什么是管道陰極保護及其陰極保護原理

       什么是管道陰極保護及其陰極保護原理：防止金屬腐蝕的方法很多，電化學(xué)保護是其中之一。
　　管道陰極保護：由于金屬在自然環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的腐蝕破壞大部分為電化學(xué)腐蝕造成。因此，電化學(xué)保護在腐蝕控制工程中占有重要地位。
　　對金屬表面施加防腐絕緣層，是一種物理防護方法，它通過金屬表面的絕緣處理，使金屬與腐蝕介質(zhì)隔離開。這種防護方法是有效的。但是，任何一種絕緣的涂層材料都不可能完全不透小分子，如水、氧氣等。同時，鋼與防腐絕緣層界面之間的物質(zhì)傳遞也是不可避免的。再者，金屬表面的防腐絕緣層在生產(chǎn)、貯存、運輸與施工中不可能不產(chǎn)生缺陷。電化學(xué)保護法可以彌補這些缺陷，它可以對腐蝕反應(yīng)進行積極的干預(yù)，抑制腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。
　　防腐層與電化學(xué)保護的同時使用的方法稱為聯(lián)合保護。聯(lián)合保護使腐蝕控制手段相互補充，使腐蝕控制工程成本降低，經(jīng)濟合理，安全可靠。這已成為世界發(fā)達國家對地下、水中的金屬結(jié)構(gòu)進行防腐保護的共同措施。
　　電化學(xué)保護分為陰極保護和陽極保護。陰極保護是在金屬表面通過足夠的陰極電流，使金屬表面陰極極化，成為電化學(xué)電池中電位均一的陰極，從而防止其表面腐蝕的防腐技術(shù)。陰極保護適用于土壤、淡水、海水等介質(zhì)中金屬的腐蝕防護。
　　陽極保護是在金屬表面通以適度的陽極電流，使金屬表面陽極極化、進入鈍化狀態(tài)，從而防止金屬表面腐蝕的防腐技術(shù)。陽極保護適用于酸類、鹽類等強腐蝕性環(huán)境下的腐蝕防護。其投資比較高。

一、陰極保護原理與應(yīng)用

　　(一)應(yīng)用范圍
　　1．淡水及海水中 陰極保護可防止碼頭、船舶、平臺、閘門、冷卻設(shè)備等的腐蝕。
　　2．堿及鹽類溶液中 陰極保護可防止貯槽、蒸發(fā)罐、熬堿鍋等的腐蝕。
　　3．土壤及海泥中 陰極保護可防止管線、電纜、隧道等的腐蝕。
　　陰極保護技術(shù)還可應(yīng)用于防止某些金屬的局部腐蝕，如孔蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞等。
　　(二)溶液中金屬的腐蝕反應(yīng)
　　水溶液中和土壤中的金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。其腐蝕的形式如圖10-19所示。在腐蝕電池中，電極電位低的為陽極。電極電位高的為陰極。隨著反應(yīng)過程的進行不斷產(chǎn)生電流。以鋼鐵為例，其反應(yīng)式為：

圖10-19 腐蝕電池的局部作用

當(dāng)介質(zhì)呈酸性時，陰極反應(yīng)以下面二個形式進行；

　　上述電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合形成Fe(OH)2，再繼續(xù)反應(yīng)生成不溶性鐵銹：

　　在鐵的腐蝕反應(yīng)時，陽極反應(yīng)只有一個，而陰極反應(yīng)又可分成析氫型腐蝕和耗氧型腐蝕。
　　(三)陰極保護原理
　　根據(jù)電化學(xué)理論，腐蝕電池的極化曲線簡化形式如圖10-20所示。Ea為陽極開路電位，Ec為陰極開路電位。隨著電流的流動，陰極發(fā)生陰極極化，陽極發(fā)生陽極極化。由于兩極間電解質(zhì)存在電阻，所以電流流動中產(chǎn)生IR除。電流I相當(dāng)于腐蝕電流。若不考慮IR降，Ic為腐蝕電流。對應(yīng)的陰極和陽極的電位一致，稱為金屬體的自然電位E。
　　當(dāng)金屬體上通直流電流并陰極極化時，就會出現(xiàn)E繼續(xù)下聊。當(dāng)下降到陽極開路電位時，腐蝕電流即為零，也就是說腐蝕停止。這時所加的陰極電流即最小保護電流，這一電位常稱最小保護電位。

二、陰極保護的方法

　　(一)犧牲陽極法
　　用電極電位更負(fù)的金屬或合金與被保護的金屬連接在一起，構(gòu)成新的宏觀電池(見圖10-21)、在這個電池里被保護體為陰極，較負(fù)電位的金屬為陽極。由于陽極的氧化反應(yīng)而使陽極金屬不斷腐蝕溶解，即“犧牲”掉，以實現(xiàn)對陰極金屬的保護。這種方法稱為犧牲陽極法。作為犧牲陽極材料，應(yīng)具備以下特點：

圖10-20 腐蝕電池的極化曲線
Ec—陰極開路電位 Ea—陽極開路電位 E—自然電位，Ic—自腐蝕電流 Ii—腐蝕電流 Ix—防腐電流 Ip—保護電流

　　1．電極電位負(fù)，對被保護體驅(qū)動電壓要大。
　　2．工作中陽極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫離。
　　3．電化當(dāng)量高，即單位重量的電容量要大。
　　4．自腐蝕小且腐蝕均勻，電流效率高。
　　5．腐蝕產(chǎn)物無毒，不污染環(huán)境。
　　6．材料來源廣，加工容易，價格便宜。
　　目前廣泛使用的犧牲陽極品種較多，但歸納起來，不外乎三大類；鎂基(包括高純鎂)、鋅基(包括高純鋅)、鋁基。
　　(二)強制電流法
　　根據(jù)陰極保護原理，用直流電源直接向被保護金屬通過陰極電流，使之陰極極化以達到陰極保護的目的。這一方法稱為強制電流法。如圖10-22所示。強制電流系統(tǒng)中都裝有輔助陽極，以便與被保護體構(gòu)成電的回路。在此，被保護體接直流電源的負(fù)極，輔助陽極接直流電源的正極。強制電流法目前為國內(nèi)長輸管道保護的主要形式。
　　強制電流法有以下特點：
　　1．工程越大、投資比重越小，因此對于太小的工程使用強制電流法在經(jīng)濟上是不合算的。
　　2．輔助陽極壽命長，設(shè)計合理，一般可達20年以上。
　　3．直流電源的輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)。

圖10-21 犧牲陽極法

圖10-22 強制電流法

　　4.適應(yīng)外界環(huán)境的電阻率范圍廣，可不受土壤電阻率的限制。
　　強制電流法的不足之處是：電源設(shè)備需要維護，管理工作量較大，對鄰近的構(gòu)筑的干擾影響大，需要外部電源等。
　　(三)排流保護
　　1.直接排流 見圖10-23。當(dāng)雜散電流干擾影響的電位極性穩(wěn)定不變時，可以將管道與軌道用電纜直接進行電連接，排除雜散電流進行保護。此法適用于離鐵路直流供電所較近的地方，用電纜把管道直接接到負(fù)回歸線上。這種方法簡單易行，缺點是調(diào)查不準(zhǔn)、選擇不當(dāng)時，會造成引流，加大雜散電流。
　　2.極性排流 見圖10-24。當(dāng)雜散電流干擾影響的極性正負(fù)交變時，可通過串入二極管把雜散電流排回到軌道上，由于二極管的單向?qū)ㄔ?，只允許雜散電流單向流動，故稱極性排流。
　　此法是目前廣泛使用的排流法，通過調(diào)節(jié)可以有效控制住雜散電流腐蝕。
　　3.強制排流 流如圖10-25所示。采用極性排流只有當(dāng)雜散電流存在時才能對被保護體施加保護，在不排流期間被保護體就處于自然腐蝕狀態(tài)。為解決這種狀態(tài)下的保護，可以使用強制排流，即通過整流器進行排流。當(dāng)有雜散電流時利用排流保護，當(dāng)無雜散電流時用整流器供給保護電流，使之處于陰極保護狀態(tài)中。一般都使用電位能自動控制的整流器，在有排流保護時最好也留有少量保護電流輸出。
　　(四)陰極保護方法的比較與選擇

圖10-23 直接排流法

圖10-24 極性排流法

圖10-25 強制排流法

　　管道陰極保護方法的優(yōu)缺點，見表10-45。

表10-45 管道陰極保護方法及其優(yōu)缺點
方法 優(yōu)點 缺點
強制電流 1.輸出電流連續(xù)可調(diào) 1.需要外部電源
2.保護范圍大 2.對鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大
3.工程越大，相對投資比例越小  3.維護管理工程復(fù)雜
4.不受土壤電阻率限制  
5.保護裝置壽命長  
犧牲陽極 1.不需要外部電源 1.高電阻率土壤中不能使用
2.對鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小 2.保護電流幾乎不可調(diào) 
3.投產(chǎn)調(diào)試后可不需管理 3.覆蓋層質(zhì)量必須好
4.工程小，經(jīng)濟效益高 4.投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜
5.保護電流分布均勻，利用率高 5.消耗大量有色金屬
排流保護 極性排流 1.利用雜散電流保護管道 1.對其他構(gòu)筑物有干擾影響
2.經(jīng)濟適用 2.電鐵停運時，管道得不到保護
3.方法簡單，需簡單管理 3.易造成過負(fù)電位(過保護)
4.電鐵運行時可自動防止雜散電流腐蝕  
強制排流 1.保護范圍廣 1.對其他金屬構(gòu)筑物有干擾影響
2.電壓、電流連續(xù)可調(diào) 2.需要外部電源
3.以軌道代替輔助陽極，結(jié)構(gòu)簡化 3.排流點易過保護
4.電鐵停運時，管道仍被保護  
5.不存在陽極干擾  

　　這些方法的選擇要根據(jù)管道覆蓋層質(zhì)量好壞、工程規(guī)模大小、土壤環(huán)境條件、電源的利用及經(jīng)濟價值來確定。
　　(五)陰極保護的基本參數(shù)
　　1．最小保護電流密度 陰極保護時，使金屬腐蝕停止或達到允許程度時所需的電流密度值，稱為最小保護電流密度。
　　最小保護電流密度是陰極保護設(shè)計的重要參數(shù)。如選用不當(dāng)，或者達不到完全保護?；蛘咴斐蛇^保護，都會使陰極保護的效果降低，或不經(jīng)濟，浪費多余的電能。直接從被保護金屬體表面測到其所分布的最小保護電流密度是比較困難的，一般通過被保護體的總保護電流與被保護體的總面積相除來獲得。
　　最小保護電流密度的大小取決于被保護金屬的種類、表面狀況，腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、組成、濃度、溫度和金屬表面絕緣層質(zhì)量等。上述條件不同，最小保護電流密度的值也不同。碳鋼在不同介質(zhì)中的最小保護電流密度，可參見表10-46～10-48。

表10-46 鋼在不同介質(zhì)中的最小保護電流密度(mA/m2)
介質(zhì) 電流密度 介質(zhì) 電流密度
含氧的自然土壤 35 潮濕混凝土 0.055～0.27
流動的海水 65～172 含硫酸鹽還原菌土壤 450
流動的淡水 50 靜止的淡水 0.05～0.10

表10-47 防腐層種類及所需保護電流密度(mA/m2)
防腐層種類 保護電流密度 防腐層種類 保護電流密度
聚乙烯層(3mm厚) 0.001～0.007 舊瀝青層 0.5～3.5
石油瀝青玻璃布(7mm) 0.01～0.05 石蠟布 0.5～1.5
石油瀝青玻璃布(4mm) 0.05～0.25 舊漆布 1～30

表10-48 防腐層電阻和所需保護電流密度
防腐層電阻/(Ω·m2) 保護電流密度/(mA/m2) 防腐層電阻/(Ω·m2) 保護電流密度/(mA/m2)
1000000 0.0003 3000 0.1
300000 0.001 1000 0.3
100000 0.003 300 1
30000 0.01 100 3
10000 0.03 30 10

　　涂層種類不同，所需的保護電流密度值就不同。這是由于保護電流經(jīng)陽極引入土壤，再流經(jīng)絕緣層的過渡電阻不同。鋼管外覆蓋層的絕緣電阻值越高，所需的保護電流密度值越小。
　　對于無防腐層的裸管，從實際工程中的經(jīng)驗值來看，大約為5～50mA/m2，遠(yuǎn)大于有防腐層鋼管的值。因此，裸管采用陰極保護技術(shù)上是可行的，但經(jīng)濟上是不合理的。
　　埋于土壤中的鋼筋或處在混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管，其最小保護電流密度經(jīng)驗值大約為2mA/m2。
　　最小保護電流密度參數(shù)影響因素很多，數(shù)值變化很大，且在保護過程中也隨介質(zhì)環(huán)境的變化而變化，故只能作參考值。設(shè)計時常常根據(jù)工程實際情況和經(jīng)驗取值。
　　2．最小保護電位 為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化所必須達到的絕對值最小的負(fù)電位值，稱為最小保護電位。
　　最小保護電位常常是腐蝕原電池微陽極的起始電壓或與之近似。這是由于只有當(dāng)陰極保護電源向受到腐蝕的陽極部位，提供了足夠的相反電流(即極化電流)，使之恰好抵消了腐蝕電流后，腐蝕才能停止。此時，陰極區(qū)(腐蝕電池發(fā)生地)的電位將被極化到陽極區(qū)的管地是位，金屬表面電位均一，金屬受到保護。
　　最小保護電位也與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成、溫度、濃度等有關(guān)。最小保護電位值通常是用來判斷陰極保護是否充分的基準(zhǔn)。因此，此電位值是監(jiān)控陰極保護的重要參數(shù)。
　　實驗測定，鋼在土壤及海水中的最小保護電位為-0.85V(相對飽和硫酸銅參比電極)。
　　表10-49 列出一些金屬的保護電位值，供參考。

表10-49 一些金屬的保護電位值①
金屬或合金 參比電極
Cu/CuSO4 Ag/AgCl/海水② Ag/AgCl/飽和KCl Zn/潔凈海水
鐵與鋼        
含氧環(huán)境 -0.85 -0.80 -0.70 +2.5
缺氧環(huán)境 -0.95 -0.90 -0.80 +1.5
鉛 -0.6 -0.55 -0.5 +0.5
銅合金 -0.5～-0.65 -0.45～-0.6 -0.41～-0.55 +0.6～+0.45
鋁③        
正的極限值 -0.95 -0.90 -0.85 +0.15
負(fù)的極限值 -1.2 -1.15 -1.1 -0.1

　　注：①此表數(shù)據(jù)取自1973年6月英國標(biāo)準(zhǔn)研究所制定的陽極保護規(guī)范；
　　　?、诤Ｋ抵笣崈?、充氣并未稀釋的海水；
　　　?、垆X進行陰極保護時，電位不能太負(fù)、否則會加速腐蝕，產(chǎn)生負(fù)保護效應(yīng)。
　　對于不知最小保護電位值的情況。也可以采用比自然電位負(fù)0.2～0.3V(對鋼鐵)和負(fù)0．15V(對鋁)的辦法來確定。對于一個具體的工程體系，最好通過試驗來確定最小保護電位值。
　　在工程實踐中，測取最小保護電位值時必須注意測量誤差。我國陰極保護的實踐已證明，測量到的電位值有不少已達到或超過最小保護電位的金屬管道，仍然發(fā)生了腐蝕穿孔。這是因為無法將參比電極放置在金屬管道與土壤接觸的界面上。實際測量時，往往將參比電極放置在管道正上方地表面上，或更遠(yuǎn)的一些點上。測量電路包括了土壤的壓降，即國際上常稱“IR”降。在實測到的金屬管道界面與硫酸銅參比電極間的土壤的是位差，要比金屬管道界面與土壤溶液直接接觸界面的電位值負(fù)。因此，地面測量達到保護電位的管道，其實際界面上并未達到保護電位值。因此，消除IR降的干擾，降低其引起的誤差，是正確評價和監(jiān)控陰有保護的必然要考慮的因素。
　　3.最大保護電位 在陰極保護中，所允許施加的陰極極化的絕對值最大值。在此電位下管道的防腐層不會受到破壞。此電位值就是最大保護電位。
　　陰極保護電位值，并不是愈負(fù)愈有利于金屬的防護。過負(fù)的電位會產(chǎn)生不良作用，這就是陰極剝離。陰極剝離是由于陰極極化電流過大，造成金屬表面電位過負(fù)，當(dāng)此電位值達到析氫電位時，陰極表面的H+會在其表面上得電子，產(chǎn)生氫原子，從而產(chǎn)生析氫反應(yīng)。例如在碳鋼表面，當(dāng)陰極化電位達到-1．25V時，就會產(chǎn)生析氫。這種現(xiàn)象會造成金屬表面的防腐層與管道的剝離，促使防腐層加速老化。因此，陰極保護中有最在保護電流的限制，而與之配合使用的防腐絕緣層材料則有抗陰極剝離性能的要求。過保護，還會產(chǎn)生過多的電能消耗。
　　最大保護電位值的大小通常通過試驗確定。對于石油瀝青防腐層取-1.25V。

三、陰極保護準(zhǔn)則

　　帶有覆蓋層的管道的電位由如下的分量所決定：

Von=Vo+Vp+Vs=Eo+RpI+RsI (10-8)

式中 Von——通電流時保護電位；
　　　Vo——自然電位；
　　　Vp——極化電位；
　　　Vs——土壤中電位降；
　　　RP——極化電阻；
　　　Rs——土壤介質(zhì)電阻；
　　　　I——保護電流。
　　在這參數(shù)中，對陰極保護起作用的只有極化電位Vp，也就是電化學(xué)極化。當(dāng)時間等于零時，可將上述方程簡化為：

Voff=Vo+Vp

　　Voff為斷電瞬間測得的極化電位，已消除了土壤介質(zhì)IP降的成分。在此，引入了兩個概念：通電時保護電位Von和斷電瞬間極化電位Voff(亦為保護電位)。
　　關(guān)于埋地鋼質(zhì)管道陰極保護的準(zhǔn)則，美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)的推薦標(biāo)準(zhǔn)RP-01-69有較全面的規(guī)定，已廣為世界各國所采用。即：
　　1.在通電情況下，測得構(gòu)筑物相對飽和銅—硫酸銅參比電極間的負(fù)(陰極)電位至少為0．85V。
　　2.通電情況下產(chǎn)生的最小負(fù)電位值較自然電位負(fù)偏移至少300mV。
　　3．在中斷保護電流情況下，測量極化衰減。當(dāng)中斷電流瞬間，立即形成一個電位值，以此值為測定極化衰減的基準(zhǔn)讀數(shù)。測得的陰極極化電位差至少100mV。
　　4.構(gòu)筑物相對土壤的負(fù)電位至少和原先建立的E-logI曲線的塔費爾曲線的初始負(fù)電位點一樣。
　　5.所有電流均為從土壤電解質(zhì)流向構(gòu)筑物。
　　以上5條中，前3條在實踐中常用。后2條測定比較復(fù)雜，一般很少使用。當(dāng)有硫酸鹽還原菌存在時，負(fù)電位應(yīng)再增加-100mV，也就是-0．95V。
　　在測量管道電位時，應(yīng)將參比電極放置在盡量靠近管道的位置，力求減少土壤介質(zhì)中的IR降成分。
　　不過，美國《Materials Performance》(材料性能)雜志近些年來開展了對NACERP-01-69中關(guān)于陰極保護準(zhǔn)則的討論，對原來五項準(zhǔn)則提出修正，力求更科學(xué)，定義更加完善。其主要觀點是：
　　1．-0．85V/CSE應(yīng)是一個極化電位準(zhǔn)則，應(yīng)當(dāng)消除測量時土壤介質(zhì)中IR降誤差。
　　2.相地自然電位的-300mV偏移準(zhǔn)則應(yīng)去掉，來強化斷電去極化-100mV偏移的準(zhǔn)則，因它較前者更科學(xué)、更經(jīng)濟。
　　3.E-logI的準(zhǔn)則應(yīng)被描述為最小電流密度的準(zhǔn)則，而不應(yīng)是保護電位的準(zhǔn)則。
　　4.原用流入構(gòu)筑物的凈電流判斷方法，實際中不能用，應(yīng)去掉。
　　國內(nèi)對IR降的作用和測量也做了大量研究工作，目前較為成熟的有斷電法和輔助試片法。
　　土壤中常用飽和硫酸銅電極為參比電極(CSE)，當(dāng)使用其他參比電極時，可進行換算。表10-50給出了各種參比電極的標(biāo)準(zhǔn)電位。

表10-50 參比電極標(biāo)準(zhǔn)電位 (V)
電極種類 電極構(gòu)成 氫標(biāo)電位(25℃) 修正系數(shù)(t-25℃)/(V/℃) 鋼鐵保護電位(25℃)
飽和甘汞 Hg/HgCl2/飽和KCl +0.2415 -0.00076 -0.77
海水甘汞 Hg/HgCl2/海水 +0.2959 -0.00028 -0.83
飽和氯化銀 Ag/AgCl/飽和KCl +0.1959 -0.0011 -0.73
海水氯化銀 Ag/AgCl/海水 +0.2505 -0.00063 -0.78
飽和硫酸銅 Cu/CuSO4/飽和CuSO4 +0.3160 +0.0009 -0.85

　　注：利用修正系數(shù)的計算方法是實測溫度t減去25℃再乘以修正系數(shù)，即為實際電位偏移修正值。
　　對于陰極保護來說，其保護電流密度只是參考數(shù)值，它主要取決于被保護構(gòu)筑物表面狀況，一般不用作判據(jù)。

四、管道陰極保護附屬裝置

　　(一)絕緣法蘭
　　在管道的某些位置上需要安裝絕緣法蘭，以切斷陰極保護電流，防止電流的注失及時非保護金屬構(gòu)筑物的干擾。原則上絕緣法蘭應(yīng)安裝在以下部位“
　　1.管道與站、庫的連接處。
　　2.管道與設(shè)備的所有權(quán)分界處。
　　3.支管與干管連接處。
　　4.有防腐覆蓋層管段與裸管道的連接處。
　　5.管道大型穿、跨越段的兩端。
　　6．新舊管道、不同材質(zhì)管道的連接處。
　　對于雜散電流干擾段，也可采用絕緣法蘭減輕干擾。
　　絕緣法蘭結(jié)構(gòu)如圖10-26所示。在兩片法蘭盤中墊以絕緣墊片，螺栓上套有絕緣套管，螺栓兩頭用絕緣墊圈隔開，以保證法蘭兩側(cè)相互絕緣。絕緣法蘭的制造、檢測、安裝均應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《絕緣法蘭設(shè)計技術(shù)規(guī)范》(SYJ16-85)的規(guī)定。原則上絕緣法蘭不應(yīng)埋地使用。
　　目前國外還大量使用一種埋地型絕緣接頭，其作用和絕緣法蘭一樣，其結(jié)構(gòu)圖如圖10-27。
　　在有防爆要求的區(qū)域使用絕緣法蘭(或接頭)及在強干擾下或雷爆區(qū)的絕緣法蘭，均要求采用一定的防護措施。常用的有二極管保護裝置(多用硅，利用它的導(dǎo)通電壓0．7V，可不影響陰極保護)和鋅(鎂)接地電池。圖10-28所示為二極管保護，圖10-26為避雷保護(圖10-58為接地電池保護)。

圖10-26 絕緣法蘭結(jié)構(gòu)
1—避雷器 2—絕緣套筒 3—絕緣墊片 4—絕緣墊

圖10-27 埋地型絕緣接頭

　　(二)陰極保護測試樁
　　為測量陰極保護參數(shù)以檢驗陰極保護效果，需要沿管道每隔一定距離安裝一個陰極保護試樁。按測試樁的功能可分為電流測試樁和電位測試樁，它們都屬于管道上永久檢測裝置。
　　測試樁的設(shè)置原則是：
　　1.被保護管道每隔1～2km設(shè)一個電位測試樁。
　　2.被保護管道每隔5～8km設(shè)一個電流測試樁。
　　3.管道穿、跨越鐵路、公路、河流處均設(shè)電位測試樁。
　　4.絕緣法蘭兩側(cè)要設(shè)電位測試樁。
　　5.與其他管道、電纜交叉處設(shè)電位測試樁。

圖10-28 絕緣法蘭的防干擾保護(二極管保護)

　　6.交、直流干擾區(qū)域內(nèi)，測試樁可視情況適當(dāng)加密。
　　測試樁的設(shè)計要求為：
　　1.必須堅固耐用，易于檢測。
　　2.應(yīng)按一定方向排列編號。
　　3.測試導(dǎo)線應(yīng)具有足夠強度，與管道連接必須堅固且導(dǎo)電性能良好。
　　4.測試導(dǎo)線外部必須有良好的防腐絕緣材料包扎，且絕緣材料應(yīng)與管道防腐材料有良好的相隔性。
　　5.測試導(dǎo)線應(yīng)有一定的裕量。
　　測試樁的典型結(jié)構(gòu)及導(dǎo)線連接圖，如圖10-29所示。
　　(三)檢查片
　　為了定量檢查陰極保護效果，要選擇典型地段埋設(shè)與被保護構(gòu)筑物相同材質(zhì)的腐蝕片，常稱為檢查片。工程上常用裸片，它的數(shù)量不宜多(4～8片)，以減少陰極保護電流的流失。檢查片一般都成對埋設(shè)，每對中一片與管道相連(有保護)，另一片不相連(無保護)。經(jīng)一定時間(一年或二年)后挖出，稱重。按下式計算出陰極保護的保護度：

式中 G1——無保護檢查片失重(g)；
　　　S1——無保護檢查片面積(cm2)；
　　　G2——有保護檢查片失重(g)；
　　　S2——有保護檢查片面積(cm2)。
　　鋼試片尺寸可用100mm×50mm×5mm，稱重精度為0.01克。試片要經(jīng)有機溶劑脫脂、酸洗除銹和去除軋制氧化皮。吹干干燥24h后，才能精確稱重。用瀝青或石蠟將檢查片編號。

圖10-29 測試樁結(jié)構(gòu)
1、2—線電流測點 2—電位測點 3—套管測試點　4—測試接線盒 5—公路 6—樁體

　　檢查片常規(guī)測試周期不得少于1年。推薦為1、2、5、10、20年。檢查片埋設(shè)見圖10-30。檢查片之間相距300mm。在雜散電流干擾區(qū)，應(yīng)把檢查片埋在直流雜散電流從管道流出的地點。
　　檢查片單位時間單位面積的失重按下式計算：

式中 V——檢查片平均腐蝕速率(mg/cm2·d)；
　　　W——檢查片失重(g)；
　　　A——檢查片暴露面積(cm2)；
　　　t——檢查片埋設(shè)時間(d)。

圖10-30 檢查片安裝示意圖
a)有保護的片 b)無保護的片 c)正面圖

　　檢查片單位時間的平均厚度損失為：

式中 VL——檢查片平均腐蝕速率(mm/a)；
　　　ρ——檢查片密度(g/cm3)。
　　(四)均壓線
　　為避免干擾腐蝕，用電纜將同溝敷設(shè)、近距離平行或交叉的管道連接起來，以消除管道之間的電位差。此電纜稱為均壓線。
　　均壓線安裝后，兩管道間的電位差不應(yīng)超過50mV。
　　均壓線的施工多在已運行中的管道上進行，為保證不停止輸氣、帶壓施工條件，要求施工快速與安全。為避免火災(zāi)事故，我國四川氣田建設(shè)中采用了導(dǎo)電膠粘接技術(shù)，并經(jīng)實踐證明完全符合使用要求。
　　導(dǎo)電膠不但要有一定的粘接強度，而且還要具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，并能在短時間內(nèi)迅速固化，達到良好的粘接與導(dǎo)電。
　　導(dǎo)電膠有市售導(dǎo)電膠和自制導(dǎo)電膠兩種配方。
　　1.市售導(dǎo)電膠
　　(1)DAD-1導(dǎo)電膠的組分：
　　三聚醛 　　　　　　　　　　　　　　　　0．2份
　　303改性酮苯二酚甲醛　　　　　　　　　　　 1份
　　銀粉　　　　　　　　　　　　　　　　　 3．6份
　　氫氧化鈉 　　　　　　　　　　　　　　　0．05份
　　(2)DAD-2導(dǎo)電膠的組分：
　　聚酯樹旨 　　　　　　　　　　　　　　　　1份
　　改性的異氰酸脂 　　　　　　　　　　　　　4份
　　銀粉 　　　　　　　　　　　　　　　　　　10份
　　2．自制導(dǎo)電膠配方的組分：
　　618環(huán)氧樹脂 　　　　　　　　　　　　　　　7g
　　聚硫橡膠 　　　　　　　　　　　　　　　　1.4g
　　銀粉(300目)　　　　　　　　　　　　　　　 50g
　　上述材料攪拌均勻，加入固化劑
　　苯二甲胺 　　　　　　　　　　　　　　　　1．5g
　　N-芐基-R·N-甲基胺 　　　　　　1滴(約0．05g)
　　按此配方配好混合攪拌均勻后，2h膠凝，4h硬化。用上述重量比可粘一處接頭。
　　導(dǎo)電膠應(yīng)在15℃以上環(huán)境施工，且應(yīng)做好粘接前的表面處理。粘接后，要等硬化后檢查導(dǎo)電良好才能作防腐處理。

五、緩蝕劑

　　(一)定義
　　緩蝕劑是一些用于腐蝕環(huán)境中，抑制金屬腐蝕的添加劑。對于一定的金屬/腐蝕介質(zhì)體系，只要在腐蝕介質(zhì)中加入少量的緩蝕劑，就能有效地減少或完全抑制腐蝕速率。
　　緩蝕劑的使用不需要任何特殊的設(shè)備，且用量有限，因此緩蝕劑保護是一種經(jīng)濟效益顯著的金屬防護措施。美國阿拉斯加管線就成功地使用了緩蝕劑防蝕技術(shù)。
　　(二)分類
　　緩蝕劑的應(yīng)用廣泛。由于緩蝕劑機理復(fù)雜，因此有多種分類方法。
　　1．按電化學(xué)作用機理劃分：
　　(1)陽極型緩蝕劑 在中性介質(zhì)中使用的絡(luò)酸鹽、亞硝酸鹽、正磷酸鹽、硅酸鹽等，它們都增加陽極極化，其機理是緩蝕劑的陰離子向陽極表面遷移，使金屬鈍化。但其用量不足，不能充分覆蓋陽極表面時，易形成小陽極、大陰極的腐蝕電池，反而會加速金屬的孔蝕。因此，陽極型緩蝕劑又有“危險性緩蝕劑”之稱。陽極緩蝕劑是應(yīng)用廣泛的緩蝕劑。
　　(2)陰極型緩蝕劑 陰極型緩蝕劑能使陰極過程減慢。增大氫析出的過電位，使腐蝕電位負(fù)移。例如，酸式碳酸鈣、聚磷酸鹽、硫酸鋅等。酸式碳酸鈣、硫酸鋅的陽離子能夠移向陰極表面，與陰極過程中生成的氫氧根離子反應(yīng)，生成微溶的碳酸鈣和氫氧化鋅沉淀膜，從而抑制腐蝕。這類緩蝕劑又有“安全緩蝕劑”之稱。
　　(3)混合型緩蝕劑 含氮、含硫及既含氮又含硫的有機化合物、瓊脂、生物堿等，它們對陰析過程和陽極過程同時起抑制作用。雖然作用的結(jié)果對腐蝕電位的影響不大，但卻可使腐蝕電流減少很多。
　　以上3種緩蝕劑的電化學(xué)作用機理，如圖10-31所示。

圖10-31 緩蝕劑抑制電極過程的三種類型

　　2.按緩蝕劑所形成的保護膜特征劃分
　　(1)氧化膜型緩蝕劑 這類緩蝕劑能使金屬表面形成致密、附著力強的氧化膜，故又稱為“鈍化劑”。這種膜達到一定厚度(如50～100  )后，氧化反應(yīng)的速度變緩慢。例如：鉻酸鹽可使鐵的表面氧化成保護膜，就能抑制鐵的腐蝕。
　　(2)沉淀膜型緩蝕劑 這類緩蝕劑能與介質(zhì)中的有關(guān)離子反應(yīng)，并在金屬表面形成防腐蝕的沉淀膜。沉淀膜的厚度一般都比較厚(約為幾百～1千 )，致密性和附著力也比鈍化膜差。在這種體系中，只要介質(zhì)中存在有緩蝕劑組分和相應(yīng)的共沉淀離子，沉淀膜的厚度就不斷增加，因而會引起吉垢。這類緩蝕劑有：硫酸鋅、碳酸氫鈣、聚磷酸鈉等。
　　(3)吸附膜緩蝕劑 這類緩蝕劑能吸附在金屬表面，改變金屬表面性質(zhì)，從而防止腐蝕。它又可分為物理吸附型和化學(xué)吸附型。這種緩蝕劑要求金屬必須有潔凈的活性表面。在酸性介質(zhì)中采用此類緩蝕劑比較多。緩蝕劑按化學(xué)組成又可分為無機緩蝕劑和有機緩蝕劑；按使用的環(huán)境又可分為氣相緩蝕劑、液相緩蝕劑和固相緩蝕劑等。
　　(三)緩蝕效率
　　采用緩蝕劑保護，其保護效率用緩蝕效率(緩蝕率)來表示。

式中 I——緩蝕效率；
　　　Vo——未加緩蝕劑的金屬的腐蝕速率；
　　　V——加有緩蝕劑的金屬的腐蝕速率。
　　(四)緩蝕劑的應(yīng)用
　　采用緩蝕劑防腐。由于其設(shè)備簡單、使用方便、投資少、收效快而廣泛應(yīng)用于化工、石油、鋼鐵、運輸、機械、動力等部門，并已成為重要的防腐蝕方法之一。
　　例如，在碳鋼制的貯水槽中，在水氣接觸界面上，常會發(fā)生水線腐蝕。如果事先在水中加入少量的聚磷酸鈉，則可大大將減輕腐蝕。
　　鋼材在軋制過程中需采用酸浸法除去表面的“氧化鐵鱗”，在酸中則必須添加相應(yīng)的緩蝕劑——0．4％若丁，以抑制酸液對鋼材的腐蝕，并減少酸的耗用量，保證鋼材的質(zhì)量。
　　采用緩蝕劑防腐。凡是與介質(zhì)接觸的設(shè)備、管道、閥門、機器等均可受到保護。這是任何其他防腐方法不能做到的。
　　用緩蝕劑防蝕，多用于循環(huán)系統(tǒng)，其保護效果與金屬材料、介質(zhì)條件等密切相關(guān)。因此。緩蝕劑的應(yīng)用是有嚴(yán)格選擇性的。緩蝕劑的使用，濃度隨種類和使用條件各異而有所不同。一般在中性水溶液中為幾十至幾百ppm，在酸性水溶液中為萬分之幾至千分之幾，在飲用水和石油井水中只有百萬分之幾。下面分別介紹幾種主要腐蝕環(huán)境中使用的緩蝕劑。
　　1．酸性介質(zhì)緩蝕劑 在各種腐蝕性物質(zhì)中，酸溶液屬于腐蝕性最強的介質(zhì)。尤其是當(dāng)其腐蝕性產(chǎn)物具有可溶性時，更為甚之。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬的酸浸除銹，鍋爐等設(shè)備的酸洗除垢。都遇到酸性介質(zhì)中金屬腐蝕問題。
　　在上述介質(zhì)中添加緩蝕劑，有著重要的經(jīng)濟與環(huán)保價值。高效緩蝕劑的加入，不但金屬的腐蝕速率能降低99％以上，而且節(jié)省了酸的使用量(可減少4～5倍)，改善了酸霧的污染，避免了氫脆。例如，酸洗除垢可節(jié)約人力、物力與時間，提高工效數(shù)十倍。常用的緩蝕劑多為控制陰極過程的吸附型緩蝕劑。
　　常用的部分國產(chǎn)酸洗緩蝕劑及適用酸種與金屬見表10-51。

表10-51 部分國產(chǎn)酸洗緩蝕劑表

　　2．中性介質(zhì)緩蝕劑 各種中性水介質(zhì)，如冷卻水、鍋爐水、洗滌水、污水以及各種中性鹽類水溶液(如海水及冷卻海水)、有機溶液等均屬中性介質(zhì)。其中，研究和應(yīng)用最廣泛的是冷卻水。循環(huán)冷卻水給設(shè)備帶來更為嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)垢問題，因此，早在三十年代開始就引起了人們的關(guān)注，至今已形成一門具有獨立性的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科，即冷卻水處理技術(shù)。
　　在中性介質(zhì)一冷卻水系統(tǒng)中，其腐蝕大都是由于溶解氧引起的。因此，常采用氧化型和沉淀型緩蝕劑。
　　在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于冷卻水多次循環(huán)反復(fù)使用，使水中的無機鹽類逐漸濃縮，再加上水中微生物的生長，因而造成水質(zhì)的不斷惡化在腐蝕、結(jié)垢、生物污染等方面均出現(xiàn)問題。因此，只有通過加入緩蝕劑、消垢劑和殺菌滅藻類藥劑，才能維持和保障設(shè)備和管道的安全運行。常用的緩蝕劑如下：
　　(1)鉻酸鹽重鉻酸鉀和重絡(luò)酸鈉是目前最有效的陰極抑制劑。
　　(2)聚磷酸鹽 指六偏磷酸鈉和三聚磷酸鈉。在使用時要求水中含有溶解氧。
　　(3)硅酸鹽 硅酸鹽加氯化鋅，具有較好的防腐蝕效果。
　　(4)鋅鹽、硫酸鋅和氯化鋅 這些是有效的陰極緩蝕劑。與各種緩蝕劑復(fù)合作用時表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)。
　　(5)有機磷酸鹽 有機磷酸鹽不僅對污垢具有強有力的分散能力，而且具有良好的緩蝕作用，穩(wěn)定性好，不易水解。常用的有氨基甲義磷酸鹽(AMP)、羥基乙義二磷酸鹽(HEDP)等。
　　3．氣相緩蝕劑 金屬的大氣腐蝕是電化學(xué)腐蝕，如建筑工程，各種露天的金屬管道設(shè)備、儀器、儀表、運輸工具等均受到各種不同環(huán)境下的大氣腐蝕。防止大氣腐蝕用的緩蝕劑稱為氣相緩蝕劑。按其組成性質(zhì)可分為3類，即油溶性體系、水溶性體系和揮發(fā)性體系。氣相緩蝕劑有數(shù)百種之多，較常用的有硝酸鹽和碳酸鹽。
　　目前，我國已生產(chǎn)有亞硝酸二環(huán)已胺和碳酸環(huán)已胺兩種氣相緩蝕劑。還制成了氣相包裝紙、W25(對鋼和銅合金有效)、W12(對黑色金屬有效)和W41(對鋼、鋁、銅合金有效)等。

 陰極保護在我國的應(yīng)用始于1958年，首次應(yīng)用于克拉瑪依到獨山子輸油管道，到60年代，陰極保護已廣泛應(yīng)用于輸油管道。自上世紀(jì)90年代末期，開始對儲罐底板施加陰極保護，到目前為止，幾乎所有輸油管道、儲罐、海洋結(jié)構(gòu)都施加了陰極保護。對輸水管道，混凝土鋼筋碼頭的陰極保護也逐漸展開。

      陰極保護原理 
      陰極保護是利用電化學(xué)方式進行腐蝕防護的技術(shù)，利用通電技術(shù)使金屬表面各點電位達到一致，從而減緩腐蝕。實現(xiàn)陰極保護有兩種方式，犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護

一、犧牲陽極陰極保護

   犧牲陽極陰極保護是將活性不同的兩種金屬連接后，處于同一電解質(zhì)中，活性強的金屬失去電子，受到腐蝕，活性差的金屬得到電子受到保護。由于在這一過程中，活性強的金屬被腐蝕，所以稱為犧牲陽極陰極保護。

二、外加電流陰極保護

    利用外部電源，將電流通過陽極地床輸入到土壤，電流在土壤中流動到被保護結(jié)構(gòu)，并從匯流點返回到電源設(shè)備。由于電流被強制流向被保護結(jié)構(gòu)，又稱為強制電流陰極保護。

外加電流陰極保護可應(yīng)用于保護高電阻率土壤中的大型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣。