PE防腐層脫粘對陰極保護電位分布的影響研究

周 冰，韓文禮，張盈盈，郭繼銀，張貽剛

(1. 中國石油集團工程技術(shù)研究院 天津300451；2. CNPC石油管工程重點實驗室涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室 天津300451)

PE防腐層脫粘對陰極保護電位分布的影響研究

周 冰1,2，韓文禮1,2，張盈盈1,2，郭繼銀1,2，張貽剛1,2

(1. 中國石油集團工程技術(shù)研究院 天津300451；2. CNPC石油管工程重點實驗室涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室 天津300451)

當絕緣性能良好的管道 PE外防腐層脫粘剝離后，縫隙內(nèi)可能會存在陰極保護屏蔽現(xiàn)象。建立了防腐層脫粘模擬裝置，并測試了其在不同電導率、不同溫度溶液中施加不同陰保電流時脫粘部位離縫口不同距離的保護電位，總結(jié)了脫粘部位陰極保護電位的分布規(guī)律，并進行了機理分析。

防腐層脫粘 陰極保護 電位分布 有效保護

0 引 言

外防腐層和陰極保護是控制長輸埋地管道外腐蝕最常用、最適宜的共同防護措施。在運行過程中逐漸發(fā)現(xiàn)，當施加陰極保護電流對管道進行保護時，管道外防腐層，特別是絕緣性能良好的PE防腐層脫粘剝離后，管道可能會出現(xiàn)陰極保護屏蔽現(xiàn)象，導致陰極保護效果降低。[1-3]

本文通過建立防腐層脫粘模擬裝置，在不同濃度NaCl溶液和不同溫度自來水中，依據(jù)不同極化條件開展脫粘部位離縫口不同距離的保護電位分布測試。

1 試驗方法

建立防腐層脫粘模擬裝置，材質(zhì)為 Q235鋼，示意圖如圖1所示。

試驗體系選用三電極體系。輔助陽極選用鉑電極，參比電極選用飽和甘汞電極(SCE，下同)。通過調(diào)整測試板傾斜度來控制介質(zhì)通過縫口進入縫內(nèi)的距離。對測試板施加極化，在不同極化條件下測試脫粘部位縫內(nèi)的保護電位分布情況。

2 結(jié)果分析

2.1 介質(zhì)為3%,NaCl溶液

首先選用3%,NaCl溶液作為試驗介質(zhì)，試驗溫度為室溫。保持溶液進入縫內(nèi)的最大距離，控制恒電位儀輸出電壓分別為 2.5,V、3.0,V、3.5,V、4.0,V，測試極化不同時間后，縫口及縫內(nèi)其他各點的保護電位值。將不同極化時間下，測得的離縫口不同距離測試點的保護電位繪制電位曲線(見圖2)。

圖1 防腐層脫粘模擬裝置示意圖Fig.1 An anticorrosive coating debonding sim ulator

根據(jù)測試結(jié)果，分析如下：①隨著輸出電壓的增大，裝置縫口和縫內(nèi)不同距離的保護電位都有不同程度的負移，縫口保護電位的負移程度大于縫內(nèi)電位；當電壓提高到3.5,V及以上時，縫口內(nèi)都可以得到有效保護。②縫口和縫內(nèi)不同距離的電位均在極化約 8,h后達到相對穩(wěn)定，在之后的極化時間內(nèi)，各處的電位不再發(fā)生明顯變化。③在相同的輸出電壓條件下，離縫口距離越遠的位置，其電位相對越正；在縫內(nèi)溶液處于連續(xù)狀態(tài)的不同位置處，電位差較小，在縫內(nèi)溶液處于不連續(xù)狀態(tài)的不同位置處，電位差較大，說明電流要通過非連續(xù)水膜的阻力遠大于連續(xù)溶液。④隨著輸出電壓的增大，縫內(nèi)離縫口不同距離處的電位差逐漸縮小，說明輸出電壓越大，陰保電流在縫內(nèi)通過溶液的能力越強，溶液對電流通過的阻力越小。⑤當縫口電位正于析氫電位時(碳鋼臨界析氫電位約為－1.25～－1.30,V，vs．SCE)，縫內(nèi)各測試點電位隨著縫口電位負移也有較大程度的負移；當縫口電位負于析氫電位時，增加縫口的陰極極化程度并不能增加縫內(nèi)的有效保護距離。這是由于當縫口電位達到析氫電位時，碳鋼表面會發(fā)生析氫反應：2H2O＋2e-＝2OH-＋H2。在這個電位下，測試板預期的腐蝕速率下降，其電位被析氫反應的動力學因素控制，因此繼續(xù)提高輸出電壓僅是提高陰保電流密度并在縫口處產(chǎn)生大量的氫氣，并不能增加有效的保護距離。⑥當輸出電壓在2.5～4.0,V時，縫口兩側(cè)電位差均在 200,mV以上，這可能是由于縫口比較窄，離子交換速度減慢，增加了局部溶液電阻造成的。

圖2 不同輸出電壓時離縫口不同距離保護電位與極化時間關系曲線Fig.2 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages

2.2 介質(zhì)為0.1%,NaCl溶液

將介質(zhì)改為0.1%,NaCl溶液后重復上述實驗，所得測試曲線如圖3所示。

圖3 不同輸出電壓時離縫口不同距離保護電位與極化時間關系曲線Fig.3 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization time under different output voltages

對比試驗介質(zhì)分別為0.1%,NaCl溶液和3%,NaCl溶液的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 0.1%,NaCl溶液和3%,NaCl溶液中保護效果對比Tab.1 Comparison of protective effects in 0.1% and 3% NaCl solutions

從表 1可以看出，在兩種不同濃度的 NaCl溶液中，隨著輸出電壓的增大，縫內(nèi)保護距離均有不同程度的增加，最終整個縫內(nèi)測試點均可以達到有效保護；隨著極化時間的延長，每個測試點的保護電位逐漸負移并最終達到穩(wěn)定；溶液電導率越大，陰保電流在縫內(nèi)通過溶液的能力越強，測試板極化時間越短，說明在高電導率溶液中剝離涂層下的陰極電流滲透力比在低電導率溶液中高。

3 介質(zhì)為自來水

試驗介質(zhì)選用自來水，分別在 20,℃和 40,℃下研究在不同輸出電壓下縫內(nèi)各測試點的電位分布規(guī)律，所得測試曲線如圖4、5所示。

圖4 20,℃條件下不同輸出電壓時離縫口不同距離保護電位與極化時間關系曲線Fig.4 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages in 20,℃

圖5 40,℃條件下不同輸出電壓時離縫口不同距離保護電位與極化時間關系曲線Fig.5 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages in 40,℃

根據(jù)測試結(jié)果，分析如下：①在 20,℃自來水中，隨著輸出電壓的增大，縫口電位逐漸負移；在相同輸出電壓下，隨極化時間增加，縫口電位也逐漸負移；當縫口電位處于過保護狀態(tài)時，縫內(nèi)所有測試點電位不能全部處于有效保護范圍。②隨著極化時間的增加，測試板各測試點電位先負移后正移。這是因為在施加外加電壓初期，測試板沉積的銹跡較少，電流可以順利達到各測試點，使其極化而電位負移；隨著時間增加，測試板鐵銹逐步堆積，電流難以通過縫口進入縫內(nèi)各測試點，導致電位逐漸正移。

常溫自來水和40,℃自來水中的保護效果，如表2所示。

表2 20,℃自來水和40,℃自來水中保護效果對比Tab.2 Com parison of protective effects in 20,℃ and 40,℃ water

從表2可以看出，在不同輸出電壓下，20,℃自來水中的縫口電位均負于 40,℃自來水中的縫口電位；當輸出電壓在3.0,V、3.5,V和 4.0,V時，20,℃自來水中縫內(nèi)最大有效保護距離大于在 40,℃自來水中縫內(nèi)最大有效保護距離，繼續(xù)提高輸出電壓，40,℃自來水中縫內(nèi)最大有效保護距離急劇增加。

從圖4和圖5也可以看出，提高介質(zhì)溫度后，各測試間的電位梯度比在常溫中更小，說明提高溫度有利于溶液中的離子運動。

綜上所述，溫度變化對縫隙腐蝕的影響是比較復雜的。一方面，溫度升高使傳輸過程及反應動力學加速；另一方面，敞開體系中溶解氧的濃度隨溫度升高而下降，這樣降低了縫隙內(nèi)外的溶解氧濃差，在一定程度上減緩了腐蝕速率。因此，溫度變化對縫隙腐蝕的影響應視陽極和陰極反應的綜合結(jié)果而定。

4 結(jié) 語

介質(zhì)是自來水時，隨著輸出電壓的增大，測試板縫內(nèi)保護距離有所增加，當縫口電位達到析氫電位時，縫內(nèi)所有測試點仍不能實現(xiàn)有效保護；隨著極化時間的延長，因鐵銹增多還造成測試點電位向正向移動，提高介質(zhì)溫度后各測試點之間的電位梯度變小，但是保護效果沒有明顯提高。

介質(zhì)為不同濃度的 NaCl溶液時，隨著輸出電壓的增大，縫口和縫內(nèi)不同距離的保護電位都有不同程度的負移，縫內(nèi)離縫口不同距離處的電位差逐漸縮小，當電壓增大到一定程度，溶液進入縫內(nèi)的所有測試點均可以實現(xiàn)有效保護；介質(zhì)濃度(電導率)越大，陰保電流在縫內(nèi)通過溶液的能力越強，測試板極化時間越短，說明在高電導率溶液中剝離涂層下的陰極電流滲透力比在低電導率溶液中高。

在較高電導率介質(zhì)中可以實現(xiàn)縫內(nèi)各測試點的完全保護，在較低的電導率介質(zhì)中很難實現(xiàn)縫內(nèi)各測試點的完全保護。該結(jié)論可以為不同電阻率土壤環(huán)境中剝離涂層下縫隙內(nèi)管道表面是否能完全實現(xiàn)有效保護提供參考。

當外加電壓較小時，縫內(nèi)各測試點不能得到充分極化；當外加電壓較大時，縫口處析出的氫氣會阻礙陰保電流進一步滲入到縫隙內(nèi)。因此，對于脫粘管道需要施加一個最優(yōu)化的外加電壓，當測試板被外加的陰保電流極化到一個穩(wěn)定的電化學狀態(tài)時可以抑制縫隙腐蝕。

介質(zhì)溫度越高，縫內(nèi)各測試點之間的電位梯度越小，溫度變化對縫隙腐蝕的影響相對復雜，應視陽極和陰極反應的綜合結(jié)果而定?！?/p>

［1］ Norsworthy R. Rating underground pipeline tape and shrink sleeve coating systems [J]. Materials Performance，1999(11)：40-46.

［2］ Norsworthy R. Coatings used in conjunction w ith cathodic protection-“Fail/Safe” Pipeline Coating Systems [J]. Materials Performance，2004(6)：34-38.

［3］ Ruschau G R，Chen Y. Determining the CP shielding behavior of pipeline coatings in the Laboratory [C]. NACE International，2006.

Influence of PE Anticorrosive Coating Debonding Effects on the Distribution of Cathodic Protection Potentials

ZHOU Bing1,2，HAN Wenli1,2，ZHANG Yingying1,2，GUO Jiyin1,2，ZHANG Yigang1,2
(1．CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2．CNPC Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，Tianjin 300451，China)

When PE anticorrosive coating of pipeline is peeled off after debonding，cracks between pipe and the coating may exist in the cathodic protection shielding．Anticorrosive coating debonding simulator was established，and the protection potentials of the debonding parts from different seam distances were tested in different solution conductivities and temperatures and different cathodic protection currents．Through the study，the distribution of cathodic protection potential in different debonding parts was summarized，and the mechanism was analyzed.

anticorrosive coating debonding；cathodic protection；distribution of protection potentia；effective protection

TE988

：A

：1006-8945(2015)10-0032-04

2015-09-08