酸濕土壤中燃?xì)夤艿狸?yáng)極保護(hù)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要

摘要:闡述了陽(yáng)極保護(hù)的原理,分析了某實(shí)際工程埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖耐寥拉h(huán)境和管道防腐現(xiàn)狀:土壤環(huán)境呈酸性,含水率高,電阻率小,管地電位正向偏移,管段實(shí)施了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和強(qiáng)制電

摘要:闡述了陽(yáng)極保護(hù)的原理,分析了某實(shí)際工程埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖耐寥拉h(huán)境和管道防腐現(xiàn)狀:土壤環(huán)境呈酸性,含水率高,電阻率小,管地電位正向偏移,管段實(shí)施了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和強(qiáng)制電流陰極保護(hù),保護(hù)效果不佳,管道腐蝕速率過(guò)快。提出了酸濕土壤埋地燃?xì)夤艿狸?yáng)極保護(hù)工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施方案。
關(guān)鍵詞:埋地鋼質(zhì)管道;陽(yáng)極保護(hù);酸濕土壤;防腐系統(tǒng)
Research and Implementation of Anodic Protection of Gas Pipeline in Acid and Wet Soil
LI Longjiang,TAO Wenliang
AbstractThe principle of anodic protection is expounded.The soil environment and anticorrosion status for buried steel gas pipeline in a practical project are analyzed.The soil environment is acidic with high moisture content,low resistivity and positive deviation of pipe to soil potential.The sacriftcial anode cathodic protection and impressed current cathodic protection are used on the pipeline,but the effect is poor,and the pipeline corrosion rate is too rapid.The design and implementation scheme of anodic protection of buried gas pipeline in acid and wet soil is proposed.
Key wordsburied steel pipeline;anodic protection;acid and wet soil;anticorrosion system
1 陽(yáng)極保護(hù)原理
    陽(yáng)極保護(hù)是指通過(guò)對(duì)處于酸性介質(zhì)中的鋼質(zhì)材料通以適當(dāng)?shù)年?yáng)極電流使金屬表面陽(yáng)極極化,使其表面形成致密的、有良好耐腐蝕性的鈍化膜,進(jìn)入鈍化狀態(tài),從而防止金屬表面腐蝕的防腐技術(shù),屬于電化學(xué)保護(hù)的范疇[1]。20世紀(jì)50年代初就有人首先提出了利用鈍化理論來(lái)保護(hù)在強(qiáng)腐蝕酸性介質(zhì)中使用的金屬的可能性[2],到20世紀(jì)60年代逐漸形成了陽(yáng)極保護(hù)這門新的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)能降低金屬的腐蝕速率,其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能對(duì)強(qiáng)腐蝕酸性介質(zhì)中的金屬進(jìn)行有效的保護(hù),且僅需要很小的外加電流。陽(yáng)極保護(hù)適用于酸類、鹽類等強(qiáng)腐蝕環(huán)境下金屬的腐蝕防護(hù),和陰極保護(hù)相比較,陽(yáng)極保護(hù)只適用于通電后能活化及能鈍化的金屬,腐蝕介質(zhì)可以從弱腐蝕性到強(qiáng)腐蝕性,安裝費(fèi)用比較高,但是操作費(fèi)用很低,電流沿管道的分散能力很強(qiáng),且能實(shí)現(xiàn)均勻分布。金屬進(jìn)入鈍態(tài)后,對(duì)應(yīng)于鈍化穩(wěn)定區(qū)電位的電流密度,在某種意義上代表著陽(yáng)極保護(hù)時(shí)鈍態(tài)金屬的腐蝕速率。陰極保護(hù)的操作條件通常由實(shí)際試驗(yàn)確定,而陽(yáng)極保護(hù)的操作參數(shù)可由電化學(xué)測(cè)試精確而迅速地確定。
    向浸在電解質(zhì)溶液中的金屬(電極)施加直流電流,金屬的電極電位會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱作極化[3]。所通電流為正電流(金屬為陽(yáng)極),金屬的電位向正方向變化,這種過(guò)程叫做陽(yáng)極極化。反之,通過(guò)的電流為負(fù)電流(金屬為陰極),金屬的電位向負(fù)方向變化,則稱作陰極極化。電位與對(duì)應(yīng)電流密度之間的關(guān)系曲線叫做極化曲線。具有鈍化性傾向的金屬在進(jìn)行陽(yáng)極極化時(shí),如果電流達(dá)到足夠的值,在金屬表面上能夠生成一層具有耐腐蝕性能的鈍化膜而使電流減小,金屬呈鈍化狀態(tài)。繼續(xù)通以較小的電流,金屬表面就可以維持這種鈍化狀態(tài),從而減緩金屬的腐蝕,這就是陽(yáng)極保護(hù)的基本原理。
圖1為典型的鈍性金屬鈍化過(guò)程的陽(yáng)極極化曲線。圖1中,橫坐標(biāo)表示陽(yáng)極極化電位φ(單位為mV),縱坐標(biāo)表示電流密度1,(單位為A/m2),AB段金屬發(fā)生活性溶解,稱為活化區(qū),在A點(diǎn),金屬為自然腐蝕狀態(tài),在靠近曰點(diǎn)附近,電極極化過(guò)程受到阻礙,可能產(chǎn)生氧化物的薄膜;在BC段,保護(hù)膜的生長(zhǎng)速度已超過(guò)化學(xué)溶解速度,形成保護(hù)膜,這一區(qū)稱為鈍化過(guò)渡區(qū),到C點(diǎn)時(shí),整個(gè)表面已被吸附氧化膜所覆蓋;在CD段,陽(yáng)極電流與電位往往沒(méi)有關(guān)系,這一區(qū)為穩(wěn)定狀態(tài),稱為穩(wěn)定鈍化區(qū)。隨著電位的升高,膜中氧的含量增加,膜隨之變厚;在DE段,D點(diǎn)的電位相當(dāng)于氧的陽(yáng)極析出電位,氧化膜被氧化成可溶性的高價(jià)氧化物,金屬又開始溶解,這一區(qū)域稱為過(guò)鈍化區(qū)。
 

    陽(yáng)極保護(hù)的基本參數(shù)有3個(gè),分別為致鈍電流密度(Jc)、維鈍電流密度(Jp)和穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍[φp1,φp2]。致鈍電流密度是指金屬在給定條件下發(fā)生鈍化所需要的最小電流密度,致鈍電流密度越小,陽(yáng)極保護(hù)就越經(jīng)濟(jì)。維鈍電流密度是使金屬在給定環(huán)境條件下維持鈍態(tài)所需的電流密度,維鈍電流密度的大小決定了陽(yáng)極保護(hù)時(shí)所耗用的電流的量,同時(shí)也反映了金屬在陽(yáng)極保護(hù)時(shí)的腐蝕速率的大小。在工程實(shí)際中,腐蝕速率常用式(1)近似計(jì)算。
 
式中v——金屬的腐蝕速率,g/(m2·h)
    Jp——維鈍電流密度,A/m2
    Mj——金屬的摩爾質(zhì)量,g/mol
    F——法拉第常數(shù),C/mol,取96500C/mol
    n——金屬的化合價(jià)
    Md——鈍化膜的摩爾質(zhì)量,g/mol,其值等于金屬的摩爾質(zhì)量除以該金屬的化合價(jià)。
    維鈍電流密度越小,被保護(hù)對(duì)象的腐蝕速率越小,保護(hù)效果越明顯,正常的耗電量也越小。陽(yáng)極極化曲線CD段對(duì)應(yīng)穩(wěn)定鈍化區(qū)的電位范圍為φp1~φp2,為便于控制,電位范圍應(yīng)不小于50mV。陽(yáng)極保護(hù)的3個(gè)基本參數(shù),可在一定溫度范圍內(nèi),在實(shí)驗(yàn)室用恒電位法[4]通過(guò)實(shí)測(cè)金屬在腐蝕介質(zhì)中的陽(yáng)極極化曲線獲得。
    致鈍電流和維鈍電流可用式(2)、(3)計(jì)算。
    Ic=JcA    (2)
    Ip=JpA    (3)
式中Ic——致鈍電流,A
    Jc——致鈍電流密度,A/m2
    A——金屬和腐蝕介質(zhì)的接觸面積,m2
    Ip——維鈍電流,A
2 陽(yáng)極保護(hù)管道環(huán)境分析
    貴陽(yáng)市埋地燃?xì)夤艿滥扯?.5km范圍,管道規(guī)格為DN 400mm,管道材質(zhì)為Q235A鋼,管道敷設(shè)環(huán)境都是稻田,管道穿越稻田并大部分浸于酸性泥漿中,管道埋設(shè)于土壤的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18年。對(duì)此段管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[5],評(píng)估結(jié)果為:風(fēng)險(xiǎn)高,達(dá)到了Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。該管段實(shí)施了外防腐層保護(hù)、犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)、建立陰極保護(hù)站實(shí)施強(qiáng)制電流陰極保護(hù)等聯(lián)合保護(hù),但保護(hù)效果不佳,管道腐蝕速率過(guò)快,穿孔漏氣現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為了解管道腐蝕過(guò)快的原因,對(duì)該段管道進(jìn)行了材料化學(xué)成分分析[6],管道材料化學(xué)組成見表1。對(duì)埋設(shè)區(qū)段進(jìn)行了土壤理化分析測(cè)試,表2為管道埋設(shè)環(huán)境土壤理化性質(zhì)。從表2可以看出,土壤呈酸性,電阻率低,含水量偏高,氧化還原電位偏高,并含有一定量的有機(jī)質(zhì)。
表1 管道材料化學(xué)組成
元素
Mn
C
P
S
Si
Fe
質(zhì)量分?jǐn)?shù)
0.420
0.300
0.019
0.029
0.01O
0.222
表2 管道埋設(shè)環(huán)境土壤理化性質(zhì)
土壤電阻率/(n·m)
13~31
氧化還原電位/mV
500~550
pH
5.5~7.1
含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
49.5~60.4
有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.73~2.25
總鹽含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.03~0.05
全硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.03~0.13
氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
25~117
碳酸根含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
134~220
硫酸根含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
10~60
    為了進(jìn)一步分析土壤的腐蝕性,對(duì)管段的5個(gè)凝水缸位置進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1年的管地電位跟蹤測(cè)試,每天測(cè)試1個(gè)數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果見表3。從表3可以看出,5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的管地電位都比[-1350mV,-850mV]區(qū)間偏正,5個(gè)測(cè)試點(diǎn)都處于電流干擾腐蝕狀態(tài)中。傳統(tǒng)的防腐保護(hù)方法保護(hù)不到位,形成欠保護(hù),應(yīng)該采取其他措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù),以防止發(fā)生腐蝕穿孔,造成不必要的損失。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證和技術(shù)攻關(guān),鑒于該段管段土壤呈酸性,且含水率大,決定對(duì)該管段實(shí)施陽(yáng)極保護(hù)。
表3 燃?xì)夤艿拦艿仉娢?/span>    mV
測(cè)試點(diǎn)
最高值
最低值
平均值
凝水缸測(cè)試點(diǎn)1
-435
-532
-483
凝水缸測(cè)試點(diǎn)2
-531
-621
-576
凝水缸測(cè)試點(diǎn)3
-206
-219
-214
凝水缸測(cè)試點(diǎn)4
-143
-256
-211
凝水缸測(cè)試點(diǎn)5
-512
-621
-585
3 酸濕土壤管道陽(yáng)極保護(hù)工藝設(shè)計(jì)
    酸濕土壤埋地燃?xì)夤艿狸?yáng)極保護(hù)工作原理就是把與酸濕土壤接觸的管道全部表面作為陽(yáng)極,另外設(shè)置數(shù)根陰極,通過(guò)酸濕土壤介質(zhì)形成電流回路。通過(guò)主控系統(tǒng)(埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng))[7~8]向陽(yáng)極保護(hù)管道施加一定的陽(yáng)極電流,使其產(chǎn)生陽(yáng)極極化,通過(guò)致鈍電位,進(jìn)入穩(wěn)定鈍化區(qū)并維持其電位在這個(gè)區(qū)域,依靠在鈍化區(qū)形成的鈍化膜減緩管道在酸濕土壤中的腐蝕。在實(shí)施陽(yáng)極保護(hù)前,需要測(cè)定管道的致鈍電流密度、維鈍電流密度、穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍,確定最佳維鈍電位,選用輔助陰極及參比電極,選用控制電纜等。
3.1 管道陽(yáng)極保護(hù)參數(shù)的測(cè)定
    管道的致鈍電流密度、維鈍電流密度、穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍的測(cè)定方法采用恒電位法[4]。恒電位法就是將研究電極依次恒定在不同的值,然后測(cè)量對(duì)應(yīng)于各電位下的電流。極化曲線的測(cè)量應(yīng)盡可能接近體系穩(wěn)態(tài)。體系穩(wěn)態(tài)指被研究體系的極化電流、電極電位、電極表面狀態(tài)等基本上不隨時(shí)間而改變。在實(shí)際測(cè)量中,常用的控制電位測(cè)量方法有動(dòng)態(tài)法,控制電極電位以較慢的速度連續(xù)地改變(掃描),并測(cè)量對(duì)應(yīng)電位下的瞬時(shí)電流,以瞬時(shí)電流與對(duì)應(yīng)的電極電位作圖,便獲得整個(gè)極化曲線。測(cè)量在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,需要恒電位儀1臺(tái),飽和甘汞電極1支,Q235A鋼制作的電極1支,鉑電極1支,三室電解槽1只,2L現(xiàn)場(chǎng)土壤配制液,0.5mol/L的H2S04溶液2L,0.85mol/L的丙酮水溶液1.5L。用金相砂紙將Q235A鋼制作的測(cè)試電極打磨至鏡面光亮,用石蠟蠟封,留出1cm2面積,然后在丙酮水溶液中除油,在0.5mol/L的H2S04溶液中去除氧化層,浸泡時(shí)間分別不低于10s,然后按圖2進(jìn)行安裝。圖2中,選用JH-2c恒電位儀作為恒電位的輸出,參比電極選用飽和甘汞電極,輔助電極選用鉑電極,研究電極為Q235A鋼制作的測(cè)試電極。保持25℃環(huán)境,測(cè)量方法采用動(dòng)態(tài)法。
 

    通過(guò)測(cè)量和數(shù)據(jù)整理,得到Q235A鋼在現(xiàn)場(chǎng)土壤配制液中的致鈍電流密度為Jc=1.63A/m2,維鈍電流密度為Jp=0.12A/m2,鈍化區(qū)電位φp1=-150mV,φp2=400mV,最佳維鈍電位為120~150mV。由式(2)、(3)計(jì)算得知,1500m管道至少需要致鈍電流150A、維鈍電流12A。
3.2 被保護(hù)的陽(yáng)極材料
    被保護(hù)的陽(yáng)極材料是在役埋地燃?xì)夤艿?,即和酸濕土壤接觸的Q235A鋼管外表面。為了達(dá)到更好的保護(hù)效果,Q235A鋼管表面采用石油瀝青防腐涂層,防護(hù)涂層和陽(yáng)極保護(hù)形成聯(lián)合保護(hù),可減小維鈍電流,增強(qiáng)保護(hù)效果。保護(hù)管段兩端安裝絕緣法蘭,減少陽(yáng)極電流擴(kuò)散。
3.3 輔助陰極的選擇
    輔助陰極材料要求在陰極電位下耐腐蝕,有一定的機(jī)械強(qiáng)度,容易加工,來(lái)源廣泛,價(jià)格低廉,常常根據(jù)腐蝕性介質(zhì)來(lái)選擇不同的輔助陰極材料。腐蝕介質(zhì)為酸濕土壤,管地電位較正,輔助陰極材料可選擇圓柱形DN 40mm普通碳素鋼,圓柱形形狀擴(kuò)散電流均勻,電阻率均勻。輔助陰極連接在主控系統(tǒng)電流輸出端的負(fù)極。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知,管道陽(yáng)極的維鈍電位為120~150mV時(shí),輔助陰極材料碳素鋼上的電位為-1270~-1425mV,本身也處在良好的陰極保護(hù)狀態(tài)。
3.4 參比電極的選擇
    參比電極是測(cè)量被保護(hù)設(shè)備保護(hù)電位的參考物,是比較對(duì)象,在陽(yáng)極保護(hù)中,通過(guò)參比電極來(lái)控制保護(hù)對(duì)象的電位在一定的范圍之內(nèi)。參比電極要求電極表面的反應(yīng)可逆,難于極化或根本不極化,電位穩(wěn)定,再現(xiàn)性高,易于制造,便于攜帶,價(jià)格經(jīng)濟(jì)。為便于安裝和焊接,陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)選用直徑為20mm、長(zhǎng)度為60mm的圓柱形315不銹鋼參比電極。和陰極保護(hù)的參比電極一樣,陽(yáng)極保護(hù)的參比電極也是一個(gè)參考點(diǎn),只是參考的是對(duì)管電位。參比電極焊接在管道上,用以檢測(cè)管道電位。用參比電極的目的是有一個(gè)對(duì)比點(diǎn),直接檢測(cè)管道電位,把導(dǎo)線焊接在管道上,若沒(méi)有對(duì)比點(diǎn),是不能檢測(cè)的。在埋設(shè)管道的空間里,除了管道就是土壤,如果不焊接在管道上,相當(dāng)于用鋼電極測(cè)量對(duì)地電位了。
3.5 控制電纜的選擇
    陰極、陽(yáng)極與主控系統(tǒng)的連線采用RV1×10電纜,主控參比電極、監(jiān)控參比電極與主控系統(tǒng)的連線采用RVVP1×2.5的單芯屏蔽電纜,輸出維鈍電位控制信號(hào)、陽(yáng)極和陰極電位取樣信號(hào)采用RVVP2×1.5屏蔽電纜。
4 管道陽(yáng)極保護(hù)裝置安裝
    管道陽(yáng)極保護(hù)裝置見圖3,圖3中,保護(hù)管道長(zhǎng)1500m,兩端安裝絕緣法蘭。用鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng)[7]作為陽(yáng)極保護(hù)的主控系統(tǒng),有風(fēng)光電互補(bǔ)穩(wěn)壓直流雙極性變換輸出電源,有檢測(cè)端口、觸摸屏設(shè)置界面和穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。主控系統(tǒng)電流輸出端正極通過(guò)電纜和管道相連,連接處采用鋁熱焊并采用電工絕緣塑料帶纏繞包扎,保證防潮和絕緣。主控系統(tǒng)輸出端的負(fù)極用電纜和兩段長(zhǎng)度為100m的圓柱形輔助陰極碳素鋼相連,輔助陰極和管道形成一個(gè)回路。為了降低維鈍電流密度,輔助陰極應(yīng)平行安裝在距管道0.5m處并保持和管道中心線同一高度。主控系統(tǒng)檢測(cè)端口的3個(gè)接線端分別連接一個(gè)主控參比電極(315不銹鋼)和兩個(gè)監(jiān)控參比電極(315不銹鋼)。主控參比電極的任務(wù)是檢測(cè)管道上的陽(yáng)極電位,并把檢測(cè)值反饋給主控系統(tǒng);監(jiān)控參比電極安裝在和主控參比電極有一定距離的管道上,和主控參比電極的檢測(cè)值相對(duì)比,供防腐工程師參考決策調(diào)整維鈍電位。主控和監(jiān)控參比電極用氬弧焊豎直焊接在管道上。在焊接點(diǎn)處去除防腐涂層,然后用氬弧焊將參比電極焊上。焊接點(diǎn)同樣用絕緣塑料帶纏繞包扎。各部分電路電纜連接好后,檢查所有電纜,保證接線方式正確無(wú)誤。檢查完后回填土,為了讓土壤介質(zhì)形成均一的導(dǎo)電體系,回填土一定要均勻壓實(shí),剔除雜草和亂石,并保持原有的含水率,土壤干燥的地方要用當(dāng)?shù)靥锼疂补唷?/span>
 

5 應(yīng)用
    為了快速使1500m管道鈍化,先用200A大功率恒電位儀連接陰陽(yáng)極供電,當(dāng)管道達(dá)到鈍化電位后,再啟動(dòng)鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng)供電。由于維鈍電位的測(cè)量是用土壤配制液代替土壤,有一定的偏差,因此防腐系統(tǒng)給管道供電電位留有一定的裕量。陽(yáng)極電位的檢測(cè)值設(shè)置區(qū)間為[135mV,160mV],當(dāng)檢測(cè)值在設(shè)置區(qū)間時(shí),陽(yáng)極保護(hù)電流值保持原來(lái)的狀態(tài),當(dāng)檢測(cè)值不在設(shè)置區(qū)間[135mV,160mV]時(shí),防腐系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算并調(diào)整恰當(dāng)?shù)年?yáng)極保護(hù)電流,快速實(shí)時(shí)地把檢測(cè)值調(diào)整到[135mV,160mV]區(qū)間,隨時(shí)保持最佳陽(yáng)極保護(hù)狀態(tài)。本系統(tǒng)已運(yùn)行2個(gè)月,從各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)看,系統(tǒng)運(yùn)行正常,維鈍電流達(dá)到最小,耗電量只為陰極保護(hù)系統(tǒng)的70%,達(dá)到了預(yù)定的對(duì)管道的保護(hù)要求。
6 結(jié)論
    對(duì)于埋地管道土壤環(huán)境,若含水率足夠高,達(dá)到50%以上,且土壤介質(zhì)呈酸性,傳統(tǒng)的陰極保護(hù)方法難以奏效,則用陽(yáng)極保護(hù)的方法可以達(dá)到保護(hù)管道的要求,不但操作維護(hù)簡(jiǎn)單,而且還降低能耗。
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(本文作者:李龍江1 陶文亮2 1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550003;2.貴州大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550003)