第一章腐蝕與陰極保護1腐蝕1.1定義：金屬暴露在自然界會隨著時間的流逝而變質，其本質就是金屬由元素狀態(tài)返回自然狀態(tài)，腐蝕是一種自然現(xiàn)象；通俗地說，腐蝕就是金屬和周圍介質發(fā)生化學或電化學作用而導致的無謂消耗或破壞。1.2電化學腐蝕金屬在電解質溶液中由于電化學作用所發(fā)生的腐蝕稱為電化學腐蝕。其原因是金屬表面產(chǎn)生原電池作用，或外界電源影響使金屬表面產(chǎn)生電解作用所引起的破壞。腐蝕縮短了管道的使用壽命，降低了管道的輸送能力，會引起生產(chǎn)費用的增加和意外事故的產(chǎn)生，所以我們要實施管道保護。電化學腐蝕過程：金屬電化學腐蝕基本上由陽極過程、電子轉移過程、陰極過程等三個過程組成。a、 陽極過程：是指陽極金屬不斷溶解的過程，它是失去電子的過程，也叫氧化過程。b、 電子轉移過程：是指電子從金屬的陽極區(qū)轉移到金屬的陰極區(qū)的過程。c、 陰極過程：是指從陽極流過來的電子在溶液中被能吸收電子的物質所接受的過程，也叫還原過程。這種陽極上放出電子的氧化反應和陰極上吸收電子的還原反應相對獨立地進行，并且又是同時完成的腐蝕過程，稱之為電化學腐蝕過程。1.3腐蝕電池a、 原電池：把兩種電極電位不同的金屬放入電解液中，即成為簡單的原電池，若用導線將兩種金屬連接起來，則兩電極間有電位差存在而產(chǎn)生電流。在電解質溶液中，金屬表面上的各部份，其電位是不完全相同的，電位較高的部分形成陰極區(qū)，電位較低的部分形成陽極區(qū)。這便構成了局部腐蝕電池。腐蝕電池可以理解為金屬腐蝕表面上短路的多電極原電池。b、 微腐蝕電池：因鋼管表面狀態(tài)的差異所形成的腐蝕電池。這是由于制管時的缺陷造成金屬內可能夾雜有不均勻物質，如熔渣、焊縫等。這些組成不均勻的金屬管道與土壤接觸時，就好象兩塊相互能導電的不同金屬放在電解質溶液中一樣，在有差異的部位上，由于電極電位差而構成腐蝕電池。c、 宏腐蝕電池：因土壤性質差異引起的腐蝕電池，如土壤的含鹽量和濕度等的影響，它們所構成的腐蝕電池兩極間的距離比較遠，故稱宏腐蝕電池。1.4極化作用腐蝕電池在電路接通后就產(chǎn)生電流，電流的流通，使得腐蝕電池陽極和陰極的電極電位都偏離電流未流通之前的電極電位值。在陽極，由于陽極金屬溶解即離子化的過程滯后于電子的轉移過程，而正電荷過剩，使陽極表面的電位向正的方向偏移，即陽極極化。在陰極表面，由于從陽極轉移過來的電子的遷移速度大大于在陰極表面的極化劑吸收電子的速度，使大量電子在陰極表面集聚，從而使陰極表面的電位向負的方向偏移，即陰極極化。陽極極化和陰極極化的共同結果，造成了腐蝕原電池起始電位差的變小，其極化后共同趨近的電位值為該體系的腐蝕電位，也稱自然電位。1.5腐蝕的分類按部位分：內壁腐蝕、外壁腐蝕按形態(tài)分：全面腐蝕、局部腐蝕按機理分：化學腐蝕、電化學腐蝕1.6外壁腐蝕外壁腐蝕與管道所處的環(huán)境關系很大，架空管道易受大氣腐蝕，土壤或水中的管道易受土壤腐蝕和雜散電流腐蝕。a、 大氣腐蝕：是指暴露在大氣中的管道金屬表面，由于水和氧等的作用所產(chǎn)生的破壞。其原因是大氣中含有水蒸汽，它會在金屬表面冷凝而形成水膜，這種水膜溶解了大氣中的氧及二氧化碳等其它雜質，使得金屬表面發(fā)生電化學腐蝕。b、 土壤腐蝕：是指地下金屬構筑物在土壤介質作用下引起的破壞。其原因是土壤是多相物質組成的復雜混合物，顆粒間充滿空氣、水和各種鹽類，使土壤具有電解質的特征。因此，地下管道裸露的金屬在土壤中構成了腐蝕電池，其腐蝕屬于電化學腐蝕。c、 雜散電流腐蝕：是指流于大地中的電流對管道所產(chǎn)生的腐蝕，又叫干擾腐蝕。它是一種外界因素引起的電化學腐蝕，對于絕緣不良的管道，雜散電流可能在防腐絕緣層破損的某一點流入管道，然后沿管道流動，在另一防腐絕緣層破損點流出，返回雜散電流源，從而引起腐蝕。1.7管道外壁防腐蝕的基本方法a、 選用耐腐蝕材料制管（如不銹鋼、玻璃鋼、塑料等）b、 加金屬防腐層（如鍍鋅、噴鋁）c、 涂層防腐（如涂油漆、有機化合物、無機化合物）d、 電法保護（如外加強制電流法、犧牲陽極法、排流保護等）e、 工藝設計防腐蝕（如防止殘留水分的結構存在、避免異種金屬管道的連接、回填管溝時注意直接和管道接觸的土層的均勻性等）1.8管道內壁防腐蝕的基本方法a、選用耐腐蝕材料制管（如不銹鋼、塑料襯里等）b、 涂層（如涂樹脂等）c、 在輸送介質中添加緩沖劑2陰極保護原理在介紹腐蝕電池時，人們曾談到由于金屬本身的不均勻性，或由于外界環(huán)境的不均勻性，都會形成微觀的或宏觀的腐蝕原電池。例如在碳鋼表面，其基體金屬鐵與碳素體如浸在電解質溶液中會形成電位差為200mV的微電池腐蝕。當采用外加電流極化時，原來腐蝕著的微電池會由于外加電流的作用，電極電位發(fā)生變化，此時腐蝕著的微電池的腐蝕電流減少，稱之為正的差異效應。反之，則稱之為負的差異效應。強制電流陰極保護所引起的差異效應可用圖1—1來說明。■一n V'IT~L a一腐蝕電池；b一陰極保護；a一陽極；AC' A（: AAC一陰極；I一電流；AA—輔助陽極；I'—保護電流；I〃一為零或如圖中方向所示。圖1-1陰極保護模型上圖a為未加陰極保護之前金屬本身的腐蝕的電池模型b為加陰極保護以后保護電池的電路及原來腐蝕電池的變化，所加的夕流電1'的方向是使被保護金屬作為陰極。進一步說明陰極保護的原理如圖1?2所示。設金屬表面陽極木陰極的開路電位分別為Ea和Ec。金屬腐蝕地由于極化作用，陽極和陰極的電｛都發(fā)生極化。其陽極向正的方向俺，陰極向負的方向偏移。結果，其兩者的電位都共同趨向于交點S所對應的電位Ecorr，在此恤下所對應的電流為Icorr。向系統(tǒng)輸入外電流，使金屬陰極極化，此時整個腐蝕原電池體系的電位將向負的方向偏移。陰極極化曲線EcS則從S點向C點方向延伸。當金屬電位負移到E1點時，所對應的電流應為I1，相當于圖中的AC線段，AB與BC之和，AB代表陽極腐蝕電流，而BC則是外加的電流。在此電位狀況下，體系仍存在著腐蝕。若使金屬繼續(xù)陰極極化到更負的電位Ea即達到微陽極的開路電位Ea，則腐蝕減至為零。金屬達到完全保護。這時的外加電流Iapp為金屬達到完全保護時的外加電流。此時的極化作用已使原來腐蝕電池的微電池作用完全受到抑制?？傊?，極化消除了被保護金屬體表面的電化學不均勻性，抑制了微電池作用，又因為陰極極化構成了新的大地電池即保護電路，使被保護金屬體成為新的大地電池的陰極，從而在其表面只發(fā)生得電子的還原反應。金屬不再發(fā)生丟電子的氧化反應，腐蝕不再發(fā)生。這就是陰極保護使金屬受到保護的原理。3陰極保護方式陰極保護可以通過下面兩種方式實現(xiàn)。3.1犧牲陽極法將被保護金屬和一種可以提供陰極保護電流的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護體極化以降低腐蝕速率的方法。在被保護金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負于被保護金屬體的電位值，在保護電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實現(xiàn)了對陰極的被保護金屬體的防護，如圖1-3。測試樁犧牲印極填包料測試樁犧牲印極填包料?3犧牲陽極示意圖犧牲陽極材料有高鈍鎂，其電位為-1.75V；高鈍鋅，其電位為-1.1V；工業(yè)純鋁，其電位為-0.8V（相對于飽和硫酸銅參比電極）。3.2強制電流保護法將被保護金屬與外加電源負極相連，由外部電源提供保護電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：整流器、恒電位、恒電流、恒電壓等。如圖1-4示。圖1-4恒電位方式示意圖外部電源通過埋地的輔助陽極、將保護電流引入地下，通過土壤提供給被保護金屬，被保護金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應，不會再發(fā)生金屬離子化的氧化反應，腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發(fā)生丟電子氧化反應。因此，輔助陽極本身存在消耗。3.3兩種保護方式的選擇陰極保護的上述兩種方法，都是通過一個陰極保護電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護電流，使之恰好抵消金屬內原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產(chǎn)生保護電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負的金屬或合金，另一種則利用直流電源。強制電流陰極保護驅動電壓高，輸出電流大，有效保護范圍廣，適用于被保護面積大的長距離、大口徑管道。犧牲陽極陰極保護不需外部電源，維護管理經(jīng)濟，簡單，對鄰近地下金屬構筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。4、陰極保護的基本參數(shù)4.1最小保護電流密度陰極保護時，使腐蝕停止，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。最小保護電流密度的大小取決于被保護金屬的種類，表面狀況、腐蝕介質的性質、組成、濃度、溫度和金屬表面絕緣層質量等。4.2最小保護電位為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達到的絕對值最小的負電位值，稱之為最小保護電位。最小保護電位也與金屬的種類、腐蝕介質的組成、溫度、濃度等有關。最小保護電位值常常是用來判斷陰極保護是否充分的基準。因此此電位值是監(jiān)控陰極保護的重要參數(shù)。實驗測定在土壤中的最小保護電位為一0.85V(相對飽和硫酸銅參比電極)。4.3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受到破壞。此電位值就是最大保護電位。最大保護電位值的大小通過試驗確定。一般取一1.5V(CSE)。5管道電位測試5.1自然電位測試