管道陰極保護與外涂層相互影響的研究進展

王春蘭，謝燕婷，王興燦，楊金榮

（中檢集團康泰安全科技有限公司，福建福州350008）

管線鋼表面涂層中往往存在微小針孔，使用過程中由于腐蝕介質存在，管線鋼局部位置還可能出現(xiàn)嚴重缺陷或損傷，導致防腐層剝離失效、管道穿孔等現(xiàn)象，易引起管道油氣泄漏、爆炸。陰極保護與有機涂層被廣泛聯(lián)合用于保護埋藏的長輸油品金屬管道，涂層對陰極保護電流的滲透有巨大的影響，如果陰極保護電流全部被屏蔽，則陰極保護無法滲透到管線鋼而給予管線鋼恰當?shù)谋Ｗo電位。陰極保護施加不當可以加速涂層的陰極剝離，在管道破裂區(qū)域產(chǎn)生的額外應力可能導致應力腐蝕斷裂［1］。生產(chǎn)實際中，企業(yè)技術人員希望多了解國內外關于陰極保護和管道涂層相互作用的詳細情況和影響因素，以促進管道防腐設計和施工過程中的技術改革和進步。因此，本文歸納了影響陰極保護電流滲透和陰極保護性能的因素，總結了陰極保護對管道外涂層性能的影響。

1 影響陰極保護電流滲透性的因素

通過涂層的陰極保護電流能夠產(chǎn)生引起鋼鈍化的堿性環(huán)境，并且涂層的滲透性越高，pH增加越快。在現(xiàn)場，盡管有氧氣透過涂層，但當剝離時，可滲透涂層仍可提供足夠的陰極電流以保護鋼管免受腐蝕［2］。通過施加更高的陰極電位，在剝離的涂層下面引起電解質中陰極電流的更深滲透，可以在剝離涂層下實現(xiàn)更高水平的保護［3-4］。若剝離區(qū)局部環(huán)境pH＞9，表明陰極保護電流可穿透剝離區(qū)到達管道表面；而若局部pH值保持近中性，則表明剝離涂層屏蔽陰極保護，陰極保護電流不能深入剝離區(qū)［4］。

1.1 涂層種類的影響

涂料對水的滲透性排序為熔結環(huán)氧涂層（FBE）＞中密度聚乙烯涂層＞高性能復合涂層，腐蝕環(huán)境的水具有導電性，F(xiàn)BE涂層和中密度聚乙烯涂層都可滲透陰極保護電流［5］。高性能復合涂層由于聚乙烯的添加顯著提高了涂層的致密性，從而導致較小的水蒸氣透過率和陰極保護電流的滲透性［3，5］。煤焦油搪瓷涂層則不滲透陰極保護電流的［6］。

1.2 涂層缺陷的影響

涂層剝離間隙越大，陰極保護電流滲透距離越大。當剝離長度或直徑較小時，電流可以穿透整個涂層剝離區(qū)域。距離管道破損點越近、破損點面積越大、相同面積下破損點數(shù)越少的三種情況下，管道陰保電位都發(fā)生正向偏移［7］。小于1 mm的煤焦油搪瓷涂層缺陷，可以屏蔽超過70%的陰極保護電流，而對于超過4 mm的較大缺陷，電流可以穿過缺陷滲透到鋼中發(fā)揮防腐作用。在FBE涂層整個厚度上形成人造針孔，可以顯著增加陰極保護電流的滲透性，使pH值升高到足以使鋼鈍化的堿性環(huán)境。

1.3 環(huán)境電阻率的影響

較大剝離區(qū)厚度和較高溶液電導率有利于剝離區(qū)的陰極保護電流的滲透，在高電阻率酸性土壤環(huán)境中，剝離防腐層下的陰極保護僅限于破損點附近，剝離區(qū)深處管體處于自腐蝕狀態(tài)［4］。隨著土壤水分的增加，土壤電阻率出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，相應的陰極保護電位隨著土壤電阻率的變化先負向偏移再正向偏移［7］。土壤的粘度大會對陰極保護滲透產(chǎn)生抑制作用。陰極保護電流滲透隨pH值的增加和距離漏涂點的增加而減小，隧道形涂層在剝離區(qū)內發(fā)生氫積聚，聚積的氫氣能有效阻止陰極保護電流穿透剝離層，易引發(fā)應力腐蝕開裂［8］。

1.4 雜散電流的影響

在較小的交流電流密度下，交流電會導致陰極保護電流滲透到縫隙中，隨著交流電流密度增加，陰極保護逐漸被剝離涂層處沉積的腐蝕產(chǎn)物屏蔽阻塞，從而不能滲透到達剝離縫隙［9］。

2 影響陰極保護性能的因素

當施加的陰極保護電位更負時，溶液的pH值會更高，剝離涂層下的pH值達到9.5以上時，剝離涂層區(qū)域內的腐蝕速率將變得不明顯［10］。

2.1 剝離縫隙的影響

管道涂層帶破損點的剝離區(qū)內陰極保護電流主要集中在破損點區(qū)域，難以到達剝離涂層下縫隙區(qū)域的底部，縫隙深處管體處于自腐蝕狀態(tài)。剝離的開口附近保護電位為-950～-810 mV（vs SCE，下同），有輕微腐蝕，中部區(qū)域保護電位為-810～-750 mV，發(fā)生點蝕，在開口的遠端區(qū)域，保護電位為-750～-730 mV，發(fā)生均勻腐蝕［11］。隨著涂層剝離間隙尺寸的減小，pH下降，陰極保護作用升高。但在間隙尺寸小于1.6 mm的狹窄剝離下，盡管陰極保護更好，腐蝕速率卻顯著上升［11］。隨時間增加，縫隙內保護電位減小，陰極保護不能到達縫隙底部的情況隨著縫隙長度的增加和開口尺寸的減小而提高［12］。

2.2 涂層剝離與破損

涂層具有剝離缺陷的碳鋼陰極保護效果隨浸泡時間延長逐漸降低直至最后消失，而涂層具有破損缺陷時陰極保護效果隨浸泡時間延長優(yōu)于剝離涂層缺陷。在-0.85 V（vs．SCE）極化電位下，破損率為1%的試樣陰極極化對破損處涂層的破壞作用大于對鋼基體的保護作用，未達到預期保護效果。對于破損率為5%的試樣，由于涂層的破損面積較大，其靜電屏蔽作用和IR電壓降減弱，使電力線能夠到達被保護的金屬，從而減緩金屬的腐蝕［13］。

3 陰極保護對管道外涂層性能的影響

通過涂層的陰極保護電流促進了高堿度局部環(huán)境的形成，因此陰極保護防止管道鋼腐蝕包括三個階段：氧氣耗盡、增加pH值致使管線鋼鈍化和電化學保護。

3.1 對涂層電阻的影響

陰極保護電流加劇了涂層的劣化，相比于沒有陰極保護的情況，陰極保護運營第一年可使管道涂層的接觸電阻降低約100倍［14］。陰極保護會導致完好環(huán)氧清漆涂層的阻抗下降，具有陰極保護的帶有機涂層的碳鋼電極比沒有陰極極化的交流阻抗譜劣化進行得更快［15］。

3.2 對涂層剝離的影響

陰極保護過程中陰極反應產(chǎn)生的界面堿性環(huán)境會導致涂層的剝離，但陰極保護在涂層缺陷處形成的鈣質膜層可以減弱管線鋼的腐蝕［16］。在腐蝕性溶液中，有缺陷涂層在開路電位和低陰極保護電位下，很少或只有輕微的涂層剝離，但當陰極保護電位達到氫釋放電位水平時，氫的逸出會加速涂層的陰極剝離［17］。對于沒有破損的涂層，析氫電極反應過程對涂層的影響很小，而已破損的涂層會在析氫反應中加速剝離［18］。

另有研究表明，在飽和濕度鹽漬土環(huán)境中，破損涂層隨著腐蝕的進行逐漸被剝離，陰極保護會加速剝離速度。中等濕度的鹽漬土中，破損涂層則能夠得到完全的陰極保護，但剝離處仍會加重剝離。在低含水量的土壤中，所有涂層短期內都沒有腐蝕發(fā)生［19］。

3.3 對鋼/涂層界面結合力的影響

陰極保護電流在涂層和金屬界面發(fā)生陰極反應的產(chǎn)物，會降低鋼/涂層的界面性能，導致粘附力下降，涂層易發(fā)生陰極剝離［20］。施加陰極保護而產(chǎn)生的堿性環(huán)境，也會減弱涂層與管線鋼的結合力［21］。研究表明，管道露天存放2年后的3PE環(huán)氧粉末涂層仍然粘接很牢，而運行兩年的管段陰極保護電位負于-1.38 V時3PE涂層會全部脫落。分析結果顯示，陰極保護的金屬/聚合物界面不是被堿侵蝕破壞，而是被氧還原的中間體所引起的強氧化侵蝕破壞［22］。

3.4 對管線鋼抗應力腐蝕斷裂的影響

在陰極保護下，剝離涂層的中間部分由于有效的陰極保護和弱的氫析出而具有較低的應力腐蝕開裂（SCC）敏感性［23］。研究［24］顯示，在剝離涂層下X70管線鋼可以在碳酸鹽/碳酸氫鹽溶液中鈍化，施加陰極保護后，可以增強鋼的氫離子活性，降低鋼的鈍化性。施加的應力使點蝕電位負向移動，并減小了鈍化電位范圍。另外，在陰極保護電位過負時，縫隙中的電位和pH值受到縫隙中氫氣泡電屏蔽的強烈影響，導致鋼的電位增加進入SCC范圍內，陰極保護中斷后，鋼電位正移且pH降低，鋼會進入pHSCC的易感區(qū)［25］。

4 結束語

陰極保護和涂層相互作用的問題較復雜，通常在管線鋼使用過程中涂層破損的數(shù)量少但是面積大，陰極保護電流比較集中，易造成過保護。而新制備的涂層往往有微小針孔，是否可以將不滲透電流的絕緣涂層表面形成數(shù)量、密度和直徑（納米級）適宜的用于滲透陰極保護電流的孔隙，達到分散陰極保護電流的目的，從而既解決陰極保護電流的滲透問題，又避免陰極保護電流在局部區(qū)域過大，造成涂層結合力下降、涂層剝離甚至發(fā)生管線鋼應力腐蝕斷裂的情況。

綜合研究結果，可以發(fā)現(xiàn)涂層剝離形成的縫隙比涂層破損的危險性更大，所以應該研究管線鋼使用過程中如何避免涂層形成縫隙腐蝕。其次研究如何提高管線鋼和涂層的結合力、如何避免管線鋼中有雜散電流、開發(fā)抗硫酸鹽還原菌腐蝕的涂層、如何采取非焊接的方式連接管道等。最后，同行專家和工程技術人員應該在研究和實踐過程中不斷完善涂層在不同表面狀況、不同涂層種類、不同環(huán)境下的陰極保護的標準。