地下金属管道腐蚀与防护重点

绪论

1，腐蚀分类：化学腐蚀、电化学腐蚀

2，电化学腐蚀的特点：（1）介质为离子导电的电解质（2）金属/电解质界面反应过程是因为电荷转移而引起的电化学反应（3）界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的氧化和还原过程（4）电化学腐蚀过程伴随电子的流动

3，金属/电解质界面上伴随电荷转移发生的化学反应称为

第一章

1，电化学腐蚀——依靠腐蚀原电池的作用而进行的腐蚀过程叫做电化学腐蚀。

2，电位—pH 图 （p9）

（1）m 线： 4H + + 4e + O2 =2H2O n 线： 2H + + 2e=H2

n 线之下有H 2析出，是H 2稳定区；高于m 线则有O 2析出，是O 2稳定区

（2）D 到D ’的发生过程

① Fe 位于D 点处生成铁锈的腐蚀过程

在该区域内Fe(OH)2和H 2O 是稳定的，因此在PH=9.6∽12.5的范围内能形成Fe(OH)2钝化膜。腐蚀体系中的电极反应为

阳极反应：Fe ——Fe 2++2e 2H 2O=2H++2OH-

次生反应：Fe 2++2OH-——Fe(OH)2

阴极反应：2H ++1/2O2+2e——H 2O

总反应：Fe+1/2O2+ H2O ——Fe(OH)2

② 当体系的电位升高至D 点以上，在图的右上方D ’时，随着电位上升，氧的平衡分压增加，Fe(OH)2将进一步氧化成Fe(OH)3 阳极反应：2Fe(OH)2+2H2O ——2 Fe(OH)3+2H++2e

阴极反应：1/2O2+ H2O+2e——2OH -

总反应：2Fe(OH)2+1/2O2+ H2O ——2 Fe(OH)3

③欲使图1-6中的B 点位置移出腐蚀区，可采用的控制腐蚀措施：a ：降低电极电位至非腐蚀区，即通常采用的阴极保护法；b ：把Fe 的电位升高至钝化区，即采用阳极保护，或在溶液中注入缓蚀剂，使金属表面形成钝化膜；c ：调整溶液PH 值，在PH=9.6∽12.5的范围内能形成Fe(OH)2 或Fe(OH)3钝化膜

3，腐蚀原电池分类：微电池、宏电池

地下管道最常见的腐蚀现象——氧浓差电池

4，腐蚀原电池作用过程：①阳极过程：金属溶解，以离子形式转入溶液，并把当量电子留在金属上；②电子转移：在电路中电子由阳极流至阴极；③阴极过程：由阳极流过来的电子被溶液中能吸收电子的氧化剂D 所接受，其本身被还原

5，腐蚀原电池形成条件：①有电解质溶液与金属相接触；②金属的不同部位或两种金属间存在电极电位差；③两极之间相互连通 6，腐蚀速度v -是指单位时间内单位面积上损失的质量。g/(m2h) v -=W/St=3600IA/(SFn) S ——阳极的金属表面积

凡是能降低腐蚀电流I 的因素，都能减缓腐蚀

7，极化——腐蚀原电池在电路接通以后，电流流过电极时电位偏离

初始电位的现象称为电极。

阳极电位往正方向偏移，叫阳极极化；阴极电位往负方向偏移，叫阴极极化。

电极极化分类：①活化计划；②浓度极化；③电阻极化

活化极化——由于电极上电化学反应速度缓慢而引起的极化叫活性极化，（电化学极化）

过电位是相对可逆电极偏离平衡态时的电位变化值，它是与电极反应相联系的。η活化=a+[RT/(αnF)] lni=a+βlni

8，腐蚀极化图 p17图1-11

E A 0 阳极的平衡电极电位，曲线E A 0S 是阳极极化曲线

E C 0 阴极的平衡电极电位，曲线E C 0S 是阴极极化曲线

两条极化曲线相交于S ，横坐标I corr 表示当电池的回路电阻R 等于零时电池中流过的电流，也就是电池可能达到的腐蚀电流最大限度I max ，此时两级电位相等。

（1） 腐蚀的控制因素（定义）——腐蚀原电池的作用过程是由阳极

过程、阴极过程和电子转移三步骤构成，其中阻力最大步骤对腐蚀速度起主要影响，称为腐蚀的控制因素

（2） 利用腐蚀极化图，说明腐蚀过程受哪些因素控制（p17图1-12） （a ） 的控制因素是阳极极化性能（b ）的控制因素是阴极极化性

能（c ）是混合控制（d ）为电阻极化所控制

9，金属钝化

（1） 引起金属钝化的因素：化学钝化、电化学钝化

①化学钝化——一般在强氧化剂（如硝酸、硝酸银、氯酸、重络酸钾或氧）中钝化，属于化学因素引起的钝化，叫做化学钝化

②电化学钝化——外加电流引起的阳极极化时的钝化，电极电位正移，属于电化学因素引起的钝化，叫做电化学钝化

（2） 阳极钝化现象是金属钝化的主要特征之一

（3） 典型的阳极极化钝化曲线 （P24 图1-19）

AB ——电流随电位升高而增大，处于金属活化溶解区

BC ——电流急剧下降，处于不稳定状态，为活化/钝化过渡区 CD ——随着电位的正移电流几乎保持不变，是稳定钝化区 DE ——电流再次随着电位升高而增大，为过钝化区

①化学反应

AB ：Fe ——Fe 2++2e

BC ：2Fe+3H2O ——Fe 2O 3+6H++6e

CD ：Fe 2+——Fe 3++e 3Fe+4H2O ——Fe 3O 4+8H++8e

DE ：4OH -——O 2+2H2O +4e

②钝化参数 ic ——越小——越易钝化；；Ec ——越负——越易钝化 Ip ——越小——形成钝化膜越好

10，土壤腐蚀的原因：①电化学腐蚀。土壤是固态、液态、气态组成，充满着空气、水和不同盐类，土壤中有水分和能进行离子导电的盐类存在，使土壤具有电解质溶液的特征，因而金属在土壤中发生电化学腐蚀；②电解腐蚀。由于工业和民用用电有意或无意地排入或泄露至大地，土壤中有杂散电流通过地下金属构筑物，因而发生电解作用，

电解电池的阳极是遭受腐蚀的部位；③细菌腐蚀。土壤中细菌作用而引起的腐蚀

11，土壤性质对腐蚀过程的影响：①氯离子和硫酸根离子的含量愈大（高于1％）时，土壤腐蚀性就越强；②土壤结构不同直接影响土壤含水量和透气性，进而影响腐蚀过程；③土壤的含氧量

（1） 矿物盐：Cl - 、SO 2-4 结构：砂土、粘土 含氧量

（2） 不同结构的土壤交接时，土壤含氧量、湿度和氧透气性的差别，

为形成宏观氧浓差电池准备了条件

（3） 一般来说，土壤的含盐量越大，含水量越大，土壤电阻率愈小，

土壤腐蚀性也愈强

12，土壤腐蚀的特点：①由于土壤性质及其结构的不均匀性，不仅在小块土壤内可形成腐蚀原电池，而且因不同土壤交接在埋地管道上形成的长线电流，其宏观腐蚀原电池可能达数十公里；②：除酸性土壤外，大多数土壤中裸钢腐蚀的主要形式是氧浓差电池；③：腐蚀速度比一般水溶液慢，特别是土壤电阻率的影响大，有时成为腐蚀速度的主要控制因素。

13，土壤的细菌腐蚀：厌氧性细菌——硫酸盐还原细菌

SO 42-+8H——S 2-+4H2O

14，影响海水腐蚀的因素: ①所含盐类及其浓度；②溶解的氧量；③温度；④流速；⑤海洋生物，出现坑蚀。

（金属在海水中的腐蚀过程是受阴极反应中氧的去极化作用控制的，这是一个重要因素）

15，海水腐蚀的特点：①海水接近中性，含大量氯离子，故海水对钢铁等大多数金属的腐蚀，其阳极极化的程度很小，腐蚀速度主要由阴极反应过程中氧的去极化作用所控制；②不同金属在海水中的自然电位与其标准电极电位差异很大，电偶序也有所改变；③海水电阻率很小，故腐蚀速率一般比土壤中大得多；④注意海洋大气带和飞溅区的特点。飞溅区和潮差区；⑤不同水深处，腐蚀速率不同；⑥腐蚀疲劳，在腐蚀环境中由于交变应能力产生裂纹而引起的破坏。

飞溅区和潮差区，构筑物受浪花和海潮的冲击，不仅会发生全面腐蚀，还有坑蚀和冲蚀，需要采取特殊的防腐保护层。

16，淡水腐蚀是典型的电化学过程，与水中溶解氧量、水的硬度、含盐量、含硫量、温度、流速、pH 值等因素有关

17，局部腐蚀的五个类型：①缝隙腐蚀；②点腐蚀（孔蚀）；③晶间腐蚀；④应力腐蚀；⑤腐蚀疲劳

（1） 缝隙腐蚀（原理）——许多金属构件是由螺钉、焊接等方式链

接，在这些连接或焊接接头缺陷处可能出现狭小的缝隙，其缝宽足以使电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并在缝内发生强烈的腐蚀，这种腐蚀叫做缝隙腐蚀。

（2） 点腐蚀（孔蚀）特点：①易于生成钝化膜的金属材料表面容易

发生深的点蚀；②点腐蚀发生于有特殊离子的介质中；③点腐蚀发生在某一临界点位以上。

（3） 应力腐蚀（定义）：由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作

用所产生的材料破坏过程称为应力腐蚀。

应力腐蚀开裂（SCC ）——埋地管道腐蚀事故的主要原因

①定义：金属在应力与化学介质协同作用下引起的开裂（或断裂）现象，叫做金属应力腐蚀开裂（或断裂）

②特征：有静应力，特别是拉伸分量存在；拉应力愈大，则断裂时间愈短；腐蚀介质是特定的

③机理：阳极溶解；氢致开裂

④氢致开裂的损伤分类：氢脆（HE ）；氢鼓泡(HIB)；氢致台阶式开裂（HISC ）

(4)腐蚀疲劳（定义）：金属在在腐蚀的环境中与交变应力的协同作用下引起材料的破坏，叫做腐蚀疲劳。

疲劳强度（σN ）：称为表现表观疲劳极限或腐蚀疲劳极限

（5）将负荷应力对失效的循环次数作图，称为S-N 曲线（P35 图1-27） 特征：①任何金属在任何介质中都发生腐蚀疲劳

②环境条件对材料的腐蚀疲劳有严重影响

③腐蚀疲劳与频率有关

④腐蚀疲劳的裂纹主要是穿晶

⑤对金属材料进行阳极极化可使金属裂纹扩展速率降级

18，油气管道中的H 2S 腐蚀

（1） 两大类：电化学腐蚀、氢致开裂（HIC ）

硫化物应力开裂（定义）：在拉伸应力及H 2O 和H 2S 的腐蚀介质联合作用下产生开裂，引起的脆性破坏称为硫化物应力开裂（SSC ）

（2） 氢致开裂（定义）：按应力腐蚀的机理将阴极析氢反应的H 进

入金属后对应力腐蚀开裂起决定作用或主要作用的破坏称为氢致开裂（HIC ）

腐蚀过程生成的氢原子，在硫离子的影响下，在管材热影响区的MnS 夹杂出富集，加之热影响区的金相组织硬度高，内应力大，常是裂纹的主要形核位置，形成裂纹源，产生氢致开裂（HIC ）

（3） 硫化物应力开裂的影响因素：①钢材的强度（硬度）；②钢材的

金相组织直接影响其抗硫性能；③钢中P 、S 含量要很低，形成的MnS 夹杂尽可能少；④冷加工或机械损伤的影响。

（4） 对于湿H 2S 环境，应考虑温度、PH 值、H 2S 的浓度（或分压）、

溶液中的杂质（NaCl 、HCN ）等因素

（5） 影响氢脆发生的主要因素：①敏感的金相组织；②足够的含氢

量；③足够的拉应力

19，导致管线破裂最危险的地段——延压缩机站下游30km 左右 20，“阴极保护屏蔽”就是指阴极保护系统中保护电流到达被保护金属表面的数量减少的任何情况。

21，造成套管内管体腐蚀的原因：①套管与管道发生短路；②套管对管道的阴极保护系统起到屏蔽作用，使穿越段的管道达不到有效保护22，套管内的防护采用的措施：①钢套管要作外壁防腐；②在环形空间注入填充物；③在套管环形空间安装牺牲阳极（棒状或带状）；④采用外加电流阴极保护；⑤新建的穿越工程尽量不采用套管 23，输气管道H 2S 腐蚀的控制：①选择耐蚀材料；②控制腐蚀环境，关键是脱水，脱除水、氧、硫等；③选择有效的内防腐层或缓蚀剂，

以保护模形式隔离腐蚀环境与钢管接触；④加强和完善管理体制

第二章

1，对于地下水位低，地表植被较差的地段，采用石油沥青防腐层可以获得最大的投入产出比

2，焦煤油瓷漆具有优良的防腐性能，比较经济适用，特别是适合于穿越沙漠、盐沼地等特殊环境

3，几种合成树脂防腐层：①聚烯烃胶粘带；②熔结环氧粉末；③挤出聚乙烯；④三层PE 复合结构

4，沼泽地区管道的防腐层：有三层，第一层保证粘结及电绝缘性；第二层为特殊的抗水层；第三层为加重管道及保证机械强度保护层 5，选择防腐层的原则：基本原则是确保管道防腐绝缘性能。在此基础上，①在多石地段或河流穿越段，应选用机械强度较高的熔解环氧、挤出聚乙烯或双层、三层聚乙烯防腐层；②在氯化物盐渍土壤地段应选用熔结环氧、挤出聚乙烯及煤焦油瓷漆等耐氯离子腐蚀的防腐层；③在沼泽地段，应选用长期耐水耐化学和腐蚀性的挤出聚乙烯及煤焦油瓷漆防腐层；④在碳酸盐型土壤中，可选用耐CO 32-腐蚀的石油沥青和聚乙烯胶粘带；⑤在输送介质温度高的条件下，优先选用熔解环氧或改性聚丙烯等耐高温材料

6，机械喷涂分类：空气喷涂、高压无空气喷涂、静电喷涂、粉末喷涂

7，喷砂除锈指用压缩空气将磨料高速喷射到金属表面，依靠磨料的冲击和研磨作用，将金属表面的铁锈和其他污物清除

8，抛丸法是利用高速旋转的叶轮，将进入叶轮腔体内的磨料在离心力作用下又开口处以45o ∽50o 的角度定向抛出，射向被除锈的金属面

第三章

1，阴极保护原理（P83 图3-1）

暂不考虑腐蚀电池的回路电阻，则在未通电流保护以前，腐蚀原电池的自然腐蚀电位为E ，相应的最大腐蚀电流I C 。通上外加电流后，由电解质流入阴极的电流量增加，由于阴极的进一步极化，其电位将降低。如流入阴极电流为I D ，则其电位降至E ’，此时由原来的阳极流出的腐蚀电流将由I C 将至I ’。I D 与I ’的差值就是有辅助阳极流出的外加电流量。为了使金属构筑物得到完全保护，即没有腐蚀电流从其上流出，就需进一步将阴极极化到使总电位降至等于阳极的初始电位E A o ，此时外加的保护电流为I P 。从图上可以看出，要达到完全保护，外加的保护电流要比原来的腐蚀电流大得多。显然，保护电流I P 与最大腐蚀电流I C 的差值决定于腐蚀电流的控制因素。受阴极极化控制时，二者的差值要比受阳极极化时小得多。因此，采用阴极保护的经济效果较好。

2，阴极保护法：①牺牲阳极法；②强制电流法；③排流保护

3，阴极保护参数：自然腐蚀电位；保护电位；保护电流密度；阴极

保护保护度

4，保护电位：①碳钢在土壤及海水中的最小保护电位是 -0.85V （CSE ）左右；②对于沥青防腐层取最大保护电位 -1.20 V（CSE ）；③聚乙烯防腐层的最大保护电位 -1.50 V（CSE ）

5，世界通用准则—— -850mV （CSE ）适用于各种土壤环境中钢铁构筑物的阴极保护

6，管道实施阴极保护的基本条件：①有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流；②管道必须处于有电解质的环境中；③保持管道纵向电连续性；④为确保阴极保护的有效性和提高保护率，必须做好管道的电绝缘

7，设计辅助阳极地床，应考虑两个问题：①阳极材料的消耗；②阳极气体产物的逸放

一般阳极应在焦炭回填料地床工作

8，1959年，含Cr 4.5％的高硅铸铁问世，提高了材料的抗氯离子腐蚀能力。含Si 量不小于14.5％，不大于18％时，能保持较低腐蚀率 9，柔性阳极，特别适用于高电阻率，管道覆盖层质量劣化的场合，它可以平行管道敷设，改善沿线电流分布

10，当Mg-Mn 合金作为牺牲阳极时，其电流效率的高低取决于Mg 原料纯度，越纯电流效率越高，电位也越负

11，Zn-Al-Cd 溶解性能好，电流效率高，制造容易，价格低廉，得到广泛应用。在锌内添加0.3％的Al 和0.06％的Cd ，可使锌内Fe 和Pb 的允许含量分别为0.003％和0.006％

12，Mg-6Al-3Zn-0.15Mn 合金阳极的开路电位为-1500nV （SCE ），在实验室试验的电流效率为60％左右，表面溶解均匀，是土壤中应用最广泛的阳极材料

13，为保护牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充化学填料包 14，阳极形状：棒状（多用于土壤环境）、块板形、带状、镯式 15，阳极地床的埋设位置，一般距管道外壁3∽5m ，最小不宜小于0.3 m，埋设深度以阳极顶部距地面不小于1 m为宜，对于北方地区，必须在冻土层以下。成组埋设时，阳极间距以2∽3 m为宜。

第五章

1，测定其对地绝缘电阻，对比该测量参数的变化，将会十分简单和实用

2，防腐层的绝缘电阻测量方法：①拭布法；②直流法

3，甲类大修——对于这种能满足技术上最低要求的防腐层更换大修，称为甲类大修。

另一类称为乙类大修，是以防腐层绝缘电阻能否适应强制阴极保护要求制定的

4，捡漏原理；当管道上施加一交变的信号电压后，如果管道具有良好的完整的防腐层时，与信号电压成一定比例的信号电流将在管壁中流动传输，而信号电压和电流又按照某一函数曲线缓慢衰减。但是如果在某处防腐层有一点破损，破损点处的管道和大地间的过渡电阻将大大减小，致使信号电流在改点大量入地，形成一个电流场。因地电

阻的存在，则在破损点周围形成按一定规律分布的场，其电位值越接近破损点越大。缓慢衰减的信号电压曲线的形状就受到破坏，在破损点处形成一个峰值，这个峰值点，就是破损点。

5，捡漏方法：