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电化学论文
重庆科技学院
《电化学保护及设计》课程论文
题目埋地管道牺牲阳极法阴极保护设计
学院冶金与材料工程学院
专业班级金属材料工程2011-01
学生姓名王甜甜学号2011444382
指导教师曹献龙成绩
评语:
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2014年6月9日
摘要运输管道在运行过程中不可避免的会发生防腐层的破裂及管体损伤,管道会遭受土壤、空气和输送介质(石油、天然气等)腐蚀。
输送油、气的管道大多处于复杂的土壤环境中,所输送的介质也多有腐蚀性,因而管道内壁和外壁都可能遭到腐蚀,造成管道材料的流失并导致管线部件甚至整个管线系统失效。
一旦管道被腐蚀穿孔,即造成油、气漏失,不仅使运输中断,而且会污染环境,甚至可能引起火灾,造成危害。
据美国管道工业的统计资料,1975年由于腐蚀造成的直接损失达6亿美元。
因此,防止管道腐蚀是管道工程的重要内容。
关键词管道牺牲阳极阴极保护
1绪论
金属材料是现代社会中使用最广泛的工程材料,在人类的文明与发展方面起着十分重要的作用,人们不仅在工农也生产、科学研究方面用到金属材料,在日常生活中也随处可见,无时无刻不在使用金属材料。
然而这些金属材料都会损坏,其中最常见的是腐蚀等。
腐蚀给人类带来的损失时巨大的,我国的腐蚀情况也是及其严重的。
金属腐蚀在造成经济损失的同时,也造成了资源和能源的浪费。
腐蚀不仅对现有的工业金属设施造成损坏,还会影响新技术的发展。
牺牲阳极的阴极保护法是在保护钢铁设备上连接一种更易失去电子的金属或合金。
具体方法为:
将还原性较强的金属作为保护极,与被保护金属相连构成原电池,还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗,被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。
因这种方法牺牲了阳极(原电池的负极)保护了阴极(原电池的正极),因而叫做牺牲阳极(原电池的负极)保护法。
牺牲阳极通常仅经济地应用在保护电流需要量小的构筑物上和低土壤电阻率环境中。
此外,当没有供电条件或出现不经济的情况时才有应用价值。
适用于土壤中的牺牲阳极材料主要是镁,在海水中是锌和铝。
牺牲阳极的使用受其化学性能的限制,阳极材料的静电位必须比受保护物体的保护电位负的多,这样才能维持足够的激励电压(也称驱动电位)。
牺牲阳极阴极保护的基本作用过程是:
当一电位较负的金属与被保护金属结构物连接时,两者构成宏观的腐蚀电池,其中电位较正的金属结构物成为宏观腐蚀电池的阴极,而电位较负的金属成为阳极,结果将受到保护,后者会加速腐蚀。
牺牲阳极保护系统通常由牺牲阳极、导线组成,此外还可能有填包料、绝缘垫、屏蔽层、接线盒等辅助物件。
2设计任务要求
任务描述:
某16Mn钢质埋地管道,长度为15公里,直径160毫米,环氧粉末防腐层,处于土壤电阻率30欧姆·米的坏境中,设计阴极保护系统,该阴极保护的设计寿命为15年。
3设计参数的选择
保护电位
按GB/T10123-2001的定义,保护电位为“进入保护电位范围所必须达到的腐蚀电位的临界值”。
保护电位是阴极的关键参数,它标志了阴极极化的程度,是监视和控制阴极保护的重要指标。
为使腐蚀过程停止,金属经阴极极化厚必须达到的电位称为最小保护电位,也就是腐蚀原电池的起始电位。
其数值与金属种类、腐蚀介质的组成、浓度及温度等有关。
管道进入阴极电流后,其负电位提高到一定程度是,由于H离子在阴极上的还原,管道表面会析出氢气,减弱甚至破坏防腐层的粘接力,不同防腐层的析氢电位不同[1]。
土壤电阻率
土壤电阻率直接决定阳极的种类与规格。
如果管道沿线土壤电阻率变化非常大则应该分别设计不同种类与规格的阳极
阴极保护电流密度、
在GB/T10123-2001中,保护电流密度的定义是:
“从恒定在保护电位范围内某一电位的电机表面上流入或流出的电流密度”。
此定义对于阴极保护来说只能是“流入”。
保护电流密度与金属性质、介质成分、浓度、温度、表面状态(如管道防腐层状况)、介质的流功、表面阴极沉淀物等因素相关。
对于土壤坏境而言,有时还受季节因素的影响。
对不同类型的防腐层和土壤介质牺牲阳极法阴极保护电流密度的选择在实践中差别较大。
因保护电流密度不是固定不变的数值,所以,一般不用它作为阴极保护的控制参数,只有无法测定电位时,才把保护电流密度作为控制参数。
不同表面状况钢管的最小保护电流密度值见表2.
表2不同表面状况钢管的最小保护电流密度
管道表面状况
土壤电阻率/(Ω·m)
电流密度/(mA/m2)
带有沥青、玻璃布防腐层
130~35
30~1.4
0.01~0.1
0.16
裸管
﹤3
3~10
10~50
﹥50
30~50
20~30
10~20
5~10
牺牲阳极材料
牺牲阳极阴极保护法中最重要的环节是针对腐蚀介质选择合适的阳极材料。
作为牺牲阳极材料,应具备以下条件。
1足够负的电位,在工作是保持足够大的驱动电压。
只有当驱动电压足够大时,牺牲阳极才能克服保护系统中的电阻,向被保护的金属结构提供足够大的阴极保护电流。
但是,驱动电压也不宜过大,否则在阴极会发生析氢反应,损伤被保护结构表面的涂层或导致被保护金属的氢脆,产生过保护现象。
一般要求牺牲阳极的驱动电压为0.25左右。
2较高的理论发生电量(即理论比容量),较高的电流效率。
理论发生电量是指单位重量的阳极溶解时产生的电量,而电流效率是指实际放出的电量理论发生电量的比值。
牺牲阳极的电流效率较高,表明其自腐蚀电流小,经济耐用。
常用的牺牲阳极材料除镁以外,一般均有70%~80%的电流效率。
3较小的阳极极化率,容易活化,可保证自身电位及输出电流的稳定。
4溶解均匀,腐蚀产物松软易落,不黏附于阳极表面形成高阻硬壳。
5价格便宜,来源充足,制作简便,腐蚀产物无公害。
常用的牺牲阳极材料主要有镁基合金、锌基合金和铝基合金三大类。
它们的基本性能见表2
表2几种常用牺牲阳极材料的性能
阳极材料
成分/%
密度/(g/ml)
理论发生电量/(Ah/g)
海水中的性能(i=1mA/cm2)
土壤中的性能(i=0.03mA/cm2)
电流效率/%
开路电位/SCE/V
实际发生电量/(Ah/g)
消耗率/[kg/(A·a)]
电流效率/%
实际发生电量/(Ah/g)
Mg-Al-Zn
Al6%,Zn3%
1.99
2.21
60
-1.6
1.19
7.2
45
1.00
Zn-Al-Cd
Al0.3%~0.6%Cd0.025%~0.1%
7.13
0.82
>90
-1.12
0.74
11.8
75
0.62
Al-Zn-
In-Cd
Zn2.5%,In0.02%
Cd0.01%
2.91
2.93
85
-1.2
2.49
3.8
65
1.90
可以看出这三类牺牲阳极的主要性能指标有较大的区别,各有所长。
介绍如下。
1镁和镁合金阳极优点是电位较负,驱动电压较大,溶解较均匀;缺点是电流效率低,腐蚀快,容易引起过保护,价格昂贵。
20实际50年代以前,此类牺牲阳极材料使用较多,Mg-Al-Zn合金阳极与铁的有效电位差在0.6V以上,因此保护半径大,适应于土壤和淡水中阴极保护。
但是,镁阳极腐蚀快,电流效率只有50%左右,需经常更换电极;由于其电压太负,使用中经常有氢气析出,致使被保护结构表面涂层脱落,因此在电阻小的海水介质不宜使用镁阳极。
2锌和锌合金阳极优点是电位稳定,腐蚀均匀,电流效率高;缺点是驱动电压低。
锌对铁的驱动电压只有0.2V,因此不适宜在土壤和和淡水等高电阻的介质中使用。
在电导率高的海水中,锌和锌合金阳极经长期使用后,电位仍可维持稳定。
这是由于自腐蚀速度低,电流效率高(一般为90%~95%),腐蚀产物疏松易落,溶解面上不黏附高阻硬壳。
由于腐蚀小,所以使用寿命长。
3铝合金阳极优点是重量较轻,比容量大,消耗率低,价格便宜,生产施工方便;缺点是驱动电压低,溶解性差。
铝是电负性和活泼性较高的金属,而且密度小,理论发生电量大,原料易得,价格便宜,是制造牺牲阳极的理想材料。
但纯铝容易钝化,不能作为牺牲阳极,通过合金化的方法可以防止铝表面形成钝化膜,提高其化学活性。
电流效率较高的铝合金有Al-Zn-In,Al-Zn-Sn和Al-Zn-Hg,其中,Al-Zn-In由于对坏境无公害,为主要使用的牺牲阳材料,广泛用于海洋环境和含氯离子的介质中对海上和港口钢铁结构物的阴极保护[2]。
4工艺计算与校验
阴极保护电流密度
有文献描述阴极保护电流密度与防腐层绝缘电阻有对应关系可以用以下经验公式表示
(1)
式中i-阴极保护电流密度,mA/m2.
△E0-极化电位,mV
根据公式及所给条件可算得:
=
×10-3mA/m2
总保护电流强度It(A):
It=πDL·i
式中,D是被保护管道外径,单位m;
L是管道长度,单位m。
求得:
根据牺牲阳极接界电阻(单支水平式圆柱形牺牲阳极有填料是的计算公式)计算式有:
(1-3)
式中,La》d,t》
。
RH水平式阳极接地电阻,单位Ω;
ρ和ρa是土壤和阳极填料的电阻率,单位Ω·m;
La是阳极填料柱的长度,单位m;
D和d是阳极和填料柱的直径,单位为m;
t是阳极中心至地表面的距离,单位为m;
牺牲阳极输出电流
牺牲阳极输出电流按下式计算:
(2)
式中:
Ia-阳极输出电流,A
Ec-阴极开路电位,V
Ea-阳极开路电位,V
ea-阳极极化电位,V
ec-阴极极化电位,V
Ra-阳极接地电阻,Ω
Rc-阴极过度电阻,Ω
Rw-回路导线电阻,Ω
△E-阳极有限电位差,V
R-回路总电阻,R
据公式算得:
单支有填料阳极接地电阻为:
一个阳极组的总接地电阻为:
阳极数量
所需阳极数量按下式计算:
式中It保-总保护电流
Ia-单块牺牲阳极的发生电流
据公式算得:
=
=342.73
343
牺牲阳极的有效工作寿命
根据法拉第电解定律计算牺牲阳极的有效工作寿命计算公式
有:
式中,u为阳极利用系数,本处采用的是圆柱形,为0.85;
m为阳极净质量,单位为kg;
e为阳极消耗率,查资料可知为7.8kg/(A·a);
Ia为阳极的平均输出电流,单位为A。
因为36.81a》15a,所以设计符合要求。
5安装与施工
填包料
按照表3,阳极的接地电阻与土壤电阻率之间有关联关系,
表3填包料的组成(质量分数)
土壤电阻率/Ω·m
填包料
用于镁阳极
用于锌阳极
石膏粉
膨润土
硅藻土
Na2SO4
石膏粉
膨润土
Na2SO4
小于20
20~100
大于100
65
25
7075
50
65
25
15
75
10
20
40
10
50
15
-
15
-
-
10
-
5
-
5
5
10
15
25
25
50
75
-
-
-
-
75
45
20
-
-
-
-
-
5
5
-
-
-
-
它是年年变化的。
为避免这样的变化并减小接地电阻,土壤中的阳极周围要有填包料,这样的填包料除了限制表面膜的形成和防止电渗脱水外,还可确保电流均匀地输出,使材料均匀的消耗。
后者主要是因为填包料中含有石膏成分,而膨润土和硅藻土能保持水分。
加入硫酸钠可以降低填包料的电阻率。
通过改变各种成分的含量,特别是硫酸钠的含量,就能控制渗出,由此降低阳极附近土壤的电阻率。
如果填包料中膨润土的比例很大,那么填包料的体积会随着周围土壤含水量的变化而改变,会在填包料中形成空穴,显著减少电流输出量。
标准填包料应是75%石膏粉、20%膨润土、5%硫酸钠的混合物。
这种填包料的初始电阻率为0.5~0.6Ω·m,随着渗透不断增加,电阻率升高到1.5Ω·m。
牺牲阳极决不可像外加电流辅助阳极那样用焦炭渣回填。
由于阳极与焦炭之间的电位差,能够形成强腐蚀电池,导致阳极迅速破坏。
此外,激励电压会立刻瓦解,最终因为阳极与焦炭之间形成电池所引起的腐蚀而使被保护物体严重损坏[3]。
支撑件
通常,所有铸造的牺牲阳极都有特殊形状的钢质附件作为阳极支撑件,用螺栓、铜焊或焊接来安装阳极。
这样可以保证电流从阳极流到受保护物体时,电阻非常小。
阳极支撑件通常用低碳钢制成。
如果阳极的结构正确且制备良好,那么几乎所有可以利用的阳极材料都会被消耗掉。
在另一些情况下,在使用过程中多少会有相当一部分的阳极材料脱落,失去阴极保护作用。
为此,阳极合金与芯材之间必须强力黏合,黏合面积至少超过接触面积的30%。
优质阳极的黏合面积百分比更大,因为阳极与支撑件之间形成中间层已成合金化。
为了促进两者的黏合,支撑件必须经过除油、酸洗、清洗、干燥后,才能将阳极金属浇铸在支撑件上。
支撑件也可以喷丸除锈达到Sa2
标准除锈等级,然后立即将金属浇铸在干净的支撑件上。
假如经除锈清理好的支撑件不能马上浇铸上阳极金属,应当采取临时防锈措施,例如,可以渗铝、镀镉、镀锌和磷化处理等。
后两种工艺应用的最多。
在大多数情况下,采用焊接或铜焊将牺牲阳极固定到受保护物上,很少使用螺栓固定支撑件。
假如出于技术原因或安全原因考虑(如内部保护)必须使用螺栓固定时,必须格外小心,确保其有足够低的电阻和可靠的接头。
在土壤中,用电缆吧阳极和受保护物体连接起来。
电缆必须有很低的电阻,这样不会减少电流输出。
因此,电缆线很长时,必须成比例增大电缆截面。
在大多数情况下,使用NYM护套的2.5mm2铜芯电缆。
埋在土壤中的电力电缆应有醒目的浅颜色。
如在海水中,要求选用耐温、耐油、耐海水的电缆,如HO7RN。
图1牺牲阳极阴极保护系统示意图
参考文献:
[1](美)皮博迪AW(编),吴建华,许立坤(译).管线腐蚀控制[M].北京:
化学工业出版社,2004.
[2]吴荫顺,曹备.阴极保护和阳极保护———原理、技术及工程应用.北京:
中国石化出版社,2007.
[3]柯伟,中国腐蚀调查报告.北京:
化学工业出版社,2011.
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