第三章_腐蚀与防腐

nullnull中国石油大学储运 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系版权所有：中国石油大学储运工程系 Copyright © 2005 China University of Petroleum. All rights reserved.腐蚀与防腐第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术第一节 合理选材与正确 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一、 选材的基本原则和方法 （一）选材基本原则 1、材料的耐蚀性能要满足生产要求 设计人员应了解： （1）金属及合金的耐蚀性能； （2）腐蚀环境的特征 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 2、材料的机械强度、加工性能满足要求 金属的耐蚀性能可通过提高其纯度来加以改进，但纯金属往往机械强度低，不能应用于工程中，有的材料耐蚀性能好，但机加工性能差，例如：高硅铸铁，质地坚硬而脆，切削加工非常困难，只能用铸造的方法来制造，因此得不到普遍应用。但扬长避短，高硅铸铁以其很好的耐蚀性能而常常用来做辅助阳极。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3、注意节约资金 Au、Pt等贵金属在绝大多数介质中是非常稳定的材料，不易受到腐蚀，但这类金属价格昂贵不易大规模的工业应用。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（二）选材的基本方法 1、了解设备和构件的工作环境条件 2、调查设备的结构类型与制造工艺 （1）了解在实际生产中材料所处的部位； （2）死角、缝隙情况； （3）电偶情况； （4）应力分布情况。 3、调查生产对材料的特殊要求 4、取得有关腐蚀数据第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术二、 合理设计的一般原则 1、尺寸留有余量（使用寿命和腐蚀余量） 2、结构力求简单 3、尽量避免残液或沉积物存在 4、力求避免缝隙的存在 5、力求不采用引起电偶腐蚀的结构设计 当必须把不同金属装配在一起时，应该用不导电的材料把它们隔离开。例如：必须把铁管接到铜槽上时，则可以在铁管和铜槽之间加一段橡皮的、塑料的或陶瓷的管子，以避免铁铜直接接触引起电偶腐蚀。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 若两种不同电位的材料无法避免接触时，那么应尽可能避免阴极部分的面积过大，而阳极面积过小。因为这样会使阳极的电流密度过大，从而促进它加速腐蚀。 6、避免应力过分集中 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术第二节 电化学保护 一、 电化学保护概述 根据电化学腐蚀原理，我们知道，造成电化学腐蚀的根本原因是溶液中存在着使金属发生阳极反应的氧化剂。具体来说，发生电化学腐蚀必须具备以下三个条件： （1）存在电位差；（2）存在电解质溶液；（3）相互接触构成电流闭合回路。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 在金属/溶液体系中，如果将金属完全与使金属电极阳极反应的去极化剂隔离，那么金属就不会遭受腐蚀，所以有一种覆盖层保护的防护措施。然而，完全隔绝去极化剂，往往又是不可能的。 因此，在上述三个条件中，似乎最容易改变的是电极的电位差。可以方便地通过外加电流（电位）改变电极的电位。 事实上，合适的外加电流（电位）使得金属电极的达到必要的电位值，其腐蚀将被减缓，甚至停止。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 电化学保护，就是利用外部电流使金属电位发生改变，从而防止其腐蚀的一种金属腐蚀防护方法。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术二、阴极保护 阴极保护是通过外加负电位使被保护的金属阴极极化，从而降低金属的腐蚀速度的方法。 阴极保护方法分为外加电流法和牺牲阳极法两种。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术外加电流阴极保护： 将被保护的金属构件整体接至直流电源的负极，通以外加阴极电流使金属阴极极化，这种方法叫外加电流阴极保护法。系统中，阳极为一个不溶性的辅助件，二者组成宏观电池，实现阴极保护。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术牺牲阳极阴极保护： 利用比被保护构件电位更负的金属和合金制成的牺牲阳极，对被保护构件输出阴极电流，从而使被保护件免遭腐蚀，这种方法叫做牺牲阳极法阴极保护，或简称牺牲阳极保护。 （外接牺牲阳极的电极电位比被保护金属更负更容易失去电子，它输出电流使被保护金属发生阴极极化）。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（一）阴极保护的基本原理和基本参数 1、基本原理 如果将金属的电位向负方向调整，金属将进入E-pH图中的不腐蚀区，其阳极溶解便被抑制。 为此，向被保护件引入阴极电流，使其发生阴极极化。这时，金属处于金属/溶液体系中腐蚀电池的电流作用与外加电流的作用的综合作用之下。通过调整外加电流，可以达到控制金属腐蚀的目的。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术阴极保护示意图（外加电流）：A---阳极C---阴极AA---辅助阳极外加保护电流 icex 从辅助阳极流向阴极。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 如上图所示，当外加电流 icex 有辅助阳极流向阴极时，阴极本身还承受着腐蚀原电池的阳极电流 ia，因此，阴极电流 ic 为： ic = ia + icex 当外加阴极电流 icex 等于 ic 时，有： ia = ic- icex = 0 即阳极电流 ia为零，阳极反应停止，金属腐蚀停止。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 阴极保护原理可以用Evans腐蚀极化图加以说明：阴极保护原理的腐蚀极化图解Ee,aSExic = ia + icexia = ic – icex = 0第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 可见，如果使金属阴极极化到金属表面最活泼的阳极点的开路电位 Ee,a，腐蚀电流就为零，金属达到了完全保护。这时外加电流 ip 是达到完全保护所必需的电流，称之为最小保护电流密度。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术外加电流法保护中，保护电流由外部直流电源提供，靠电源的电压来驱动电流，辅助阳极起传送电流的作用，材料为导体，如高硅铸铁等。 牺牲阳极法保护中，则由电位很负的金属（例如镁）作为阳极与被保护件所形成的电池的电动势来驱动电流，在这种情况下，保护电流是靠牺牲阳极（镁）的溶解提供的。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、 阴极保护基本参数 (1) 最小保护电流密度 ip 金属达到完全保护所需要的最小电流密度，称为最小保护电流密度，A/m2，mA/m2。 最小保护电流密度 ip 一般由实验方法确定，但它不能直接测量得到，只能用间接的方法计算而得： ip= Ip/S 其中：S—构件表面积，m2； Ip—达到完全保护所必须的电流，A。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 实际中，ip 随外界条件不同会有很大变化。例如，对于长输管道，影响 ip 的主要因素有： (1) 绝缘层质量 (2) 土壤含水量 (3) 土壤温度 (4) 土壤电阻率第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 因此，不同管路甚至同一管路的不同区段上所需的最小保护电流密度的数值也可能都是不同的。因而，ip 参数作为参考 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 对长距离管路显得不太实用，较适用于做为油罐、油船、海洋平台等金属构件的阴极保护标准。 对于长输管道，我们采用最小保护电位做为标准。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术(2) 最小保护电位 Emin' 金属处于完全保护时所具有的电位称为最小保护电位。 它相当于金属表面最活泼的阳极点的开路电位，它和最小保护电流 ip 相对应。对金属所加阴极电位高于最小保护电位时（按绝对值）（实际上是使金属的电位更负），金属处于保护状态。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 地下长输管路，电流流经管路时，要产生电压降。为保证管路沿线各点电位都高于最小保护电位（按绝对值）必须提高通电点的电位。通电点电位越高，保护距离也越长。但是在实际中，通电点电位不能加得太高（即不能更负），最高不得超过最大保护电位，即通电点的电位受到最大保护电位的限制。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术(3) 最大保护电位 Emax' 金属构件的负电位高于最小保护电位时，金属得到保护。但过高的负电位可能导致金属表面发生析氢，氢气泡会破坏金属表面防腐绝缘层，也可能导致发生氢脆。 此外，负电位过高也会对邻近构件产生不良影响。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 使金属得到充分保护而不致出现析氢等危害所施加的最高负电位，称为最大保护电位 Emax' 。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 例如，钢在海水中的保护电位在-0.8V～-0.9V（相对于 银/氧化银/海水 参比电极）。当电位比值-0.80V更正时，钢不能得到完全保护，所以该值又称为最小保护电位；当电位比-0.90V更负时，阴极（即钢）上可能析氢，因而有发生氢脆的危险。 据经验，一般地下钢管的保护电位为： Emin‘ = -0.85V, Emax’ = -1.5V(Cu/CuSO4参比电极，CSE)。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术(4) 自然电位 Ee 又称作自然腐蚀电位。 它是指电解液的组成、温度等影响电极电位的因素维持在自然状态时，金属的电极电位。 对于地下管道来说，自然电位就是未加保护时钢管的电位。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（5）总电位E0 外加阴极保护后管道的电位。 （6）外加电位E 外加电位又称为偏移电位、极化电位，它是总电位与自然电位之差，E=E0-Ee。 在外加电流阴极保护计算中，通常采用的是外加电位E，因此需要把最小保护电位和最大保护电位转化为外加保护电位， 即：Emin= Emin' -Ee（最小外加保护电位） Emax= Emax' -Ee（最大外加保护电位）。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（二）牺牲阳极保护 1、牺牲阳极的性能要求 在原则上凡是电位比被保护金属电位更负的所有金属均可以作为牺牲阳极。 在生产实际中，现在能作为牺牲阳极材料的只有Al、Mg、Zn及其合金。 其中，三种采用最多的牺牲阳极： 含Al6%、Zn3% 的镁合金； 高纯度锌（含锌99.995%以上）； Zn-Al(0.5%)-Cd(0.1%)三元合金。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 牺牲阳极性能的优劣通过四个方面来衡量： （1）阳极电位 牺牲阳极应具有足够负的电位，这主要表现在两个方面：要求有：A、足够负的开路电位（牺牲阳极在电解质中的自然腐蚀电位。B、足够负的闭路电位（或称工作电位，在电解质溶液中与金属构件连接时牺牲阳极的电位）。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）电流效率 牺牲阳极的电流效率指 η = (实际电容量 / 理论电容量)×100% 理论电容量是根据库仑定律计算的消耗单位质量牺牲阳极所产生的电量， (A·h/kg) ； 实际电容量是实际测得的消耗单位质量牺牲阳极所产生的电量，(A·h/kg)。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术要求： (1) 牺牲阳极有较大的理论电容量； (2) 牺牲阳极具有较大的电流效率； 即尽可能多的电量可用于实际的阳极保护中。但是并不是所有牺牲阳极材料在工作时都能将理论电容量输送出去，其中有一部分电量消耗于牺牲阳极本身的阳极上，或者是消耗于某些副反应中。例如，镁阳极，电流效率仅为55%左右，大约有45%的电量无效地消耗掉了。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3）阳极消耗率 牺牲阳极的消耗率是指产生单位电量所消耗的阳极质量，单位为kg/A·a（千克/安·年） （4）腐蚀特征 牺牲阳极表面的腐蚀特征，也是评定阳极性能的重要指标。良好的牺牲阳极表面应该是：全面均匀的溶解，表面上不沉积难溶的腐蚀产物，阳极能够长期工作下去。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、 牺牲阳极保护设计计算 （1）计算所需保护电流 I I = S·ip I — 实现完全保护所需的保护电流，mA S — 被保护构件的外表面面积，m2； ip — 最小保护电流密度，mA/m2； 管道所需的最小保护电流密度 ip 与土壤电阻率、管道绝缘层质量有很大关系。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术参考资料： 埋地管道所须防蚀电流密度表面状况 土壤状况 ip(mA/m2) 裸管 一般中性土壤 4~15 裸管 透气性中性土壤 20~30 裸管 湿润性土壤 25~60 裸管 酸性土壤或硫酸盐还原菌繁殖土壤 50以上 沥青涂层 一般土壤 1~10 煤焦油漆涂层 一般土壤 0.05~0.3 沥青树脂 一般土壤 0.01~0.05第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术(2) 根据土壤电阻率选择牺牲阳极 通常 ρ＜30Ωm 选Zn基阳极 ρ ＜100Ωm 选Mg基阳极 Cl- 浓度高时，选Al基阳极第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 （3）根据所选定的阳极种类、尺寸，计算阳极的输出电流 Ia (i) Ia = ia·F 式中 Ia — 阳极输出电流，A； ia — 阳极表面电流密度，A/m2 F— 阳极有效表面积，m2。 阳极表面的电流密度随阳极材料及介质的不同而不同，应由实验来确定。 在初计算中，可取： 海水中 ia=1mA/cm2； 土壤中 ia=0.03mA/cm2。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（ii） 阳极输出电流还可以根据有效电位差来计算； Ia=△E/R 式中： △E----阳极对被保护金属的有效电位差（或称驱动电压），V； R---保护系统的回路总电阻，Ω。 R由以下几个部分组成： R=RA+RC+RW 其中：RA-----阳极（接地）电阻； RC-----阴极接地电阻； RW ----回路导线电阻。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术阳极电阻RA单支、立式、无填料：第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术单支、立式、有填料：第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术单支、水平、有填料：上式适用条件：La>>d，t >>L/4 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（4） 阳极根数 N=α I/Ia 式中： N——阳极的根数； I ——所须保护电流； Ia---阳极输出的电流； α—阳极的屏蔽系数，它与被保护设备的结构、阳极间的距离、阳极材料的性质等因素有关，取α=1.5～3。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（5） 阳极寿命 T=GAηK/8760Ia 式中： T—阳极寿命，a；（单个阳极的寿命一般不少于1~2年，对于永久性结构所用的阳极最少可用10年或更长） G—阳极的总质量，kg； A—阳极材料的理论电容量，Ah/kg； Ia—阳极的输出电流，A； η—电流效率； K—阳极利用系数，长条形阳极取0.9， 其余形状阳极取（0.75~0.85）； 8760 —— 一年的小时数，h。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3、阳极的安装 长输管道牺牲阳极的安装： 保护长度: 每个阳极的保护长度范围一般是200~1000m； 阳极距离管道的距离一般为3~6m。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术4、牺牲阳极填充料 当牺牲阳极用于土壤中时，往往在牺牲阳极周围填充一些导电性良好的物料，这种物料称为填充料。 作用： (1) 减少电流流通时的电阻，即减小阳极周围介质的电阻率。 (2) 阻止在牺牲阳极表面形成钝化层，活化阳极表面。 (3) 使保护电流均匀分布。 (4) 使牺牲阳极本身腐蚀均匀。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术填充料组成: 石膏(硫酸钙)(使阳极均匀腐蚀) 膨润土、硅藻土（保持水分，维持阳极周围润湿） 硫酸钠（含碱或其它盐类）（降低电阻率） 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（三）外加电流保护设计 设计内容：（地下长输管道） 计算保护长度、确定阴极保护站数量； 计算阴极保护站电源功率。 所谓阴极保护站的保护长度是指：管道上负电位均高于最小外加保护电位Emin（按绝对值）的管段长度。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术1、管道上外加电位和电流的分布规律 在推导分布规律时，作如下假设： A. 管路上的绝缘层均匀一致，并且有良好的介电性，且与管路紧密接触，管道沿线各点的单位面积过渡电阻相等。（过渡电阻是指电流经土壤沿径向流入管道时的电阻，其数值主要取决于绝缘层的电阻）。 B. 土壤电阻忽略不计 因为土壤截面积很大，故忽略了电流流经土壤的电阻。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 在距离汇流点（通电点）x处取一微元段dx，设dx小段处的管道外加电位为E，并设单位长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为RT（Ω·m），单位长度金属管道的电阻为rT（Ω/m）。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术写出： 由土壤流入dx段的电流为：电流 I 轴向流过该小段dx时，由于管道本身的电阻产生电压降： 求解微分方程，得到通解： ——衰减系数 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术通常边界条件有三种情况： (1) 无限长管道。即全线只有一个阴极保护站，线路上没有绝缘法兰； (2) 有限长管道。即全线上有若干个阴极保护站，相邻站间管道由两站联合保护； (3) 保护段终点处有绝缘法兰。一般设有阴极保护站的管道在进入泵站或油库之前须装设绝缘法兰，以免保护电流流入站内，一方面造成电流损失；另一方面干扰库内、站内设施。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（1）无限长管道电位、电流的分布 x=0, I=I0， E=E0； x→∞， I=0，E=0；第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术讨论： ① 由上两式可知，管路上外加电位和电流以指数规律变化，其特点是：汇流点附近电流、电位下降较快，距离汇流点越远，下降越缓慢。 ② 曲线下降的快慢（电流电位的变化梯度）取决于衰减系数a，a越大，曲线越陡（变化快），a小，曲线平坦（变化慢）。 由于 rT 变化不大，因此a主要取决于RT（管路的过渡电阻），而过渡电阻主要是指管路绝缘层电阻，因此： 绝缘层电阻越大，RT↑，a↓，曲线平坦； 绝缘层电阻越小，RT↓，a↑，曲线陡降。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术③ 电流 I0 的大小也主要决定于过渡电阻RT 。 因此，RT↓，则I0↑。这说明如果绝缘层的质量不好，则需要的保护电流要增大，从而增加电能损耗，这也就是我们在进行阴极保护时，必须作好管道绝缘层处理的原因。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）有限长管道电流电位分布 当管道沿线上有若干个阴极保护站时，这种管路称为有限长管路。 其特点是：在有限长管路上，两个相邻阴极保护站之间的管段，其外加电位和电流的变化受到两个站的共同作用、共同影响。由于两个站的共同作用，管道上某点的电位将比只有一个阴极保护站时高（即电位更负）即外加电位的变化曲线将抬高。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术有限长管道沿线电位分布曲线第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术求解，边界条件： x=0时，E=E0 ， I=I0 x=L时，dE/dx=0， I=0 L — 两站间距的一半。 得：x — 距汇流点的距离； L —两汇流点的间距的1/2。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术讨论： ① 有限长管道的电位、电流按双曲函数规律变化，与无限长管道相比，有限长管道的电位、电流变化比较慢。 ② 在相同条件下，有限长管道所需电流I0比无限长管道小，换句话就是有限长管道消耗电能比无限长管道少。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术(3) 管道末端有绝缘法兰 电位、电流变化规律与有限长管道相近，按有限长管道对待。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、外加电流阴极保护站保护长度计算 （1）无限长管道保护长度 将x=0处，E0=Emax （外加最大保护电位） x=L1max ， E=Emin（外加最小保护电位） 代入电位、电流分布表达式，得： L1max — 无限长管道汇流点一侧的保护长度，m；第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 由上式可见，绝缘层质量直接影响到保护长度，绝缘层质量越好，RT越大，a越小，L1max就越大；若无绝缘层，L1max 将很短。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2） 有限长管道保护长度 在有限长管道电位、电流分布表达式中代入： x=0， E0=Emax x=L2max，E=Emin 得：L2max — 无限长管道汇流点一侧的保护长度，m；（大于无限长管道保护长度）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术4、 阳极接地设计（阳极地床） （1）辅助阳极材料的性能 在外加电流阴极保护系统中与直流电源正极连接的外加电极称为辅助阳极，其作用是使电流从阳极经介质到达被保护结构的表面。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术理想的阳极材料应有下列性能： ① 导电性能良好； ② 耐腐蚀，消耗量小，寿命长； ③ 有一定的机械强度，耐磨损、耐冲击和震荡，可靠性强； ④ 易于加工成各种形状； ⑤ 材料易获得，价格便宜。 目前常用的阳极材料有： 碳素钢、铸铁、高硅铸铁、石墨、磁性氧化铁、铂及镀铂材料。（从理论上来讲，任何导电材料都可以做阳极材料，但从经济上考虑，很多材料就不合适了。）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）阳极地床结构 按阳极铺设方式可分为： 立式阳极地床、水平式阳极地床（其中立式的最为普遍）。 按埋深可分为： 浅埋式阳极地床（多见）、深埋式阳极地床 浅埋式：埋深距地表1-5米，至少阳极装置上端距地表在0.7～0.8米(冰冻线以下)，以减少季节变化对阳极接地电阻的影响； 深埋式: 埋深距地表20～40米为次深 距地表50～100米为中深 距地表大于100米为深 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 深埋式阳极地床常常用在管网密集的地方进行区域性保护(泵站、库区)，或周围存在对阳极干扰和屏蔽的场合。 为了减少阳极之间的相互屏蔽，阳极之间应保证有一定的距离。 阳极到管道的距离： 短管道：油田的集输管网、油库管网 50～ 300米； 长输管道：300～500米。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3） 阳极地床电阻 为了减少外加电能在阳极地床上的消耗，我们希望阳极地床有较小的接地电阻。 一般要求阳极地床接地电阻R<1Ω（设计时一般取0.5Ω） 。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术5、阴极保护站功率计算 通过保护站所提供的电压、电流来计算其功率： P0=IU第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术三、阳极保护 1、阳极保护基本原理 阳极保护： 将外加电源正极与被保护金属构件相连接，使金属发生阳极极化，并使金属达到稳定的钝态，从而降低金属的腐蚀速度，使构件得到保护。 显然，阳极保护与金属钝性有非常密切的关系。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术活化-钝化金属典型阳极极化曲线ic 致钝电流密度 Ec致钝电位 ip 维钝电流密度第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术活化金属的阳极极化曲线EiEe，a第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、阳极保护重要参数 （1）致钝电流密度 使金属在给定环境条件下发生钝化所需的最小电流密度（或称临界电流密度）。 实验表明，钝化膜的形成需要一定的电量。对于一定的电量，时间越长，所需的致钝电流密度就越小，因而延长钝化时间，可以减小致钝电流密度。但是电流小于一定数值时，即使无限延长通电时间，也无法建立钝化状态。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术例如：在1N的H2SO4溶液中，碳钢试样的致钝电流密度与建立钝化所需的时间有如下关系： 致钝电流密度（mA/cm2） 建立钝化所需要时间（s） 2000 2 500 15 400 60 200 不能钝化第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术致钝电流密度的要适中，不能过小，也不能过大。 i：不能过大，尽可能减小电源设备的容量； ii：尽可能小，小到可以建立稳定的钝态。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）维钝电流密度ip： ip：使金属在给定的环境条件下维持钝态所需的电流密度。 维钝电流密度的大小，表示出阳极保护正常操作时耗用电流的多少，同时也决定了金属在阳极保护时的腐蚀速度。iP大，不仅表示电能消耗多，而且也表示金属的腐蚀速度也越快。如果腐蚀速度超过了一定数值，阳极保护就无意义了。因此，iP越小越好。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3）稳定钝化区电压范围 这是指钝化过渡区与过钝化区之间的电位范围。超出钝化区电位范围，都会使金属快速溶解。 这个区的电位范围越宽越好，范围越宽就可以容许电位在较大的数值范围内波动而不致于有进入活化区或过钝化区的危险。为了便于控制电位，这个区的电位范围应不小于50mv（钝化区范围宽对阳极保护时，恒电位仪、参比电极的精度要求可低些）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3、阳极保护的应用条件 （1） 只适用于活化—钝化金属； （2） 要求钝化区电位范围不小于50mv； 致钝电流密度适中、维钝电流密度越小越好。 （3）卤素离子（离要是指Cl-离子）浓度不能过高。 在工业上，阳极保护主要用于： 碳钢-浓硫酸系统； 不锈钢-浓H2SO4系统； 碳钢-氨水储槽（罐）； 纸浆蒸煮锅等。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术4、阴极保护与阳极保护的比较 共同点： （1）均属于电化学保护 （2）适用于电解质溶液中的金属保护，要求液相连续；对气相无效。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术不同点：null管道上外加电位和电流的分布规律:null外加电流阴极保护站保护长度计算 null辅助阳极材料的性能: ① 导电性能良好；② 耐腐蚀；③有一定的机械强度，可靠性强； ④ 易于加工成各种形状；⑤ 材料易获得，价格便宜。 常用的辅助阳极材料有： 碳素钢、铸铁、高硅铸铁、石墨、磁性氧化铁、铂及镀铂材料 阳极地床结构:立式阳极地床、水平式阳极地床第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术第三节 缓蚀剂保护 缓蚀剂：在用量很小的情况下，能阻止或减缓金属腐蚀速度的物质。（又称腐蚀抑制剂） 从腐蚀防护分类上讲，缓蚀剂保护是属于：腐蚀介质的处理。 其目的在于改变介质的性质，降低或消除介质对金属的腐蚀作用。这种方法只能在腐蚀介质的体积量有限的条件下才能应用（例如：容器、管道系统等）。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术腐蚀介质处理包括两方面内容： （1） 去掉介质中的有害成分 （例如：锅炉内水的去氧，避免氧去极化） （2） 加缓蚀剂 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术一、 缓蚀剂缓蚀机理 目前常用来解释缓蚀剂机理的理论主要有下列三种： （1）吸附理论： （2）成膜理论 （3）电化学理论 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术1、吸附理论 （1）物理吸附 认为缓蚀剂分子与金属表面有静电引力和分子间作用力（范德华力）而使缓蚀剂分子被吸附在金属表面。 （2）化学吸附 认为缓蚀剂分子和金属表面形成化学键而发生吸附，使缓蚀剂分子吸附在金属表面。 缓蚀剂分子吸附在金属表面，形成连续的吸附层，将腐蚀介质与金属表面隔离开，从而起到抑制腐蚀的作用。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、成膜理论 认为缓蚀剂之所以能起到缓蚀作用是由于它能在金属表面上生成一层难溶的保护膜。这种保护膜有两类： （1）钝化膜 缓蚀剂氧化金属表面形成氧化物膜。 （2）沉淀膜 缓蚀剂与金属表面阳极溶解出来的金属离子生成难溶性产物沉积于阳极表面，形成保护膜。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3、电化学理论 认为缓蚀剂是通过加大对阴极过程或阳极过程的阻滞（极化），从而减缓金属的腐蚀。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术二、缓蚀剂的分类 1、按缓蚀剂作用机理来划分 根据缓蚀剂在电化学腐蚀过程中，主要抑制阳极反应、阴极反应、或两者同时得到抑制，可将缓剂剂分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂和混合型缓蚀剂三类。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（1）阳极型缓蚀剂（阳极缓蚀剂） 通过抑制腐蚀的阳极过程而阻滞金属的腐蚀。加入阳极缓蚀剂将增大阳极极化。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术阳极缓蚀剂的缓蚀作用表现在两方面： （1）直接阻止金属表面的阳极部分的金属离子进入溶液。 （2）在金属表面上形成保护膜。 对于上述第（2）种作用机理的阳极型缓蚀剂的使用，要注意可能出现的腐蚀危险性：第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 如果腐蚀的减缓是由于“在金属表面上形成保护膜”机理所引起，当阳极表面尚未完全为保护膜所掩盖时，由于阳极面积的减小，阴极表面的相对增加，有利于阴极去极化过程的进行（钝化剂本身在阴极上可以被还原），反而引起阳极腐蚀电流密度增大，从而使腐蚀集中在残存下来的小面积的阳极部分，以致造成孔蚀的危险。 所以这一类缓蚀剂被称为是危险型缓蚀剂，使用时应特别注意。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）阴极型缓蚀剂（阴极缓蚀剂） 其主要作用在于抑制阴极过程的进行，在阴极表面上形成沉淀膜，增加阴极极化，它并不改变阳极的面积。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 阴极缓蚀剂的添加浓度比阳极缓蚀剂大些，且缓蚀效率较小些。但添加浓度即使不够也不会发生局部腐蚀的危险。 常用的阴极缓蚀剂有： Zn盐（如ZnSO4）、Ca(HCO3)2，等。（生成沉淀膜） 含As3+、Sb3+、Bi2+等重金属盐类。（还原成As、Sb、Bi 原子在阴极上析出，增加阴极上氢过电位。）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3）混合型缓蚀剂 这种缓蚀剂，同时抑制阳极过程和阴极过程。 同时使阴极极化和阳极极化增大。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术混合型缓蚀剂主要有： A、含 N 的有机化合物： 如胺类、亚胺类、 有机胺的亚硝酸盐，等。 B、有机硫化物： 如硫醇、硫醚、环状含硫化物等。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、按缓蚀剂所形成保护膜的特征分类 （1）氧化膜型缓蚀 这类缓蚀剂使金属表面形成致密、附着力强的氧化物膜使其钝化，故又称“钝化剂”。 （2）沉淀膜型缓蚀剂 与介质中溶解的金属离子反应形成沉淀膜，阻止金属的腐蚀。 沉淀膜与氧化膜相比，沉淀膜厚而多孔，与金属结合力较差，缓蚀效果差一些。 （3）吸附膜型缓蚀剂 这类缓蚀剂能吸附在金属表面形成吸附膜，从而阻滞金属腐蚀。这类缓蚀剂大多是有机物质，在酸性介质中缓蚀效率较高。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3．按化学成分分类 1）有机缓蚀剂 2）无机缓蚀剂 4．按缓蚀剂的溶解特征分 水溶性缓蚀剂、油溶性缓蚀剂。 5．按适用介质的酸碱性、状态分： 液相中： 酸性介质缓蚀剂 （有机物缓蚀剂） 中性介质缓蚀剂、碱性介质缓蚀剂。（多数无机物缓蚀剂、阳极缓蚀剂。） 气相中：气相缓蚀剂 （挥发性缓蚀剂）第三章 金属腐蚀防护技术1、缓蚀剂的缓蚀效率 式中 Z——缓蚀效率（缓蚀率、抑制效率）； VO——未加缓蚀剂时金属的腐蚀速度； V——加入缓蚀剂后金属的腐蚀速度 。 Z值越大，说明缓蚀效果越好。显然，若腐蚀完全停止（V=O）时,Z=100％；若缓蚀剂完全没有作用（VO=V）时,Z=O。 三、缓蚀剂性能指标第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、缓蚀剂的后效性能 当缓蚀剂的浓度由正常使用浓度大幅度降低时，缓蚀作用所能维持的时间。这个时间越长，缓蚀剂的后效性能越好，也表示由缓蚀剂作用而产生的金属表面保护膜的寿命越长。 缓蚀剂的后效性能好，反应保护膜的寿命长，那么在生产中就可以减少添加缓蚀剂的次数和浓度，即既维持了金属的低腐蚀速度又可节约资金。 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术四、缓蚀剂保护的特点及影响因素 1、缓蚀剂保护的优点 （1）保护效果好 采用合适的缓蚀剂及保护工艺，可以取得良好的保护效果。 （2）使用方便 对于被保护的设备，即使其结构比较复杂，用其它保护方法难以奏效的，只要在介质中加入一定量的缓蚀剂，就可起到良好的保护作用，凡是与介质按触的表面，缓蚀剂都可能发挥作用。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3）用途广 可用于各种腐蚀介质中，如水、石油、蒸汽等的储存、运输设备；也可用在钢筋混凝土中防腐。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术2、缓蚀剂保护的局限性 （1）缓蚀剂对材料/环境体系有极强的针对性 需要针对不同体系通过实验室及现场试验选择缓蚀类型、用量等有关参数。 （2）一般只用在封闭和循环体系中 因为对于非循环体系、敝开体系，缓蚀剂量会大量地流失，不但成本高，而且有可能造成污染。 （3）一般不适用于高温环境 通常在150℃以下使用。 （4）对于不允许污染的产品及介质不宜采用 （5）在强腐蚀性介质中（如酸）不宜用缓蚀剂长期保护 第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3、缓蚀作用影响因素 （1）金属材料性质和表面状态 1） 缓蚀剂有其适用的金属 一种缓蚀剂可能对某些金属起到腐蚀抑制作用，但对另外一些金属可能不起作用，甚至会促进腐蚀。 2）表面越光滑需要的缓蚀剂浓度越小。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（2）环境因素 1） 介质的组成 缓蚀剂性质必须与介质性质相容（即不但可以分散于介质中而且不应与介质发生反应从而造成缓蚀剂失效） 2）介质的pH值 几乎所有的缓蚀剂都有一个适用的pH值范围，必须严格控制介质的pH值。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3）温度 不同缓蚀剂对温度的适应性是不同的，主要有三种情况： A、缓蚀率随温度升高而降低。 （温度升高吸附作用减弱） B、在一定温度范围内，缓蚀率变化不大。当温度超过某一界限时，缓蚀率大幅度下降 （沉淀膜型） C、缓蚀率随温度升高而升高 。 （温度高有利于表面氧化膜的形成）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术4) 微生物 当腐蚀环境中存在微生物时，可能导致缓蚀剂失效 。 失效的主要原因： ① 微生物会参加腐蚀过程，造成大量腐蚀产物的生成与孔蚀。 ② 凝絮状真菌的产生和积累会妨碍介质的流动，使缓蚀剂不能均匀分散于金属表面。 ③ 有些细菌会直接破坏缓蚀剂，缓蚀剂可能成为微生物的营养源。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术（3）缓蚀剂浓度的影响 所有缓蚀剂都存在一个最低浓度，只有当缓蚀剂浓度大于最低浓度值时，才具有一定的缓蚀效率。 缓蚀剂浓度对缓蚀效率的影响有三种不同情况： A、缓蚀效率随缓蚀剂浓度增大而增大 此种情况下，防腐中采用多大浓度主要考虑成本。 B、缓蚀剂浓度达到某值时，缓蚀效率出现最大值。 C、当缓蚀剂浓度不足时，会加速均匀腐蚀或孔蚀。(例如，阳极缓蚀剂中的氧化膜型缓蚀剂。）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 在缓蚀剂浓度控制方面还应注意以下几点： ① 对于长期保护的设备，首次添加缓蚀剂的量一般比经常性的操作大4～5倍，以利建立稳定的保护膜。 ② 保护旧设备比保护新设备所需的缓蚀剂的量更大。这是因为旧设备表面锈层和垢层要消耗缓蚀剂。 ③ 采用不同类型缓蚀剂组合使用，可能用较低的缓蚀剂浓度就能取得较好的缓蚀效率。 第三‘章 金属腐蚀防护技术第三‘章 金属腐蚀防护技术（4）设备结构和力学因素的影响 ① 死角和缝隙的存在，使缓蚀剂不容易与所有金属表面相接触，影响对局部区域的缓蚀作用。 ② 在形成应力腐蚀的环境条件下，对均匀腐蚀有效的缓蚀剂对应力腐蚀不一定有效。 ③ 介质的流动状态和缓蚀效率的影响比较十分复杂。 有的缓蚀剂的缓蚀率随流速 v 增大而下降；有的缓蚀剂缓蚀率随流速 v 增大而上升；有的缓蚀剂浓度不相同时，流速对缓蚀率的影响不一样。 因此，不能以静态下对缓蚀剂的评定数据代替流动状态下的数据，必须做好流动试验。（试验环道）第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术第四节 覆盖层保护 在金属表面上施用覆盖层是防止金属腐蚀最普遍而又很主要的方法，覆盖层的作用在于使金属与外界介质隔离开，以阻碍金属表面层上发生腐蚀电池作用。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术覆盖层分类： 金属覆盖层：电镀、喷镀、渗镀、热镀、碾压。 非金属覆盖层：涂料、塑料、橡胶、灰泥、沥青、玻璃。 化学和电化学法生成的覆盖层：氧化处理、阳极极化、磷化处理及其他。 暂时性覆盖层：油封、可剥性塑料膜。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术一、 防腐涂层（涂料覆盖层） 涂料覆盖层在金属防护工作中用得最为普遍。涂料覆盖层具有选择范围广，适应性强，施工方便，成本低廉等优点。 其作用是使金属与腐蚀介质隔离开来，从而达到保护目的，因此涂料覆盖层应满足下基本要求： A、在使用介质中非常稳定； B、形成的漆膜完整无孔； C、与底层金属结合牢固； D、有一定机械强度和适当的硬度与弹性。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 涂料一般由不挥发分和挥发分（稀释剂）两部分组成。当涂料涂刷在物体表面，其挥发分逐渐挥发逸去，留下不挥发部分就干结成膜。 1、常用防腐涂料 1） 红丹漆 红丹漆是将红丹（Pb3O4）与各种基料调制而成的，有红丹油性漆、红丹醇酸漆、红丹酚醛漆等。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术 红丹可以看成是铅酸铅（Pb2PbO4），其中 PbO44- 对于金属具有缓蚀作用，因而红丹漆有很好的防锈性能。 红丹漆在石油工业应用非常广泛，红凡漆一般作为底漆使用。 2） 醇酸树脂漆 它是由多元醇、多元酸和一些单元酸通过脂化作用缩聚制得的。其漆膜坚韧，具有良好的附着力和耐侯性，适用于涂装室内外金属制品的表面。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术3）环氧煤焦油沥青漆 它是目前在国内外应用最广泛的被称为高效能的防腐蚀涂料。它的附着力、坚韧性、耐潮性、耐水性及耐化学腐蚀各方面都较其它涂料优异。第三章 金属腐蚀防护技术第三章 金属腐蚀防护技术4）聚氨脂漆 它是从多异氰酸酯和多羟基化合物反应而制得的含有氨基甲酸脂的高分子化合物。聚氨酯添的特点是漆膜坚硬耐磨，具有优异的耐化学腐蚀性、耐碱、耐酸、耐水、耐热，对溶剂及