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管道阴极保护系统失效原因有哪些

管道阴极保护系统失效原因有哪些分析

1.设计方面的原因

(1)阴极保护设计中的数学模型精度不高,还不能完全模拟实际体系。

①现在通常采用的阴极保护计算公式的推导都是认为钢管电阻和防腐层电阻是常数,即管道是连续均匀电阻的导体,防腐层电阻在整个保护长度内是均匀的,沿线土壤电阻率是均匀的。而实际上并非如此,这就不免要产生误差。

②缺乏对阴极保护中某些过程的深入了解,例如阴极极化和垢层随时间的变化规律、涂层剥离后钢的腐蚀行为等,还需要收集足够的科学试验数据来开展研究。

③需改进计算技术,例如时变性信息处理、非均态介质处理等。改进计算技巧,如在不降低体系复杂性前提下,减少不重要区的节点密度,提高关键区域计箅精度等。

④阴极保护设计中的有些参数如阴极保护电位准则不是靠模型解决的。

(2)阴极保护防止覆盖层下金属的缝隙腐蚀机理和缝隙腐蚀及其阴极保护的数学模型等研究尚不充分。

由于技术应用不当或阴极剥离等原因,在裂口附近的覆盖层下很容易形成缝隙。腐蚀介质通过裂口进入这些缝隙,进而导致缝隙内的金属发生腐蚀。这样,阴极保护能否完全防止缝隙内金属的腐蚀就成为一个必须考虑的问题。只有弄清阴极保护下缝隙内金属腐蚀的原因,找到有效地防止方法,才能设计更有效的阴极保护系统。

①缝隙内的电位和电流分布。

阴极保护下缝隙内电位和电流分布主要取决于缝隙内介质的欧姆电阻和缝口电位。研究表明,阴极保护不仅可防止缝隙腐蚀的发生,而且可使已发生的缝隙腐蚀停止。在低电阻介质中采用较负的缝口电位可使缝隙深处的金属得到完全保护。但是,在高电阻环境中,则难以将缝隙内电位极化到-0.78V。在较高的外加电位下,缝口发生析氢可能妨碍保护电流进入缝隙;在较低的外加电位下,又难以实现对缝隙内金属表面进行完全的阴极保护。为了克服这一矛盾,提出了脉冲阴极保护的新建议。脉冲阴极保护的基本思想是:较高脉冲电压可克服高欧姆电压降,使保护电流到达缝底;而在脉冲休止期,阴极反应中断,有可能防止氢气泡的形成。国外研究表明,有可能通过脉冲阴极保护来防止高阻介质中金属的缝隙腐蚀。脉冲阴极保护作为一种新技术已在欧美一些国家得到了小规模的应用。

无论在低阻介质中,还是在高阻介质中,缝隙内的电流分布与前面所述的电位分布是一致的,即越靠近缝口,电位梯度和极化程度越大,电流也越大;离缝口越远,电位梯度和极化程度越小,电流也越小。

②缝隙内化学环境的变化。

在阴极保护的情况下,缝隙内主要发生氧还原反应。但在缝隙深处,由于氧扩散受到限制,则可能主要发生析氢反应。这样,阴极保护下缝隙内反应的结果首先是缝隙内溶液pH值显著提高,从而抑制缝隙内金属的腐蚀。

在电导率较低的介质中,阴极保护可使缝隙内溶液的电导率上升6~7倍。另外,在阴极保护下还可能产生Ca(OH)2 、Mg(OH)2 、CaCO3 等沉淀。缝口附近沉淀的产生可能促使缝隙内电流重新分布,即向缝隙深处传输,从而使缝隙深处的金属得到更有效的保护。

③阴极保护防止缝隙腐蚀的机理。

阴极保护防止缝隙腐蚀的机理与缝隙内介质的电阻率和缝隙尺寸相关。缝隙内介质电阻率越高,缝隙厚深比越小,缝隙内介质的欧姆电阻越大,保护电流越难以深入缝隙。在缝隙内介质欧姆电阻较低的情况下,保护电流可能深入缝底,将缝隙内的金属极化到免蚀区而得到保护;在缝隙内介质欧姆电阻较高的情况下,保护电流难以深入缝隙,但阴极保护却可通过氧耗尽机理以及PH值上升和钝化机理来抑制缝隙内金属的腐蚀。

(3)阴极保护现行的技术规范和判据的局限性。

阴极保护的技术规范和判据主要是为抑阻金属均匀腐蚀而制定的。但是,近百年的阴极保护技术应用史证明,埋地管线上发生的主要腐蚀破坏类型是点蚀穿孔和应力腐蚀断裂。在覆盖层管道上施加阴极保护基本上可以控制因覆盖层破损所暴露金属的腐蚀过程,可以抑制点蚀孔的发展。但是对于覆盖层开裂起翘和溶胀剥离而形成的覆盖层下的缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂过程,阴极保护的技术规范和判据必须进行调整。

通过阴极保护电位规范来对一定环境条件下埋地钢质管道的保护效果进行评价,主要包括-850mV电位和-l00mV电位负偏移。目前最常使用的电位规范是-850mV(CSE),这一标准更适用于涂层质量很好的埋地管线,对于大量的涂层质量较差或裸露的埋地管线而言,在评价其阴极保护有效性时采用-850mV的电位规范,可能会导致管道发生严重的局部过保护,并且浪费资源。在这种情况下,采用-l00mV极化值电位规范既合理又经济。

早在1951年,Ewing就提出–l00mV极化偏移的这一观点,但没有对–l00mV极化偏移值电位规范进行深入的试验研究;在1965年,Compton提出–l00mV极化偏移可以对保护结构提供有效的保护,但缺乏土壤环境条件、腐蚀失重以及腐蚀速率等试验研究数据。直到1984年,在评价NACE RP0169关于埋地钢质管道阴极保护电位规范时,在不同土壤环境下,ThiomasJ.Barlo比较深入的研究了–100mV极化值的电位规范。并指出从理论上讲,目前所采用的阴极保护电位规范准则都是有效的,但具体的电位值随环境的不同而变化,但是–100mV极化值在大部分情况下(除高温条件下和微生物腐蚀等情况以外)是最有效和最实用的电位规范。

①通电电位-850mV准则的局限性。

该准则在应用中存在的局限性主要是由于测量电位时需要消除IR降。当不能准确地埋设参比电极时,例如在穿越河流或道路时,需要采用其他准则。该准则主要用于涂层质量良好的管道,在这种情况下,采用该准则是比较经济的。对于涂层质量差或裸露的管道,需要大的阴极保护电流才能满足准则要求,其应用受到限制,因此需要采用其他常用的准则。

在加了阴极保护的管道中,应注意避免管道产生过保护,过保护会造成涂层的破损,并引起敏感钢的析氢破坏。

准则应用的局限性还表现在当存在大地电流效应、剥离涂层屏蔽、石块屏蔽、热绝缘屏蔽等情况时,不能准确测出电位。此外,当不能切断杂散电流或同沟并行敷设管线的涂层状况不同时,同样不能准确测量电位。

②极化电位-850mV准则的局限性。

该准则应用中最重要的一个局限性就是需要切断所有直流电源。进行标准的测量时,必须同时切断所有电源。对于输气管线而言,切断所有的电源需要在所有整流器(或恒电位仪)、牺牲阳极及被评价管段接头上安装大量的同步断路器。有时,不经试验无法知道影响测试段的整流器(或恒电位仪)数量。对于天然气输送系统,阴极保护如果采用牺牲阳极,由于阳极的电接头一般直接焊接到管线上,因此不可能切断保护电流。在这种情况下,不能采用该准则。达到准则规定的要求也许需要更多的阴极保护电流,从而造成管道的局部产生过保护,并产生相关的问题,如涂层的阴极剥离、敏感钢种的氢脆等。如上所述,对于微生物存在的条件下,保护电位要符合比-850mV更负的准则,进一步增加了产生过保护的可能性。

如通电电位-850mV准则所述,在应用阴极极化电位-850mV准则时,准确地测量管地电位也存在许多类似的问题,包括如何接近管道、测量间隔期间电位的季节性波动、测试点之间的电位变化、并行敷设管线的涂层状况不同、大地电流效应,剥离涂层、石块和绝缘层对构筑物表面产生屏蔽等。

③l00mV极化值准则。

在应用中,该准则存在几方面的局限性。对于涂层质量较差或裸露的管道,完全去极化需要几天,甚至几个星期,因此该方法很费时,并且管道在一段时间内处于非保护状态下,幸而大部分去极化在几个小时内完成,通常不需要等到完全去极化状态,除非总的极化值接近l00mV。一旦满足准则要求,就不必继续进一步的去极化。在另外一种极端情况下,如果几个小时后,测量的去极化值小于50mV,则不能确定是否已满足l00mV极化值准则的要求。此时,应慎重考虑是否需要更长的时间进一步去极化。

对于涂层破损的管道采用l00mV极化值准则可以降低用于更新阴极保护系统所需要的费用和相关的电耗费用。但由于电位测量的复杂性,与-850mV准则相比,用于评估l00mV极化值准则的测试费用要高得多。

l00mV极化值准则不能用于存在杂散电流的地方,因为在这种情况下,l00mV极化也许不足以减轻腐蚀的发生。一般不可能切断杂散电流电源,因此不能准确地测量电位去极化。应用该准则时,必须切断影响管道的直流电电源,包括整流器(或恒电位仪)、牺牲阳极及接头,但在许多情况下是做不到的,特别是对那些最可能使用该准则的旧管道。

l00mV极化值准则不能用于包含异种金属电连接的管道,因为l00mV极化也许不能充分地保护其中的活性金属。该准则同样也不适用于存在应力腐蚀断裂的情况下(高碱性或经典的SCC)。应力腐蚀电位处于自然电位与-850mV电位之间,因此采用l00mV极化值准则有可能使管道的电位位于发生腐蚀断裂的范围内。

(4)阴极保护参数和装置的选取不当。

阴极保护参数的选取是设计成败的关键,适宜装置的选用是阴极保护系统成功的保障。阴极保护设计余量小,在覆盖层被破坏的情况下,阴极保护实施不上。国内目前阴极保护系统设备种类少,适应差。设计者在选择时又没有因地制宜,造成设备不能在该类地区长时间服役,阴极保护加不上。

(5)阴极保护中阳极地床的设计存在问题。

①《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》SY/T 0036-2000对阳极的接地电阻没有明确的规定,只是提出应当与所用的仪器设备相匹配。阳极电能的消耗主要是用在克服接地电阻上,接地电阻越小,则消耗越小。究竟取多大为宜,这是一个值得探讨的问题,前苏联规定该值为0.5Ω。

②阳极材料和规格的选取主要取决于建设者的主观意愿、设计人员习惯或偏好以及流行资料的引导,而很少针对具体的腐蚀环境进行考虑。由于在很大程度上受人为因素的控制,致使有些设计中存在较大的失误。

③阳极位置未进行优化设计。阴极保护中阳极位置虽有理论研究,但实际主要靠经验或现场试验确定阳极的最近距离或最远距离。

(6)在进行阴极保护设计前,未对管道沿线环境进行科学的评价。

对管道沿线环境进行的科学评价是阴极保护设计成功与否的前提,它包括土壤腐蚀性评价、杂散电流腐蚀性评价以及引起覆盖层破坏的土壤条件的识别。我国目前埋地管道的阴极保护设计大部分都没有做全面的环境评价,对环境的影响只进行了粗约的考虑。因此,设计的阴极保护系统效果不佳。


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