金屬管的陰極保護效果研究

薛 瑤

（中國有色金屬工業(yè)技術(shù)開發(fā)交流中心，北京，100814）

本文研究的金屬管主要材質(zhì)是不銹鋼SUS304，卡套和接管材質(zhì)可為不銹鋼或鍍鋁鋼。鐵素體不銹鋼成為工業(yè)用金屬管的首選材料的原因為：鐵素體額不銹鋼不含或少量含有貴金屬Ni,原料成本低廉；鐵素體不銹鋼熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，在反復(fù)加熱或冷卻條件下耐高溫氧化性能好，而且具有良好的抗點腐蝕性；與奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼具有良好的耐氯化物，應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕性能。

1 金屬管防腐蝕研究

根據(jù)大量文獻顯示，目前的防腐蝕研究都是以提高金屬管材料性能為主，比如有的通過摻雜其他元素來提高鐵素體不銹鋼性能，降低腐蝕的影響。不同的鐵素體不銹鋼對冷凝液的耐腐蝕性能是不同的, 一般說來, 隨著鋼中Cr含量的增加,鐵素體不銹鋼耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能提高[1]。有關(guān)研究對新開發(fā)的439M型鐵素體不銹鋼和409L型鐵素體不銹鋼進一步開展5、1 0、20 周期的冷凝液腐蝕試驗, 并使用極值分析方法對三種周期冷凝液腐蝕試驗后樣品的最大點蝕深度進行統(tǒng)計分析,結(jié)果表明, 新開發(fā)的439M型鐵素體不銹鋼的預(yù)測壽命是409L的1.6 倍。

850℃-1150℃的敏化溫度范圍內(nèi),430鐵素體不銹鋼隨著敏化溫度的升高，晶粒度持續(xù)增加，將待測金屬管置于冷卻液中，金屬管電阻率與電流電位持續(xù)降低，耐腐蝕性能變?nèi)酰?30鐵素體不銹鋼Cl-分別與SO32-與SO42-同時存在的狀態(tài)下，比在CO32-與Cl-共存條件下，受腐蝕程度更加嚴(yán)重，加劇金屬管的腐蝕速度，Cl-存在的溶液中SO32-具有催化腐蝕的作用，液體濃度增加與電流上升呈正比例關(guān)系，金屬管的腐蝕程度有加劇的趨勢。

2 金屬管陰極保護方法

2.1 犧牲陽極法

采用外加陰極的極化完成金屬管的陰極保護，金屬結(jié)構(gòu)件上連接一個負電位的金屬作為陽極，依托其不斷溶解將產(chǎn)出的陰極電流對金屬管實行極化作用，犧牲陽極法從理論上來講是一種傳統(tǒng)的保護法，它的優(yōu)點為能將電流快速分散，節(jié)省人力同時省去了外加電源，未對周圍的設(shè)備造成干擾，此方法操作簡單，在金屬管的陰極保護中使用頻率較高。

2.2 外加電流法

外加電流法又可稱強制電流法。受保護的金屬管施加陰極電流，持續(xù)施加直流電源使金屬構(gòu)件陰極極化發(fā)生改變[2]。外加電流實施主要由連接電纜、輔助電極、直流電源以及參比電極構(gòu)成，這種方法可以將輸出電流進行有效調(diào)節(jié)，對金屬構(gòu)件的保護范圍不斷擴大，避免電阻率的影響，延長金屬構(gòu)件的使用壽命，實現(xiàn)經(jīng)濟效益。

2.3 兩種方法的比較

犧牲陽極法語外加電流法在各自領(lǐng)域都具有其突出優(yōu)勢，在一些特定條件下，犧牲陽極法優(yōu)勢較大，而在通常狀態(tài)下，使用外加電流法更加便捷。金屬構(gòu)件的表面覆蓋情況、實施保護的條件、是否存在電源、施工范圍、經(jīng)濟因素等等都是選擇陰極保護所要考慮的條件。

3 犧牲陽極材料的選擇

鋁、鎂、鋅基合金這三大類金屬是犧牲陽極所使用的材料，材料選擇的首要考慮因素就是是否能帶來經(jīng)濟效益，以上這三大類材料中鎂陽極材料需要費用最高，原因是鎂材料可以將高強度電流輸出出來，迅速消耗陽極[3]。在同一電阻環(huán)境下，采用鎂材料犧牲陽極保護比鋅基合金材料電極消耗快近3倍，采用鎂作為犧牲陽極材料所耗用的經(jīng)費是鋅材料的5倍，導(dǎo)致直流電源消耗較快，金屬構(gòu)件得到超出負荷的保護，受激勵電勢和電流輸出的制約，鎂材料作為犧牲陽極材料在通常情況下是不予采用。

鋅陽極材料使用可節(jié)省費用，它適用于10 Q·m以下電阻率環(huán)境，但在電阻率值較高的情況下，可使用鎂陽極材料，此種類型材料能夠有效保護金屬管，但鎂陽極在含鹽量3%,--4%、材料電阻率小于l Q·m下使用，高的輸出電流將伴隨著嚴(yán)重的自腐蝕。鋁陽極則不宜在材料中使用，因為鋁陽極腐蝕后生成AI(OH)3會形成堅硬的外殼；而當(dāng)材料電阻率小于5 Q·m，或氯離子濃度很高情況下，其使用效果較好。

鋅合金陽極材料在溫度持續(xù)升高環(huán)境下極化率易出現(xiàn)不同程度腐蝕情況，對晶間腐蝕影響有所加重，同時晶間腐蝕與溫度升高呈正比例，溫度達到49℃鋁陽極材料未出現(xiàn)被腐蝕情況。

使用鋅合金陽極容易出現(xiàn)電位極性逆轉(zhuǎn)，此種類型材料禁止應(yīng)用在金屬管內(nèi)部，溫度升高到60℃以上時，鋅合金陽極表面持續(xù)產(chǎn)生電位，電位極性變正，而電位維持不變的是陽極鐵，導(dǎo)致電位出現(xiàn)反轉(zhuǎn)性的變化，轉(zhuǎn)換為陰極的鋅材料金屬管得到有效保護，鐵材料轉(zhuǎn)換成為陽極，金屬管腐蝕情況嚴(yán)重。鋅陽極材料在溫度較高的環(huán)境中，鋅陽極出現(xiàn)鈍化情況，極性逆轉(zhuǎn)，需要我們予以關(guān)注，而其他材料如鋁陽極、鎂陽極可適應(yīng)溫度較高的環(huán)境，但其電流效率會有所降低。

4 金屬管腐蝕區(qū)域

檢驗金屬管的腐蝕情況得出結(jié)論，三個區(qū)域發(fā)生腐蝕情況較嚴(yán)重：金屬管頂部、管壁內(nèi)側(cè)、管體底部。以上三個區(qū)域中管體底部的耐腐蝕性較弱，出現(xiàn)了大面積坑點狀的腐蝕情況，集中在管底凹陷處、金屬管焊接熱影響區(qū)域；金屬管的頂部被腐蝕情況相對較弱，管壁內(nèi)側(cè)被腐蝕最若，只有少量斑點腐蝕。

金屬管體的內(nèi)側(cè)與底部通常采用陰極保護技術(shù)，在歐美等發(fā)達國家應(yīng)用比價廣泛，我國使用此項技術(shù)處于初級階段。金屬管的陰極保護可以有效彌補金屬管內(nèi)側(cè)防腐蝕涂層失效性，存在缺陷處得到陰極電流的極化保護，腐蝕速度有所下降。

4.1 陽極的布置

外加電流系統(tǒng)中陽極布置要以金屬管各部位電流分布平均為基礎(chǔ)，有三種埋設(shè)方式即：臥式埋設(shè)、斜井式埋設(shè)和立式埋設(shè)。使用深井陽極床目的是為了有效保護金屬管，降低管底被腐蝕的概率，金屬管的半徑要大于管頂?shù)焦艿拙嚯x，恒電位儀距管體距離大于30m，陽極布置現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1陽極的布置

4.2 參比電極

參比電極可以當(dāng)做外加電流系統(tǒng)的控制電極與保護電位的電極。剛投入使用的金屬管可以將參比電極埋設(shè)于金屬管的邊緣或管底，而對于使用時間較長的金屬管，參比電極應(yīng)埋設(shè)管邊，現(xiàn)階段常用的參比電極包括鋅合金、CIl／CuS04電極。

4.3 保護效果檢查

保護電位測量是一種方便、快捷的檢查方式，通常要求金屬管底中心的保護電位達到負0.85V。另外保護檢查還包括腐蝕簡薄率的測試，該步驟可以與金屬管底檢查同時進行，使用厚度儀測試金屬管底部厚度。

5 金屬管外腐蝕檢測技術(shù)

檢測金屬管的陽極保護系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，可推斷出金屬管內(nèi)防腐層的狀態(tài)，取得金屬管內(nèi)壁被腐蝕程度，在基于檢測原理基礎(chǔ)上，檢測內(nèi)容為地電位測量、金屬管內(nèi)部電流測量以及管體參數(shù)。直流電壓梯度法、Person檢測法、組合電位測試法、短間歇電位檢查法共同構(gòu)成了地電位檢測技術(shù)，以上這些方法可實現(xiàn)在不破壞金屬管壁情況下，金屬管可進行正常工作，對其進行腐蝕檢測，但以上幾種檢測方法均歸類為間接檢測方法，需要進行檢測技術(shù)人員詳細測量，得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

金屬管陰極保護，采用犧牲鋁陽極的方法。使用陽極的規(guī)格為50cmX10cmX 5cm的鋁片。陽極用量為N=(50×81／10)=400塊。金屬管陰極保護，采用外加電流保護法。保護電壓在1．2—1．3V之間，保護電流在5-10A之間。管線的腐蝕檢測，根據(jù)實際情況來看，超聲波檢測效果較好。其數(shù)據(jù)簡單準(zhǔn)確，無需校驗。