金屬管的陰極保護(hù)效果研究

薛 瑤

（中國(guó)有色金屬工業(yè)技術(shù)開(kāi)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?yàn)椋鸿F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(diǎn)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(xiàn)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(guò)摻雜其他元素來(lái)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(duì)冷凝液的耐腐蝕性能是不同的, 一般說(shuō)來(lái), 隨著鋼中Cr含量的增加,鐵素體不銹鋼耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能提高[1]。有關(guān)研究對(duì)新開(kāi)發(fā)的439M型鐵素體不銹鋼和409L型鐵素體不銹鋼進(jìn)一步開(kāi)展5、1 0、20 周期的冷凝液腐蝕試驗(yàn), 并使用極值分析方法對(duì)三種周期冷凝液腐蝕試驗(yàn)后樣品的最大點(diǎn)蝕深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明, 新開(kāi)發(fā)的439M型鐵素體不銹鋼的預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)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(shì)。

2 金屬管陰極保護(hù)方法

2.1 犧牲陽(yáng)極法

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

2.2 外加電流法

外加電流法又可稱強(qiáng)制電流法。受保護(hù)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(shí)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(jìn)行有效調(diào)節(jié)，對(duì)金屬構(gòu)件的保護(hù)范圍不斷擴(kuò)大，避免電阻率的影響，延長(zhǎng)金屬構(gòu)件的使用壽命，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 兩種方法的比較

犧牲陽(yáng)極法語(yǔ)外加電流法在各自領(lǐng)域都具有其突出優(yōu)勢(shì)，在一些特定條件下，犧牲陽(yáng)極法優(yōu)勢(shì)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(shí)施保護(hù)的條件、是否存在電源、施工范圍、經(jīng)濟(jì)因素等等都是選擇陰極保護(hù)所要考慮的條件。

3 犧牲陽(yáng)極材料的選擇

鋁、鎂、鋅基合金這三大類金屬是犧牲陽(yáng)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(lái)經(jīng)濟(jì)效益，以上這三大類材料中鎂陽(yáng)極材料需要費(fèi)用最高，原因是鎂材料可以將高強(qiáng)度電流輸出出來(lái)，迅速消耗陽(yáng)極[3]。在同一電阻環(huán)境下，采用鎂材料犧牲陽(yáng)極保護(hù)比鋅基合金材料電極消耗快近3倍，采用鎂作為犧牲陽(yáng)極材料所耗用的經(jīng)費(fèi)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(fù)荷的保護(hù)，受激勵(lì)電勢(shì)和電流輸出的制約，鎂材料作為犧牲陽(yáng)極材料在通常情況下是不予采用。

鋅陽(yáng)極材料使用可節(jié)省費(fèi)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(yáng)極材料，此種類型材料能夠有效保護(hù)金屬管，但鎂陽(yáng)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(yáng)極則不宜在材料中使用，因?yàn)殇X陽(yáng)極腐蝕后生成AI(OH)3會(huì)形成堅(jiān)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(yáng)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(duì)晶間腐蝕影響有所加重，同時(shí)晶間腐蝕與溫度升高呈正比例，溫度達(dá)到49℃鋁陽(yáng)極材料未出現(xiàn)被腐蝕情況。

使用鋅合金陽(yáng)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(shí)，鋅合金陽(yáng)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(yáng)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(hù)，鐵材料轉(zhuǎn)換成為陽(yáng)極，金屬管腐蝕情況嚴(yán)重。鋅陽(yáng)極材料在溫度較高的環(huán)境中，鋅陽(yáng)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(yáng)極、鎂陽(yáng)極可適應(yīng)溫度較高的環(huán)境，但其電流效率會(huì)有所降低。

4 金屬管腐蝕區(qū)域

檢驗(yàn)金屬管的腐蝕情況得出結(jié)論，三個(gè)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(gè)區(qū)域中管體底部的耐腐蝕性較弱，出現(xiàn)了大面積坑點(diǎn)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(duì)較弱，管壁內(nèi)側(cè)被腐蝕最若，只有少量斑點(diǎn)腐蝕。

金屬管體的內(nèi)側(cè)與底部通常采用陰極保護(hù)技術(shù)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用比價(jià)廣泛，我國(guó)使用此項(xiàng)技術(shù)處于初級(jí)階段。金屬管的陰極保護(hù)可以有效彌補(bǔ)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(hù)，腐蝕速度有所下降。

4.1 陽(yáng)極的布置

外加電流系統(tǒng)中陽(yáng)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(yáng)極床目的是為了有效保護(hù)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(yáng)極布置現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1陽(yáng)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(hù)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(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)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(hù)效果檢查

保護(hù)電位測(cè)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(hù)電位達(dá)到負(fù)0.85V。另外保護(hù)檢查還包括腐蝕簡(jiǎn)薄率的測(cè)試，該步驟可以與金屬管底檢查同時(shí)進(jìn)行，使用厚度儀測(cè)試金屬管底部厚度。

5 金屬管外腐蝕檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)金屬管的陽(yáng)極保護(hù)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(cè)原理基礎(chǔ)上，檢測(cè)內(nèi)容為地電位測(cè)量、金屬管內(nèi)部電流測(cè)量以及管體參數(shù)。直流電壓梯度法、Person檢測(cè)法、組合電位測(cè)試法、短間歇電位檢查法共同構(gòu)成了地電位檢測(cè)技術(shù)，以上這些方法可實(shí)現(xiàn)在不破壞金屬管壁情況下，金屬管可進(jìn)行正常工作，對(duì)其進(jìn)行腐蝕檢測(cè)，但以上幾種檢測(cè)方法均歸類為間接檢測(cè)方法，需要進(jìn)行檢測(cè)技術(shù)人員詳細(xì)測(cè)量，得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

金屬管陰極保護(hù)，采用犧牲鋁陽(yáng)極的方法。使用陽(yáng)極的規(guī)格為50cmX10cmX 5cm的鋁片。陽(yáng)極用量為N=(50×81／10)=400塊。金屬管陰極保護(hù)，采用外加電流保護(hù)法。保護(hù)電壓在1．2—1．3V之間，保護(hù)電流在5-10A之間。管線的腐蝕檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，超聲波檢測(cè)效果較好。其數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，無(wú)需校驗(yàn)。