金属管线腐蚀机理及防腐技术探析

时间：2024-10-25

高岩

（福建省三钢(集团)有限责任公司，福建三明 365000）

金属腐蚀表现为：金属被周围介质（诸如气体、液体等）影响，受化学变化、物理溶解、电化学变化作用出现的破坏。同时，就金属腐蚀而言，属于涉及金属材料、环境介质的反应作用体系。工业生产方面，处于地下的油、水、气等输送管道，以及通信电缆等，会出现腐蚀的情况，并导致油气等产生跑、冒、滴、漏等问题，进而形成直接经济损失，同时还有可能出现爆炸、火灾等较为严重的安全事故。

1 常见金属管线腐蚀的类型及其机理

1.1 土壤腐蚀的类型及其机理

土壤属于自然界中最为常见的一种外腐蚀剂。由于土壤之中涉及水分，因此可以将其作为包含腐蚀性的特殊电解液。常见土壤腐蚀主要为以下几类。

1.1.1 土壤腐蚀

土壤出现腐蚀后，受不均匀金属组织的影响，可能会形成微电池腐蚀，亦或是不均匀土壤导致的宏观电池腐蚀[1]。对于不均匀氧渗透速度而言，主要是因为土壤存在的透气性不同，进而影响其接触金属部分的电位，并引起氧浓度差电池，体现在以下方面：其一，微电池腐蚀。一般情况下，金属构件周围土壤涉及到的水分、结构、盐分和含氧量属于均匀的，此时出现微电池腐蚀，那么必定与不均匀金属组织联系紧密；其二，管道穿越不同土壤的过程中，可能会出现宏观电池腐蚀的情况。对长距离管道予以铺设的过程中，因为管道与金属构件会对各类土壤进行穿越，进而形成了氧浓差电池，其被埋于潮湿、紧密的土壤之中，同时作为阳极被腐蚀；其三，两种不同金属和土壤接触之后形成的宏观电池。钢管自身包含的金属与焊缝金属成分存在一定差异，双方在电位差方面可达0.275V，所以埋入地下之后，电位低的部分会出现腐蚀问题。例如，油田中管线焊口部位、新旧管线连接部位等，出现的腐蚀穿孔就指的是此种状况；其四，受埋设深度影响产生的宏观电池腐蚀。因为土壤埋深存在着差别，导致氧浓度会有一定的差异，即管线上部分和地面之间的距离更近，回填土没有原土密实，因此氧气浓度高，下部分土壤更加密实，氧浓度小，所以两者在电极电位方面并不一致。其中，底部位置更低，为腐蚀电池阳极区，进而容易出现腐蚀的情况。氧浓度差电池属于导致地下管道外腐蚀情况的主要原因，即管道不同部位，因为氧含量存在不同，会导致金属电极电位也出现不同，表现为偏高位置在氧浓度方面大，属于腐蚀电池阴极；浓度小偏低，为阳极，极易被腐蚀。

1.1.2 杂散电流引起的土壤腐蚀

就杂散电流而言，指的是由正常电路失漏，流到别处的电流，主要来源于对大功率直流电气装置的使用，诸如电化学保护装置、电镀槽、有轨电车以及电气火车等[2]。处于地下的电缆、管道以及金属结构等，均会因为此种杂散电流被腐蚀。对环路助力进行提高，能够避免土壤受到杂散电流的影响，进而降低电流的腐蚀作用。

1.1.3 微生物引起的土壤腐蚀

土壤存在着湿度大、密实、含氧量等等特点，在此种环境中大多数微生物可以正常的生长和繁殖。就土壤微生物而言，一部分可以形成酸性物质厌氧菌，进而导致金属出现腐蚀的情况。

1.2 电化学腐蚀的类型及机理

1.2.1 电化学腐蚀概念

电极指的是对电源两端进行连接的金属，两端存在电位差，并且受其影响，金属离子会向电源两端进行移动，如果两种金属在稳定性方面存在差异，那么稳定性低的一方面会出现氧化的情况，进而出现腐蚀。

1.2.2 金属的电化学腐蚀

与电解质溶液进行接触之后，金属会发展成原电池，引起电化学腐蚀。比如，将锌与铜作为电极，然后放置到硫酸溶液内，通过导线连接，进而构建闭合回路，让电流顺利的通过导线，成为原电池装置。通常状况下，金属表面存在各类杂质，因此就算是在电解质溶液之中放入金属，同样会产生腐蚀原电池。杂质对于金属，阴极、阳极均有可能，会导致金属表面产生许多微小腐蚀原电池，无法避免对金属产生腐蚀。

2 金属管线防腐技术

对于金属管线腐蚀而言，会对金属管线经济收益产生影响，由于金属管线极易产生腐蚀的情况，导致金属管线损耗十分严重，不利于金属管线的销售，并降低金属管线生产效益。所以，从事与金属管线行业有关的企业，应注重对金属管线防腐技术的研究。对于现阶段应用较为普遍的金属管线防腐技术而言，主要涉及防腐层与阴极保护技术。

2.1 防腐层保护技术

就防腐层而言，指的是对不同材料特性予以综合应用的方式，涉及使用寿命长的特点，结合不同介质条件，通常将非金属材料在金属管线表面进行敷设。现阶段，防腐涂层技术实现了较好的发展，煤焦油瓷漆、三层聚乙烯等实现了广泛运用。比如，我国西气东输等相关工程，主要采取三层聚乙烯防腐层。对于距离较短以及变化频繁的金属管道，通常运用聚乙烯胶粘带。冷弯管外防腐则大多采取双层熔结环氧粉末涂层技术。由此可见，防腐涂料包含丰富的种类，不同种类在用途与性能上会存在差异。选用时应考虑。

其一，基体表面材料性质。涂层用底漆之中涉及许多的含粉料，基料少，成膜较为粗糙，与金属管线粘附力强结合性好，起附着和防锈作用；而面漆中则包含许多基料，成膜方面光泽好，可以避免底漆遭受大气腐蚀，同时还具备良好的抗分化能力，防老化、防腐蚀作用显著。

其二，基体使用环境。对于防腐蚀涂料而言，其在环境针对性方面极强，应结合实际运用环境，诸如介质类似、设备、浓度、温度等，选择适宜的涂料品种。

其三，现场施工条件。应立足于施工现场，对涂料种类予以选择。例如，施工现场通风条件差，可运用无溶剂以及水性防腐蚀涂料。若现场不存在烘烤干燥条件，那么应选择自干型涂料。

其四，技术、经济综合效果。除了需要对技术性能优异性予以考虑之外，还需重视经济合理性。开展经济核算的过程中需综合考虑维修、材料、施工费用，以及涂层性能。

2.2 阴极保护技术

2.2.1 阴极保护技术原理

对于阴极保护技术而言，其原理图能够通过图1 进行阐述。如果没有开展阴极保护，金属腐蚀微电池阳极极化曲线EOA与阴极极化曲线EOC在S 点相交，此点对应金属自腐蚀电位Ecorr，对应电流为金属腐蚀电流Icorr。受腐蚀电流Icorr 的影响，微电池阳极被溶解，使得腐蚀破坏。另外，金属进行阴极保护的过程中，受外加阴极电流I1的极化作用，金属在总电位方面会从Ecorr 变负为E1 总的阴极电力Ic1内，某些电流属于外加的，诸如I1，金属阳极腐蚀则主要提供其它电流，如IA1。由此可见，金属微电池在阳极电流IA1方面和原来的腐蚀电流Icorr 相比之下，出现了降低，即腐蚀速度放缓，进而保护了金属。差值（Icorr-IA1）代表外加阴极极化之后，金属上腐蚀微电池作用减小值，即腐蚀电流减小值，其可以被称之为保护效应。

图1 阴极保护技术原理示意图

金属体系电位在外加阴极电流上升的情况下，会逐渐成负。如果金属总电位等同于微电池阳极起始电位 EOA，那么金属中的阳极电流则为零，同时所有电流属于外加阴极电流IC外，此时阴极还原反应会产生于金属表面，并且金属溶解反应会终止，进而保护金属。在此过程中，电位处在最小保护电位，此时需使用的外加电流密度指的是最小保护电流密度。

通过对以上内容的总结可以得出如下结论，为了安全保护金属，需要把阴极极化到腐蚀微电池阴极平衡电位。同时，要想实现良好的保护效果，运用的保护电位不能够高于腐蚀微电池阳极平衡电位。

2.2.2 阴极保护技术直流电源的利用

对于外加电流阴极保护系统而言，由参比电极、电源设备、阴极通电点、辅助阳极、阳极路线等构成。其中，阴极保护系统运转状态和直流电源之间存在着紧密联系。因此，加强研究阴极保护中运用到的直流电源，可提高直流电源工作性能，并让管道阴极防腐效果得到增强。

2.2.3 常用的直流电源设备

要想确保接地体电流可以从土壤之中输送进保护管路，需要将直流电源连接到阴极、阳极之间，并满足电压以及电流方面的相关要求，进而形成闭合电路[3]。并且，应存在对电压进行调节的可能。对于常用直流电源设备而言，主要涉及整流器设备与恒电位仪。其一，整流器设备。电动机——发电机组与变压器——整流器电源属于早期电源设备。由于普通交流电源变压器——整流器不存在旋转、滑动接触部分，因此可靠性高于电动机——发电机组，同时存在诸多能够进行选用的变压器——整流器，并且容量不同。其中，桥式全波整流效果较好，在纹波系数单相方面不超过5%，三相则处在8%以下，升温不可以高于85%。同时，把市电转化成直流电硅整流器简单可靠，在环境适应性方面极强，通常可以长期运行，价格也十分便宜；缺点则表现为精度不高等，相关管理工作者需对通电点电位进行经常性调节。其二，恒电位仪。现阶段，恒电位仪技术得到了普遍运用。如果管地电位、回路电阻产生较大变化情况，应对恒电位仪予以使用。对于恒电位仪而言，需要确保在无人值守的状况下自动调节输出电流、电压等，给定电位连续可调0.5-2.0V；电位控制精度则为±20mV；输入阻抗不低于1MΩ；绝缘电阻不低于100MΩ；抗交流干扰能力不低于12V；耐点压不低于750V；负载纹系数单相不超过5%，三相不超过8%；做好印刷电路防潮等相关工作。