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埋地钢质管道的阴极保护准则
博燃网● 2015-11-04

摘 要:基于阴极保护的原理和阴极保护标准NACE RP0169—1969的变迁,分析阴极保护准则的最小保护电位和最大保护电位,讨论各版本标准阴极保护准则的异同和相关性。各阴极保护准则不是排异的,而是互补地组成一个完整的评判体系。

关键词:阴极保护准则;  通电电位;  断电电位;  极化电位;  IR

Cathodic Protection Criteria of Buried Steel Pipeline

AbstractBased on the principle of cathodic protection and the changes of the cathodic protection standards NACE RP 01691969the minimum protection potential and maximum protection potential for the cathodic protection criteria are analyzedThe differencessimilarities and correlations among different standard versions of cathodic protection criteria are discussedThe various cathodic protection criteria are not exclusivebut rather complementary to form a complete evaluation system

Keywordscathodic protection criteriaon-potentialoff-potentialpolarization potentialIR drop

1 概述

20世纪80年代,随着我国大规模的城市化建设,埋地输气管道和城市地下燃气管网得到快速发展,埋地钢质管道的阴极保护技术也得到了广泛普及推广。通过逾30a的工程实践,证明阴极保护技术是防止燃气管网腐蚀最安全可靠的技术手段。行业标准CJJ 952013《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》(简称为CJJ 952013)对新建埋地钢质管道提出了“应采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统”,即联合保护的要求。

地下管道的阴极保护技术应用已有近百年的历史,其原理和特点对于防腐工程师来说可能已日趋成熟,但是对大多数燃气工作者来说,一些防腐专业知识仍然比较陌生。特别是在阴极保护准则上,GBT 2144720084钢质管道外防腐控制规范》(以下简称GBT 214472008)GBT 214482008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(以下简称GBT 214482008)两项国家标准关于埋地钢管的阴极保护准则在文字上采用了不同的阐述,给燃气行业的工作者在实际应用过程中带来了一些概念上的模糊和判断上的困难。无疑上述标准的阴极保护准则都是国际上普遍采用和正确的,准确理解标准的内涵和采用相应有效的检测技术成为准则有效实施的关键。本文从阴极保护的原理和准则演变的过程入手,帮助燃气工作者深入理解和正确使用这些准则。

2 阴极保护原理

铁的腐蚀电位-pH值图见图1。腐蚀电位-pH值图是阴极保护的理论基础,当埋地管道B处于中性或弱酸性土壤介质条件时,管道的自然电位处于腐蚀区,改变介质条件、提高或者降低其管地电位的方法都可以使铁移出腐蚀区进入钝化区或稳定区,达到抗腐蚀的目的。通过施加阴极电流使金属的电极电位向负偏移进入稳定区,从而防止或减轻金属腐蚀的方法被称为阴极保护,阴极保护是埋地管道最常用的防腐技术。

 

1纵坐标所示的电位E是铁与其接触的电解质界面的电极电位,它受材质、电解质组分和环境温度的影响。阴极保护准则理论上就是将金属腐蚀速率小于0.01mma的电极电位Ep作为保护电位,即阴极保护电流使金属极化至E≤Ep。金属的保护电位Ep取决于金属的材质和腐蚀环境,对于钢质埋地管道来说Ep(相对于CSE)通常在-850mV左右。理论上阴极保护准则的含义是十分清晰和明确的,而准则的实际应用则围绕如何测量和得到这个电极电位展开。

3 阴极保护准则的最小保护电位

1933年长输管道强制电流阴极保护的奠基人,Kuhn JRobert在总结其长输管道阴极保护的文章[1]中写到:终止腐蚀发生的保护电位(相对于CSE)可能在-850mV左右。虽然该文只称其为一种可能,然而它的影响在其后几十年间极其深远,直至发展成为最广为采用的阴极保护准则。世界上第一项阴极保护标准NACE RP01691969《埋地或水下金属管线系统外腐蚀控制的推荐方法》(该标准早期编号为RP01692007年变更为SP0169,以下简称为NACE RPSP0169准则)将其列为保护准则的第一条款。NACE RPSP0169准则变迁见表1(表中“+”表示采用该准则,“-”表示未采用该准则)。该表给出该标准及后来修订版本中阴极保护准则的采用情况,从中我们也可以体会出技术发展趋势。

 

AWPeabody的《管线腐蚀控制》[2]里较为详细地讨论了表1中各准则的含义、检测方法及其局限性。1992年版本的变化删除了原五个准则的三个,增添了-850mV极化电位准则。这一方面是对于通电电位准则执行的可靠性产生了疑问,另一方面也归功于同步断续器的使用,如果不能同步切断整个系统的阴极保护电流和测量瞬时电位,那么-850mV极化电位和极化负移100mV两准则只能成为空谈。

-850mV通电电位准则最便于执行,一块高阻抗万用表即可测得数据,但是越来越多的证据表明它的执行情况令人担忧,许多所谓的通电电位并没有按照准则要求扣除IR降的影响。

Thompson等统计了美国115个阴极保护现场,发现64%的案例中,IR降占通电电位的测量值的30%以上。只有约20%的案例,IR降小于通电电位测量值的10%。事实表明IR降的影响是显著的,是否消除IR降的影响是执行通电电位准则的关键。

-850mV极化电位准则在理论上最严谨,存在的问题是,在测量时需要断开所有外部输入的电流,包括阴极保护电流、杂散电流和大地电流等,这对于城市燃气管网来说是不太现实的,而且测试工作量大,不便用于日常检验来发现问题。

极化负移100mV准则是-850mV极化电位准则的让步条款,也是通电电位准则执行中经常不自觉满足的条件。管道的自然电位通常在-550mV左右,当通电电位达到-850mV时,极化负移超过100mV的概率是相当高的。根据著名的经典ButlerVolmer极化反应动力学方程,可以推导出阴极保护时极化电位负偏移DE和管道电流密度的近似关系[3]

DE=2.3[(RT/F)lg](Icorr/Ia)

式中DE——极化电位负偏移,V

R——摩尔气体常数,J(mol·K)

T——温度,K,取300K

F——法拉第常数,Cmol,取96485Cmol

Icorr——施加阴极保护前管道电流密度,Acm2

Ia——施加阴极保护后管道电流密度,Acm2

在常温情况下,当DE=100mV时,IcorrIa约为48.25。如果用管道的电流密度来表示腐蚀速率,100mV极化负移准则可以使实际腐蚀速率降为自然腐蚀速率的2%,也就是说98%的腐蚀被抑制住了,这在工程学的角度应该是完全可以接受而且经济的,继续提高电位的负偏移量将造成阴极保护效率的下降。

4 阴极保护准则的最大保护电位

过负的阴极保护电位不但是不经济的,而且可能对管道本身及其防腐层带来破坏,通常将这种现象称为过保护。过保护带来两方面的问题,一是引起钢质材料的析氢反应,反应产生的氢能渗透到金属基体内部从而引起缺陷或是裂缝,降低材料性能,进而导致材料的氢脆现象。二是在施加阴极保护时,缺陷的防腐层会与金属基体分离开来,这种失去的粘合现象称为“阴极剥离”。阴极剥离加剧防腐层的破坏。阴极剥离的机理目前有三种解释:

由于防腐层和金属之间界面上发生的阴极反应生成的碱性物质使防腐层降解,失去粘合;

由于防腐层下金属表面上的氧化物溶解导致剥离;

由于防腐层和金属界面上的高pH值水溶液使防腐层发生位移,引起剥离。

但三种机理都不能完全解释阴极剥离现象。阴极保护准则的最大保护电位就是以不损坏被保护金属及其防腐层的黏结力为准。应该根据被保护金属、防腐层种类及环境来确定。

从抑制析氢反应角度出发,通常把最大保护电位设在极化电位-1.1-1.2VQ235钢在3.5NaCl溶液中的阴极极化曲线见图2(纵坐标I表示极化电流)。对于大多数钢质埋地管道来说,Q235钢的极化曲线大体上可以代表极化过程。曲线上有两个拐点bc,第一个拐点b对应着阴极反应由氧的活化控制转变为氧的扩散控制,第二个拐点c对应着析氢起始电位,其后阴极反应由氢的去极化控制。理论上bc段就是理想的阴极保护控制范围[4]

 

从抑制阴极剥离的角度出发,随着防腐层质量的不断提高,这个最大保护电位趋于更负。对不同防腐层推荐的最大保护电位见表2。我国原行业标准SYT 00362000《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》设定的最大保护电位与英国标准BS 7361-11991《阴极保护第1部分:陆地和海上应用实施准则》(以下称为BS 7361-1-1991)规定是一致的。因为防腐层的阴极剥离试验是在通电状态下,持续一个时间间隔通过观察破坏程度来判断剥离性能,所以该最大保护电位应该理解为通电电位。虽然许多标准没有采用这种表述,但防腐层的阴极剥离试验和BS 7361-11991标准的实践,证明该最大保护电位具有简单易测和行之有效的特点。

 

5 讨论

目前国际流行标准采用的阴极保护准则见表3(+1表示消除IR降;+2表示正于-1200mV+3表示正于-1100mV-表示不采用该准则)。在准确理解通电电位和极化电位的前提下,可以发现各标准描述上的差异,实际上反映测量技术上的差异。事实上作为引用文件,上述标准都对测量技术作出了详细的规定,如果忽略了这些内涵,可能误导标准的实施。许多标准中都明确指出:阴极保护准则并不是排它的,任何在已建管道系统中成功采用的准则,可在该系统中继续使用。这有助于我们正确理解准则和实施阴极保护。

 

GBT 214472008622条给出了确定IR降影响的常用方法:测量和计算IR降;调查阴极保护系统的运行记录;评价管道及其环境的自然特性和电性能;确定是否存在腐蚀的实际证据。这些方法实施的精确性实际上成为执行阴极保护准则的关键。

执行-850mV通电电位准则时,如果不能有效地排除IR降的影响,显然存在一定的风险和盲目性,然而对于已经运行阴极保护多年且未发现腐蚀证据的管道系统来说,一味排斥-850mV通电电位准则也是不必要的,因为在大多数情况,该准则已经不自觉地满足了极化负移100mV准则的要求。虽然-850mV通电电位准则作为标准可能欠缺严谨,但在日常仅使用万用表检测的情况下,将-850mV通电电位准则作为一个判据,仍不失为一种简捷有效的方法。

采用-1.1-1.2V极化电位作为阴极保护的最大保护电位是国际上的趋势,但是由于无法从根本上消除所有的IR降影响,实际测得的极化电位(‰)仍然可能偏负,尚不足以据此来否定某些标准提出的针对特定防腐层的最大保护电位(通电电位)

 

参考文献:

[1]ROBERT J KCathodic Protection of Underground Pipe Lines from Soil Corrosion[J]API Proceedings1933(14)157

[2]PEABODY A W.管线腐蚀控制[M].吴建华,许立昆,译.北京:化学工业出版社,200447-61

[3]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京:化学工业出版社,199956-59

[4]文丽娟,高志明,刘洋洋,等.阴极保护电位对Q235钢氢脆敏感性和力学性能的影响[J].中国腐蚀与防护学报,201333(4)271-276

 

 

 

本文作者:张合平

作者单位:高要市佛燃天然气有限公司

 

 

 

 

 

 

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