考虑用牺牲阳极。在工程设计中，应按表6.1进行全面分析比较，择优选用

56、阴极保护方式。表6.1牺牲阳极法与强制电流法（浅埋、深井阳极）比较序号项目牺牲阳极强制电流浅埋阳极深井阳极1是否需要外部电流否是是2安装后维护费用低高高3对外部构筑物、地下管道的干扰没有有较小4占地费用没有较高较低5驱动电位低可调可调6输出电流小大大7电流可调性不可调可调8图层差的管道不宜适合适合9非金属管与钢管混用宜不宜不宜10对土壤电阻率的要求受限制不受限制不受限制11施工费用规模小时低规模大时低规模大时低6.4深井阳极外加电流阴极保护方案每套深井阳极外加电流系统主要由二台恒电位仪（一备一用）、控制台，1套深井阳极组成。为满足业主对管道保护的要求，另在每个站内增设1台恒电位仪作为备用机，当

57、任一台恒电位仪发生故障时，可立即进行切换，使得全线阴极保护系统，不会因某台设备发生故障而停止工作。1阴极保护站的选择考虑全线只设1个阴极保护站,并应将其设在沿管线中间部位，初步选定马跳庄作为外加电流的阴极保护站位置。为适应今后防腐层不断老化，保护电流需求量增大的情况，保护电流要留有足够的余量，因此对此管线阴保电流密度选用2mA/m2。强制电流阴极保护的保护长度的计算：L单侧保护长度（m）；VL最大保护电位与最小保护电位之差（V）=1.5-0.85=0.65；D管道外径（m）=0.250m；Js保护电流密度（A/m2）=210-3；R单位长度管道纵向电阻（/m）；t钢管电阻率（mm2/m）；D管

58、道外径（mm）取273mm；管道壁厚（mm）9mm。计算得：R=1.810-3/mL=6.76km。由上可知，管道单侧的保护长度可达到6.76Km，因4根管道要做等电位连接线，因此保护距离可更长，并且最正、最负电位差可因此减小很多，因此外加电流保护距离核算合格。2深井阳极设计方案每套深井阳极阴极保护系统的深井阳极最大输出电流50A。本工程钻凿400mm、深度100m井孔一眼。（1）深井阳极地床的布置：阳极埋设位置应最大发挥其有效作用，阳极布点应尽量避开其他地下结构物，以避免保护电流的屏蔽作用，及对临近构筑物的干扰。阳极井位置和安装应不影响周围设施进行维护、检修和道路通行等。阳极井的安装位置，应

59、距管道垂直距离大于100m，深井阳极接地电阻小于0.4。阳极井深100m。阳极体通过导气管将产生的气体导出阳极井外，导气管为DN25,PVC管。（2）阳极材料的选择：高硅铬铸铁阳极，规格751000mm，单重30Kg/支，消耗率0.6Kg/A.a。阳极工作电流密度5-80A/m2，为延长阳极寿命，及减少气阻产生，取下限电流密度，有效工作面积0.2平方米。阳极地床接地电阻0.40，井口地电位梯度小于5V/m(安全限)。经排流或调控输出，使被干扰管线电位正移小于20mV，地电位梯度小于5.0mV/m深井阳极主要技术性能参数：额定输出电流：50A安装深度：100m，接地电阻：0.40地面跨步电压：8

60、0mV/m采用双层热缩套管电缆接头工艺（3）恒电位仪：每套深井阳极阴极保护系统设恒电位仪2台，由一台控制台探制，当一台发生故障时，可自动切换到另一台，规格为50A/50V技术性能指标:输入电源：AC二相220V/50H电位控制范围：-2V2V输出控制：自动输出电流、电压：DC50A/50V适用环境：-20-+45控制精度：10mV输入阻抗：1M保护功能：过流、过压等故障的自动保护功能（4）电缆：所有阴极保护系统的电缆均采用VV-1KV单芯防蚀电缆，其中阳极/阴极电缆截面积为35平方毫米，零位接阴及参比电极电缆截面积为10平方毫米。（5）参比电极：采用长效能消除IR降的Cu/CuSO4参比电极，预包装在有填包料的布袋中，参比电极安装前要在水中浸泡24小时。6.5 牺牲阳极阴极保护采用牺牲阳极方式，根据土壤情况，应选用镁阳极，在全线管道上开挖埋设牺牲阳极。6.5.1牺牲阳极设计计算管道为3根2739及1根3257的管道，保护距离6.5Km，保护电流密度为0.6mA/m2。设计寿命：20年，保护度要求：20年使用寿命期内保护度不小于90%。总保护面积s=3. 1416(0.2733+0.325)6500=23361m2I =14A（1）单支阳极接地电阻按下列公式计算：式中：RV立式阳极接地电阻；土壤电阻率；a填包料电阻率；L阳极长度；La阳极填料层长度；D阳