管道阴极保护的探讨_王朝晖

管道技术与设备

PipelineTechniqueandEquipment2004 No11 管道阴极保护的探讨

王朝晖,李旭光

(1.空军后勤学院四系,江苏徐州 221000;2.中国人民72617,山东枣庄 277100) 摘要:管道阴极保护是国际上公认的防蚀技术,防蚀效果特别显著。但在实施阴极保护的过程中,由于设计或施工人员对一些具体问题、特殊问题考虑不够全面,影响了阴极保护的防蚀效果。就管道阴极保护应注意的几个问题做了探讨,提出了解决问题的具体措施。关键词:管道;阴极保护;防蚀

中图分类号:U177.1 文献标识码:B 文章编号:1004-9614(2004)01-0035-04

DiscussiononPipelineCathodeProtection

WANGZhao-hui,LIXu-guang

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(1.FourDepartment,AirForceLogisticsInstitute,Xuzhou221000,China;2.72617UnitofCPLA,Zaozhuang277100,China)Abstract:Pipelinecathoprotectionisatechnologyofpreventingcorrosion,whichisrecognizedintheworld.Itseffectofpreventingcorrosionisbestofall.Intheprocessofcathodeprotectionbeingputinpractice,becausesomedesignersandbuildersdidnptthinkoversomeconcreteproblemsandsomespecialproblems,pipelinecathodeprotectionpseffectofpreventingcorrosionhadbeenaffected.Studiesproblemsneedingtopayattentioninpipelinecathodeprotectionandputsforwardsomecertainmeasures.KeyWords:Pipeline;CathodeProtection;PreventingCorrosion

1 引言

埋地钢质管道时刻遭受土壤介质的腐蚀作用。管

道的腐蚀行为属于电化学腐蚀范畴,也就是说埋地钢质管道的腐蚀是以腐蚀电池的形式进行的,最常见的有氧浓差电池、盐浓差电池等。防止腐蚀正是针对阻止腐蚀电池而言。腐蚀电池有3个要素,即存在着不同电极电位的阴、阳2个电极;2电极同处在一个电解质体系中;2电极之间有电子连接通路。对管道施加阴极保护就是消除阴、阳极之间的电位差,破坏第一要素。阴极保护是国际上公认的防蚀技术,防蚀效果无可替代。但在实施阴极保护的过程中,往往由于一些具体问题、特殊问题,影响了阴极保护的防蚀效果。2 公路、铁路穿越

管道穿越铁路、公路可采用套管和无套管2种形式。当采用套管时,必须确保套管和管道之间没有金属接触或低电阻接触。一旦有这种电接触,保护电流将从该点流入套管,而套管多是裸管,严重影响干线的阴极保护。套管的直径应比输送管道的直径大200mm,在输送管道穿入套管之前,应在管道上以2m的间距安装绝缘支撑环,最外2个支撑环距套管口的距离不应大于015m.套管的两端应采用专门的密封件(或现场制作)绝缘密封,以防止泥水等物渗入套管内。为了监测套管的绝缘状态,应在每个套管处安装测试

[1]

桩,通过套管和管道上的测试导线在地面可以很方便地测试。理想的套管穿越应是套管内干燥无水,而实际调查表明,绝大多数套管内进了水,在这种情况下,由于金属套管的屏蔽作用,使得干线上的保护电流对于套管内介质形成的小腐蚀环境不起作用,因而加速了套管内输送管道的腐蚀。在设计时对套管内应考虑单独的阴极保护方式。通常可采用锌带阳极缠绕在管壁上,作为有渗水的情况下备用,图1是典型的套管保护结构图。施工中应注意锌带不得与套管内壁有电接触。

图1 带状锌阳极对套管内输送管的保护

国内外的大量文献指出,套管穿越弊大于利。采用当今先进的科学技术,完全可以实施无套管穿越,这种穿越的特点是不存在对阴极保护的屏蔽,不影响穿越段的阴极保护效果。不过,采用无套管穿越应注意施工方法的选择,不得造成管道上覆盖层的破坏,否则将会影响保护效果。对于电气化铁路的穿越,应考虑危险电压的作用,要做接地电池防护。

3 电源选用

阴极保护电源选用的原则是高可靠性、经济合理、适应当地气候环境条件、长寿命、维护管理简单,可无

收稿日期:2003-07-11 收修改稿日期:2003-11-04

36 人值守。

电源的类型应根据被保护设备所在地的电力情况,保护系统的管理方法而定。阴极保护首选电源为交流市电,当无交流市电或交流市电不稳定(如农用电)时应选用其他电源,通常可供选择的有太阳能电池、风力发电机、TEG(热电发生器)和CCVT(密闭循环蒸汽发电机)等。有2个或2个以上联合供电方案更加经济、可靠。

所选用的直流电源还应满足下列要求:电源、电压应有一定的调节范围;应能连续工作,事故停电不宜超过24h;有可靠的防雷装置;在被保护管道与接地阳极之间应装有防止电流逆向流动的装置;在交流电干扰地区,电源的抗交流干扰电压不应低于10V;使用整流设备时,宜有滤波装置。

表1[1]列出了可供选择的电源技术条件的比较,图2是ITU(国际通信协会),CCITT(国际电报、电话咨询委员会)对边远无电地区通信系统电源方案的推荐,推荐中考虑了电源的功率,可供阴极保护专业借鉴。

表1 可供选择的电源技术条件比较

类别太阳能电池

TEGCCVT

结构简单较简单复杂

运动部件无无1多土地占有不占不占较大

燃料要求否要要否维护工作简单简单简单较复杂

污染无无无无

噪音无无无无价格贵稍贵贵便宜

蓄电可靠池要不要不要要经济性功率小小大

性高高高低

寿命/a约20202010

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开辅助试片,测出试片的瞬间断电电位便可,它的优点是可避免全线断电问题的出现。

图2 边远无电地区的通信电源推荐方案

5 干扰影响

杂散电流干扰影响是管道设计中常遇到的问题。主要影响的干扰源是直流电气化铁路,如抚顺、鞍山矿

区的电机车,城市有轨电车、地下铁路等。通常干扰影响应以实测为准,在管道埋设前,是无法知道干扰的程度和干扰阳极区的位置的。按SY/T0017)95标准的要求,管道电位正向偏移20mV即认为有干扰。正向偏移100mV就必须采取防护措施。因此,干扰影响的设计应滞后常规阴极保护的设计。对交流电气化铁路,高于110kV的输电线路及变电站对邻近管道的影响主要是安全问题,设计时要考虑对管道保护仪器及绝缘装置的电涌破坏和人身安全的威胁。

在杂散电流源中,最具代表性,对埋地金属管道影响最普遍、最严重的是电气化铁路系统,其次是高压输电系统,它们已引起人们的足够重视,防护措施也较成熟、完善;而直流用电装置(电焊、电解、电镀),阴极保护电流往往被人们所忽视,由此引起的杂散电流干扰腐蚀事故屡见不鲜。应引起有关人员的足够重视,减少此类事故的发生。

实例1[3]:某厂1根埋地不锈钢管道,原来使用法兰联接。因为联接处泄漏,决定改为全焊接联接。在施工过程中,夜里忽降大雨,管沟积水,使已完成的管段淹没在水中。第二天继续施工,结果水中的不锈钢管被/钻0了成千上万个孔,只好重新进行施工。分析:这里的肇事者是电焊机产生的杂散电流。直流电流漏入土壤和水中,会对地下和水下钢铁设备造成严重的腐蚀危害。电流从某处进入钢管,再从另一处离开。电流离开的部位成为阳极区,发生电解腐风力发电机较复杂类别

适用条件输气管道输气管道

无人国内值守现状可可可

商品引进引进

太阳能电池太阳能丰富较小

TEGCCVT

风力发电机风力丰富大小均可不可商品

4 管道电位测量中IR降

由于通电时测量的电位含IR降误差成分,使得测到的管道保护电位值高于实际极化值,引起误判。为此,在管道设计时就要考虑尽量减小测量中的IR降成分。一般采取的方法是在电源上安装通/断继电器,并能做到全线统一控制,使得全线各站的断电器同步停和通,响应误差不应大于011s,这样在测量期间就可测到沿线的通电/断电电位。通/断时间周期可定在12s通3s断上。另一种方法是采用近参比法,将长效参比电极埋设在尽可能靠近管道表面的方位,使土壤R尽可能小,以减小IR降值。有时,辅助试片断电法也是可取的,只是试片不宜多设,因它是一个漏电点,要消耗一部分阴极保护电流。此法测量时只需断 第1期

王朝晖等:管道阴极保护的探讨

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蚀:Fe=Fe2++2e.腐蚀掉的金属量与流出的电量成正比,可按法拉第定律计算。比如1A#h的电量对应于1104g的铁被腐蚀掉。本例中为不锈钢管,水中含有

氯离子,杂散电流流出区域造成不锈钢管表面钝化膜被击穿,形成蚀孔,腐蚀集中于蚀孔内,不锈钢管很快被蚀穿。为了防止杂散电流漏入土壤和水中,一方面直流电系统要构成完整的闭合回路,严禁用土壤和水作为回路的一部分;另一方面导电线路与土壤和水之间要绝缘良好,以防止电流漏入。

实例2:某厂选用不锈钢管作地下输道。安装后大约1a正准备投入使用,油从一端输入,在另一端却未出现。检查发现,管道因杂散电流腐蚀而形成了许多小孔,使油泄漏掉了。原因是附近的碳钢管道实施阴极保护,认为不锈钢是耐腐蚀材料不需要保护,就没有把不锈钢管连接到阴极保护系统中。

分析:对埋地管道和其他设施,效果最好的防护技术是涂层加阴极保护。阴极保护是对被保护设备通入阴极电流(即设备接直流电源负极),电子从电源流入设备,使设备的电位负移,金属的阳极反应速度减小。土壤和海水中的钢铁管道、贮罐、船舶及其他设施是适合采用阴极保护的腐蚀体系,这是因为通入不大的保护电流密度就可以获得很好的保护效果。但是对大面积的设备来说,如果表面没有涂层(裸金属),需要的电流还是很大的。另一方面,被保护设备表面的电流分布是不均匀的(电流分布均匀性称为分散能力),对于长的管道,一个阳极站保护的管道长度比较短,使阳极站的设计很复杂。使用涂层可以解决这2个问题。涂层降低了阴极保护的电流需要,而且提高了电流分散能力。对涂层来说,阴极保护防止了涂层孔隙和损伤处暴露出的金属发生腐蚀。有这样一个例子,一根地下钢管使用涂层加阴极保护,15a未发生故障。后来安装另一条同样的管线,承包商认为双重保护是多余的,就只使用了涂层,没有采用阴极保护,结果不到1a就漏了。这是因为涂层难以完全避免孔隙以及在运输、安装过程中造成的损伤。缺陷和损伤处暴露的金属成了很小的阳极。

实例3[3]:一条直径30mm的碳钢汽发生泄漏,汽油漏入污水系统,最终在人口稠密地区发生爆炸,造成严重后果。这条管线采用了涂层(煤焦沥青)加阴极保护。在管线建成后几年,在它上面敷设了另一条直径113cm的水管线(镀锌管)。在事故发生前报告说保护电位不正常,但未采取任何措施。

分析:根据破坏情况可以推测:弯曲的水管可能损[3]

坏了汽表面局部的涂层;水管受到阴极保护产生的杂散电流腐蚀;水管泄漏引起阴极保护失常。在两条管道相交段水管离汽很近,阴极保护的杂散电流能够进入水管;汽局部涂层损坏,更增加了杂散电流的漏出。由于阴极保护的杂散电流流入水管,在电流流出部位管发生杂散电流腐蚀,最终导致水管穿孔。水管漏出的水冲刷汽表面,使环境腐蚀条件强化,需要的保护电流增大。在电源容量已定的条件下,满足不了保护电流的需要,阴极保护系统失去作用,汽只能靠表面涂层,而涂层又局部损坏。汽失去了保护,迅速腐蚀穿孔。

在埋地钢管进行阴极保护的设计中,必须注意可能对附近其他地下管道或设施造成的杂散电流腐蚀问题。阴极保护电流从埋地阳极通过土壤流向被保护管道。当附近有其他管道时,电流可能从一个部位流入这些管道,而从另一个部位流出(如图3所示)。电流流出的部位成为阳极区,使该处管道遭到腐蚀。即使是不锈钢管一样会发生杂散电流腐蚀。为了避免阴极保护造成的杂散电流腐蚀,可采取如下方法:

(1)最好的方法是在设计时将附近的管道和设施都纳入阴极保护系统,一起进行保护。

(2)提高管道相交段的表面绝缘等级,或涂覆新的绝缘层,以避免杂散电流流入,涂覆长度一般10m左右。

(3)在多管道地区,最好采用多个阳极站,每个站的保护电流较小,阳极站离被保护管道较近,以缩小保护电源范围。

(4)在地下设施密集的城市地区,可采用深井埋置阳极(井深15m以上),阳极在井中垂直方向安装。

(箭头表示电流方向)

图3 阴极保护系统产生的杂散电流对附近管道的腐蚀

6 管道强制阴极保护的检查与维护611 保护参数的测量

定期检查沿线管地电位的分布规律,并作好测试记录。在用恒电位仪操作时,必须经常检查给定电位是否为规定值;在用整流器操作时,须经常测量汇流点的电位,并及时调整稳定在保护电位范围内。经常检测整流器的输出电流和电压,如发现电流大大下降,电

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压上升时,要检查阳极接地电阻值的变化,阳极是否被腐蚀断开了;阴极导线与阳极导线的接触是否良好。如发现电流值增大很多,电压反而下降时,说明有局部短路,检查阳极是否与被保护的金属相接触,或者是别的金属使阳极短路了。定期测量阳极接地电阻及检查绝缘法兰的绝缘性能。在正常情况下,绝缘法兰外侧管线的对地电位应与自然电位相同,如绝缘法兰两侧管地电位发生异常情况,应及时检查绝缘法兰的绝缘性能是否良好。若发现阳极接地电阻显著增大,要及时检查阳极装置,调整并采取必要措施。612 设备维修

强制阴极保护的正常运转关键在于电源设备的维护与管理。对设备要有专人管理,在安装电源设备的场所,保持干燥、清洁。操作仪器时严格遵守操作规程,定期进行检修,并作好检修记录。613 资料整理

定期总结整理测试记录、检修记录并绘制沿线电位分布图。这有助于分析防腐保护效果,在运行中改进不足之处,为保护阴极保护装置的长期安全运行提供基础。

7 气相环境中的管道阴极保护[4]

自1824年英国科学家戴维发明阴极保护至今,这项有效的防腐技术一直只能应用于液体电解质或者以此为导电组分的腐蚀环境中,如土壤、海水。很多专家都认为阴极保护不能用于避免水线以上的腐蚀,因为外加电流不能达到没有与电解质接触的金属表面。20世纪80年代末,国内有关单位成功地研制了气相环境中实施外加电流阴极保护的装置,开拓了阴极保护技术应用的新领域。和传统外加电流阴极保护技术相比,

气相环境中金属阴极保护电流不会流

失,不会造成对临近金属的干扰腐蚀,不会有阴极保护死角,不需设置绝缘法兰,不怕被保护金属接地。当由于某种原因湿气渗透到基本金属表面时,因具有阴极

保护,腐蚀仍可得到有效控制,弥补了传统涂料防腐不佳的缺点。

气相环境中金属阴极保护的原理是在需要保护的金属构件表面涂敷一层由快离子导体(钠BETA氧化铝)等材料配制而成,代号为CK的固体电解质涂料,一层代号为KC的电子导电涂料,借助极化电源,使被保护金属在CK涂料中进行阴极极化,控制一定的极化程度则腐蚀即可减缓或抑止。在40e温度条件下测试,当阴极保护电位控制在-0185V时,气相环境中的金属腐蚀率可在010057~01036mm/a之间,保护度在93%以上,金属使用寿命可延长20倍以上,远比常规防腐蚀效果好。架空管线阴极保护装置如图4所示。

1)极化电源(PS-2型固体电解质恒电位仪);2)固体参比电极;

3)架空金属管道;4)CK固体电解质涂层;5)阳极接点;

6)辅助阳极层;7)阴极接点

图4 恶劣腐蚀环境中架空管道阴极保护装置示意图

参 考 文 献[1] 胡士信.阴极保护工程手册.北京:化学工业出版社,1999.[2] 5油库技术与管理手册6编写组.油库技术与管理手册.上海:上海

科学技术出版社,1997.

[3] 张远声.腐蚀破坏事故100例.北京:化学工业出版社,2000.[4] 于贤福,石永春.油库技术管理.北京:中国石化出版社,1998.

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R1=21168MPa;R2=100166MPa;

R=R1+R2=122134MPa所以,选择532319@32)0Cr18Ni9Ti管坯,并按532319@32管坯尺寸设计的芯棒强度可以满足生产要求。管件公司最终采纳了选用532319@32)0Cr18Ni9Ti管坯制造管件的方案。4 结束语

这种方法不仅对以后制造特种弯头时管坯和芯棒的选料提供了依据,同时也起到了降低芯棒材料和管坯材料成本的作用。虽然利用该方案推制出了合格的产品,但还存在很多问题,未能得到解决。尤其是芯棒材料在高温状态下疲劳计算问题,造成了每推出3件产品后,芯棒开始断裂的现象,有待于进一步研究。

参 考 文 献[1] [前苏联]斯托罗热夫MB.金属加工的理论基础.杨鸿动译.北

京:科学出版社,1962.

[2] 赵志业.金属塑性加工力学.北京:冶金工业出版社,1992.[3] 杨觉先.金属塑性变形物理基础.北京:冶金工业出版社,1995.[4] 王廷溥.轧制理论与金属塑性加工.北京:冶金工业出版社,1992.[5] 刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社,1979.