畢業(yè)設計（論文）-埋地管道腐蝕機理及防腐新技術研究進展

遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE2PAGE4PAGE1論文題目：埋地管道腐蝕機理及防腐新技術研究進展論文題目：埋地管道腐蝕機理及防腐新技術研究進展論文時間：2010年4月26日至2010年6月18日論文進行地點：大連星源船舶燃料有限公司（東港分公司）論文內容：1、前言2、埋地管線的腐蝕環(huán)境及金屬腐蝕機理3、常用防護方法4、結論論文的主要技術指標1、埋地管道點腐蝕（小孔腐蝕）產生機理2、管道腐蝕現(xiàn)狀的檢測方法3、針對腐蝕采取有效的措施4、管道選材的標準，及管道壽命的計算5、管道腐蝕剩余壽命的預測論文的基本要求在畢業(yè)論文寫作期間，工作刻苦努力，態(tài)度認真，遵守各項紀律，表現(xiàn)良好。能按時、全面、獨立地完成與畢業(yè)論文有關的各項任務，表現(xiàn)出較強的綜合分析問題和解決問題的能力。論文立論正確，理論分析透徹，解決問題方案恰當，結論正確，論文中使用的概念正確，語言表達準確，結構嚴謹，條理清楚，邏輯性強，欄目齊全，書寫工整。論文寫作格式規(guī)范，符合規(guī)定，能夠符合學校畢業(yè)論文標準。44、應收集的資料及主要參考文獻[1].楊筱蘅．輸油管道設計與管理[M]．東營：中國石油大學出版社，2006；[2].劉熠，陳學峰．西南油氣管道內壁腐蝕的控制[J]．腐蝕與防護，2007；[3].張興儒.油田腐蝕狀況與腐蝕控制.腐蝕科學與防護技術.2001；[4].胡士信，董旭．我國管道防腐層技術現(xiàn)狀[J]．油氣儲運，2004；[5].石油天然氣管道局.油氣管道工程概述.北京:石油工業(yè)出版社,2003；進度安排及完成情況序號論文各階段任務日期完成情況1收集材料，篩選材料4月2完成2確立論文題目4月29完成3擬寫提綱，撰寫初稿5月6完成4修改、審核論文初稿6月03完成5成稿、排版、打印、裝訂6月12完成6月日~月日學生簽名：崗位指導教師簽名指導教師簽名：系主任簽名：年月日畢業(yè)論文評閱書

畢業(yè)論文評閱書崗位指導教師評語：崗位指導教師評語：指導教師評語：評分（建議成績）：評分（建議成績）：崗位指導教師簽字：指導教師簽字：年月日年月日畢業(yè)論文評閱書答辯委員會意見：答辯委員會主任：答辯委員會意見：答辯委員會主任：200年月日評閱教師評語：評分（建議成績）：年月日評分表項目論文崗位指導教師建議成績指導教師建議成績合計權重403030100分數(shù)答辯委員會意見：答辯委員會主任：年月日成績遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE7PAGE1埋地管道腐蝕機理及防腐新技術研究進展摘要油氣輸送管道的使用優(yōu)點日益突出。由于土壤環(huán)境的復雜性，使埋地鋼管受到嚴重腐蝕。埋地管道的腐蝕嚴重影響其使用壽命和所輸油品質量，甚至造成泄漏。本文從長輸管道外腐蝕控制所需考慮的因素出發(fā)，通過對金屬管道的腐蝕機理分析及對管道周圍環(huán)境腐蝕性的檢測，了解腐蝕發(fā)生的原因，提出有效的防護措施。并結合國內外長輸管道外防護技術的特點和防腐蝕層應用的現(xiàn)狀，分析、比較了目前主要防護材料的防腐蝕性能。而且針對埋地管道的均勻腐蝕問題，利用一些常規(guī)公式推導出管道腐蝕剩余壽命的計算公式，并給出了算例，為管道腐蝕剩余壽命計算提供了理論依據(jù)。并給出了自己的認識及日后的打算。關鍵詞：埋地管道；腐蝕；防護；檢測；剩余壽命目錄1．前言 82．埋地管線的腐蝕環(huán)境及金屬腐蝕機理 92.1埋地管線腐蝕環(huán)境 92.2腐蝕機理 92.2.1化學腐蝕 92.2.2電化學腐蝕 92.3腐蝕性研究進展 102.3.1腐蝕檢測的內容 102.3.2管道沿途土壤腐蝕性研究 102.3.3腐蝕速率的研究 112.3.4雜散電流對埋地管道的腐蝕 122.3.5地磁引起的電流的影響 143．常用防護方法 153.1涂層保護 153.1.1常用防腐層 153.1.2存在問題 153.1.3預防措施及建議 163.2電化學保護 173.2.1陽極保護 173.2.2陰極保護 173.3雜散電流排流保護 203.4合理選材 203.5管線的在線檢側與評估 213.5.1管線的在線檢側 213.5.2管道失效評估 223.5.3剩余壽命預測 22結論 26謝辭 27參考文獻 28遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）8前言輸油管道的運輸方向不受限制，與公路運輸、鐵路運輸、水運、管道輸送等陸地運輸方式相比，運輸費用最低，所以是最主要的油氣運輸方式。隨著中國油田開發(fā)進入中后期，作為油田主要設施的管道、儲罐的腐蝕問題便提議突出起來。輸油管道基本上都采用碳素鋼無縫鋼管、直縫電阻焊鋼管和螺旋焊縫鋼管。埋地輸油輸氣管道，當金屬管道和周圍介質接觸時，由于發(fā)生化學作用或電化學作用而引起其表面銹蝕。金屬管道遭到腐蝕后，在外形、色澤以及機械性能方面都將發(fā)生變化，影響所輸油品的質量，縮短輸油管道的使用壽命，甚至不能使用。腐蝕不僅給油氣工業(yè)帶來巨大的經濟損失，而且會造成重大人身傷亡事故和嚴重的環(huán)境污染。隨著“西氣東輸”天然氣管道和中俄跨國輸油氣管道建設高潮的逐步來臨，加強對油氣管道技術方面的研究顯得尤為必要和重要。借鑒國內外的經驗教訓，將獲得的理論和實踐應用于管道建設與運營中去，使我們少走彎路，使腐蝕開裂造成的損失降到最低限度。鋼質管道的腐蝕損失占有相當?shù)谋壤?，所以加強鋼質管道防護、延長管道使用壽命是急待解決的問題。因此，了解腐蝕發(fā)生的原因，采取有效的防護措施，有著十分重大的意義。遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE14埋地管線的腐蝕環(huán)境及金屬腐蝕機理材料與其所處環(huán)境介質之間發(fā)生化學的、電化學的或物理的作用而引起的材料破壞和變質稱為腐蝕。金屬腐蝕是引起材料失效和破壞的主要原因之一。2.1埋地管線腐蝕環(huán)境目前國內輸油、輸氣管線多數(shù)以鋼管為主，長距離大口徑金屬管道埋入地下，由于土壤的腐蝕作用，造成管道穿孔，跑、冒事故時有發(fā)生。埋地管道在工作環(huán)境下，受著多種腐蝕，主要腐蝕情況有：土壤腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流腐蝕。在一些缺氧的土壤中有細菌（硫酸鹽還原菌）參加了腐蝕過程，細菌腐蝕不占主導地位。雜散電流是在地下流動的防護系統(tǒng)設計之外對金屬管道產生腐蝕破壞作用的電流，雜散電流腐蝕包括直流雜散電流腐蝕和交流雜散電流腐蝕。2.2腐蝕機理金屬的腐蝕是指金屬在周圍介質作用下，由于化學變化、電化學變化或物理溶解作用而產生的破壞或變質。金屬腐蝕是引起材料失效和破壞的主要原因之一。埋地管道的腐蝕原因可分為：2.2.1化學腐蝕化學腐蝕是指金屬表面與非電介質直接發(fā)生純化學作用而引起的破壞。其特點為在一定條件下，非電解質中的氧化劑與金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產物，腐蝕過程中電子在金屬與氧化劑之間直接傳遞，沒有電流產生。2.2.2電化學腐蝕電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質發(fā)生電化學作用而產生的破壞，其特點在于電化學腐蝕歷程可分為兩個相對獨立并可同時進行的過程。可分為：2.2.2.1原電池腐蝕原電池腐蝕指金屬在具有離子導電性的環(huán)境介質電解質溶液中形成原電池而發(fā)生的腐蝕。2.2.2.2電解腐蝕指外界的雜散電流使處在電解質溶液中的金屬發(fā)生電解而形成的腐蝕。當管道鋪設在電氣鐵路、電廠附近時，就會發(fā)生雜散電流腐蝕。多數(shù)情況下，大地被作為電流的回路。2.2.2.3細菌腐蝕當土壤中含有硫酸鹽時，在缺氧的情況下，一種厭氧性細菌———硫酸鹽還原菌(SRB)就會繁殖起來，在它們的生活過程中需要氫或某些還原物質，將硫酸鹽還原成為硫化物，利用反應的能量來繁殖。HéctorA.Videla發(fā)現(xiàn)由細菌、細胞外的聚合物質（EPS）和水（主要的）組成的生物膜，通過這個生物膜的形成發(fā)生了金屬的微生物集群現(xiàn)象。生物沉積可以徹底的緩和構造金屬的腐蝕行為。但是，生物膜也方便了金屬/溶液接觸面處化學物種交換的擴散邊界的形成。2.3腐蝕性研究進展一般來講，埋于地下的金屬管道，經過一段時間（一般為6～8年）的運行，部分管段防腐蝕層可能出現(xiàn)老化、剝離或破損現(xiàn)象，管體產生嚴重的腐蝕，局部地段開始出現(xiàn)穿孔、泄露。無論是何種形式的腐蝕或機械損傷，最終都表現(xiàn)為管道機械性能的破壞或喪失，其中最常見的是管道壁厚減薄。在隨后一段時間，管道甚至會出現(xiàn)大面積的開裂、穿孔等破壞管道正常輸送的嚴重事故。2.3.1腐蝕檢測的內容對于長輸管道來說，腐蝕檢測主要包括兩方面的內容：環(huán)境腐蝕能力和管道的腐蝕狀況。對管道腐蝕現(xiàn)狀的檢測可以摸清管道當前存在的問題和過去的腐蝕結果，對環(huán)境腐蝕能力的檢測可以分析腐蝕原因以及對將來的腐蝕程度進行預測，以采取相應的防腐措施。2.3.2管道沿途土壤腐蝕性研究管道的腐蝕是土壤環(huán)境作用與管線材料綜合作用的結果。對土壤腐蝕的研究主要包括土壤腐蝕的各種影響因素及土壤腐蝕的評價指標兩方面土壤是一個由氣、液、固三相物質組成的復雜系統(tǒng)，張合平通過管道金屬與土壤間的原電池、土壤含水量、土壤電阻率、土壤酸度、土壤所含鹽分、土壤孔隙率、雜散電流、微生物腐蝕等幾方面分析了土壤對管道腐蝕的影響，并應用德國標準對土壤腐蝕性進行評價。Paulin,MichaelJ.等指出，大部分人認為管路與土壤間是通過一系列不連續(xù)的非線性彈簧連接的，但這些結論一般都是通過土壤與埋地結構間的研究引伸而來，很少有專門的管線理論或實驗結果可有效比較和驗證管線設計和分析方法的優(yōu)劣。楚喜麗通過室內自然腐蝕埋片試驗和電化學極化測量，得出各種土壤的相對腐蝕性，并選用一種土壤，進行正交試驗。正交分析的結果表明:土壤中的含水量、Cl含量和Ca含量是碳鋼在寶浪油田土壤中腐蝕的主要影響因素。2.3.3腐蝕速率的研究在土壤的腐蝕性評價工作中，廣泛采用現(xiàn)場埋片試驗法，然后用失重法測定腐蝕速率。由于土壤腐蝕的埋片試驗周期很長，一般為10～30年。因此，在較短的時間內獲得可靠的土壤腐蝕速率數(shù)據(jù)，是土壤腐蝕研究一直追求的目標。隨著電化學技術的發(fā)展，在許多土壤腐蝕研究中采用了線性極化法或電化學極化掃描法，但很少與實際埋片的腐蝕速率結果進行對比。傳統(tǒng)的電阻法測定腐蝕速率所采用的腐蝕試件主要有絲狀試件和片狀試件兩種：絲狀試件=(r/t)〔1-〕8760(2-4)片狀試件=｛〔()-〕/t｝(2-5)金屬試件的電阻很小，通常在0.2Ω以下，必須采用精密的電橋法來測量。改進的測試法依據(jù)電阻法測試腐蝕速率的基本原理，采用恒電流作為信號源，通過高精度數(shù)據(jù)放大器測量腐蝕試件兩端的電位，求取試件在腐蝕過程中電阻的變化來獲得試件腐蝕速率：｛〔-〕/｝2190(2-7)(2-8)式中：———試件在t時刻電位的變化量；———腐蝕t時刻測定試件的電位；———腐蝕開始時試件測量段的初始電位。改進的電阻法采用較大尺寸的腐蝕試件可以反映腐蝕的形態(tài)，能夠在較短的試驗期間獲得穩(wěn)定的腐蝕速率，并達到很高的測量精度(0.3μm)。李謀成等介紹了一種新研制的土壤腐蝕性檢測儀。它可檢測金屬在土壤中的腐蝕電流、腐蝕電位、土壤的電阻率、氧化還原電位及溫度等參數(shù),并通過測試證實穩(wěn)態(tài)腐蝕電流與埋片失重腐蝕速度之間具有較好的相關性。還可用人工神經網絡對土壤的腐蝕速率作出預測。2.3.4雜散電流對埋地管道的腐蝕在我國，地鐵作為城市重要的交通工具正在迅速發(fā)展，地鐵多采用直流電力牽引系統(tǒng)和走行軌回流的方式。地鐵運行時，由走行軌漏泄到道床及其周圍土壤介質中的電流稱為地鐵迷流(或雜散電流)。關于控制漏泄電流問題，R.W.Shaffer提出了兩條建議，但由于成本增加很大等因素使這些措施具有局限性。因而，研究地鐵迷流對埋地管線的腐蝕，并探索新的有效的抗迷流腐蝕工藝具有重要的現(xiàn)實意義?！?〉腐蝕機理由地鐵雜散電流引起的金屬結構發(fā)生的腐蝕本質上是電化學腐蝕，即電極電位低的金屬被氧化，失去電子而變成金屬離子，同時電極電位高的金屬（或非金屬離子）得到電子被還原?！?〉腐蝕定量評價指標金屬受迷流腐蝕可用不同技術特征化的材料損失表示，腐蝕一般以腐蝕速率定量表征，是指單位時間（單位面積上）所損失的金屬量。一種表示腐蝕速率的方法是單位時間、單位面積上的金屬腐蝕量V=(2-9)$=Q=It(2-10)==3600（2-11）常用此式的腐蝕速率法定量表征迷流腐蝕的程度，簡單而有效。另一種表示腐蝕速率的方法是單位時間金屬結構物的腐蝕量，由式$=kIt(2-12)可推得:=(2-13)用此式計算腐蝕速率，關鍵要測k值。這樣，對于任何金屬材料的埋地管線，在測知迷流大小后，利用式==3600就可計算腐蝕速率及在經過一定時間后的理論腐蝕量。孫立娟等人針對在直流供電的地鐵、輕軌運輸系統(tǒng)中，產生的雜散電流對鐵軌周圍土壤中的埋地金屬管線產生電化學腐蝕這一狀況。根據(jù)電學原理，電流密度矢量(i)與電場強度矢量(E)成正比，即i=ρ×E，ρ為導電介質電導率。同時，電場強度與電位梯度數(shù)值相等，而方向相反，即：E=-dv/dn(2-16)所以，測量電位梯度就可以得出電場強度，如果知道土壤電導率，就可以計算出電流密度。由雜散電流引起的腐蝕速率可以通過法拉第定律計算如下：K=10·A·i/n·F(2-17)其中：A———原子量；n———腐蝕電化學反應的電子得失數(shù)；i———腐蝕電流密度，A/m；F———法拉第常數(shù)。翁永基等人的研究用鋼制電極測量土壤中雜散電流形成的電位梯度的可行性。設計了室內模擬裝置:在水池內放置排列的鋼電極和可控制干擾電場。地鐵走行軌雜散電流的存在，會對埋在地下的金屬產生電化學腐蝕作用。另外張新國等人采用電位差計和雜散電流測量儀研究了新疆油田電焊動火過程中管道及周圍土壤中的雜散電流分布規(guī)律。結果表明，管道中的雜散電流并不穩(wěn)定，其變化范圍很大，最大值與最小值相差幾十倍；管中雜散電流隨著離電焊點距離的增大逐漸減小，隨著電焊機臺數(shù)的增加逐漸增大，隨著管道管徑的增大，逐漸增大；同時在焊接過程中，土壤中的電位梯度相應增大，并隨著離管道距離的增大逐漸減小。2.3.5地磁引起的電流的影響CP的目的是使管線的電位保持在-850mV（相對于土壤）。不需要電位達到太負，因為那樣也會引起有害的化學反應。然而與地磁引起的電流（GIC）有聯(lián)系的管/地電位很容易超過CP電位，而因此使保護失效。GIC的基本物理原理非常簡單，磁場的瞬間變化產生了電場。為了避免GIC問題，需要一個更徹底易理解的可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為了保持對有涂層及高的泄漏阻力而且位于靠近磁極的范圍內而因此遭受大地電流腐蝕的長輸管道有效的腐蝕控制，應該采取以下措施:(1)保持良好的電氣連接貫穿于整個系統(tǒng)；(2)用帶有陰極保護系統(tǒng)的集成緩蝕設備減少大地電壓正向和負向的波動；(3)安裝試驗站設備及金屬掛片用來測量管/地電位；(4)用與時間同步的數(shù)據(jù)記錄儀和應用腐蝕因素去得到精確的近間距的管/地數(shù)據(jù)。在某種程度上，GIC被看作是一個外來電流腐蝕問題的一個新挑戰(zhàn)。未來的研究中，目標是得到二維等價電離層電流系統(tǒng)作為時間的一個函數(shù)的一個完整的描述。遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）PAGE２５常用防護方法對于輸送管線外壁來說，由于埋入地下的金屬管壁經常受到土壤中大氣、水質和酸堿鹽介質的電化學腐蝕作用，極易腐蝕而報廢，所以管道外壁應根據(jù)不同的環(huán)境特點，因地制宜地采用不同的保護方案。目前，國內采用的管道防護方法主要有：3.1涂層保護涂層保護是在金屬表面覆以防腐絕緣層，是管道防腐最基本的也是必須采取的措施。3.1.1常用防腐層目前，國內外用于埋地管道的外防腐層主要有六種，即：石油瀝青、聚乙烯膠帶、聚乙烯夾克、熔結環(huán)氧粉末、煤焦油瓷漆、環(huán)氧煤瀝青。這六種防腐層在我國已有相應的國標和行業(yè)標準。其性能對比如下表。早期，我國的長距離油氣管道的防腐層無一例外的都采用了石油瀝青加玻璃布結構。從近幾年運行情況看，效果良好，但是由于環(huán)境保護的限制，石油瀝青防腐層在北美和歐洲已被淘汰。近幾年來國內在重大管道建設中主要選用了三層聚乙烯和熔結環(huán)氧粉末涂層。3.1.2存在問題3.1.2.1防腐層局部剝離的原因、防腐層老化埋地輸油管道服役一定年限后，防腐層逐漸趨于老化，與鋼管的粘接性、柔韌性、電絕緣性等性能指標逐漸下降。其主要原因為，防腐層與氧化性介質接觸時發(fā)生氧化反應等b、陰極剝離管道在陰極反應中析出氫氣，而氫氣產生的壓力可導致防腐層與鋼管表面的剝離(即陰極剝離)。c、防腐層施工質量及性能管道防腐層的施工質量對其耐剝離的性能有很大影響，尤其是在涂敷前鋼管的表面處理工序，若達不到有關規(guī)范所要求的等級，將引起管道防腐層剝離。3.1.2.2防腐層局部剝離的危害、對陰極保護電流的屏蔽作用管道防腐層與鋼管表面剝離后，保護電流到達被保護金屬表面的數(shù)量減少，即陰極保護電流受到屏蔽。b、管道的應力腐蝕埋地鋼質管道失效涂層下SCC已成為影響高壓管道安全運行的因素之一。應力腐蝕是指因外加應力或殘余應力與腐蝕聯(lián)合作用導致的材料破壞。另外氧對埋地管線鋼的SCC作用需進一步研究。目前的文獻指出SCC的傾向隨氧的參與而降低。3.1.3預防措施及建議、選取合適的防腐層。①除了以上提到的防腐層類型，上?；塾逊栏g技術工程有限公司開發(fā)出輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮材料。另外Y.Chen，X.H.Wang等人研究了在3.5%NaCl溶液中不同pH值情況下聚苯胺/環(huán)氧樹脂(EB/ER)涂層對低碳鋼的防腐行為，此實驗是用電化學聲阻光譜學方法進行了150天。在中性溶液中（pH值為6.1），EB/ER涂層相對于純ER涂層來說提供了非常有效的腐蝕保護，尤其是EB/ER中的EB含量在5-10%之間時。②復合電沉積的最新研究動態(tài)復合鍍層是利用金屬電沉積方法將一種或數(shù)種不溶性的固體微粒均勻地夾雜在金屬鍍層當中而形成的特殊鍍層。王健雄等研究發(fā)現(xiàn),通過復合電沉積方法制得的碳納米管鎳基復合鍍層在20%NaOH溶液和3.5%NaCl溶液中的耐蝕性明顯優(yōu)于同條件下制備的純鎳層。耐蝕性的提高可能有以下幾方面原因：(1)碳納米管的存在增加了鍍層表面的致密度并縮小鍍層孔隙的尺度，(2)當Ni和碳納米管相接觸后作為陽極的Ni發(fā)生了陽極極化并促進Ni的鈍化，減少其于介質中的腐蝕，從而使鎳層對基體金屬的保護作用增強。、在防腐廠的涂敷過程、防腐管的運輸過程、現(xiàn)場敷設過程、補口工藝過程中，都應嚴格按規(guī)范進行操作和檢驗嚴把施工質量關。、對在役管道防腐狀況定期進行檢測，發(fā)現(xiàn)管道剝離應及早采取措施。另外100%固體聚氨酯防腐涂料（PU）又稱液體聚氨酯防腐涂料或無溶劑聚氨酯防腐涂料。100%固體聚氨酯防腐涂料覆蓋層的綜合價格較熔結環(huán)氧粉末覆蓋層便宜，比3PE價格更便宜。100%固體聚氨酯防腐涂料是目前國際上鋼制管道外防腐層修復的主要材料。3.2電化學保護從熱力學理論獲得的電位-pH圖(圖3-1)中可以看出，當pH為7時，鐵處于活化腐蝕狀態(tài)，使其電位上升(陽極保護)或下降(陰極保護)，都可實現(xiàn)保護的目的。這種使其電位上升或下降來實現(xiàn)的保護、防止或減輕金屬腐蝕的技術，就是電化學保護。圖3-1從電位-pH圖上看陰極保護3.2.1陽極保護陽極保護是使被保護金屬處于穩(wěn)定的鈍性狀態(tài)的一種防護方法，可通過外加電源進行極化或添加氧化劑的方法達到防護目的?，F(xiàn)埋地管道上基本不采用此方法，故在此不討論。3.2.2陰極保護防護層的主要作用是使發(fā)生電化學活性材料相互隔離。防護層總是有缺陷，尤其難解決的的是防護層上存在的小孔可以導致快速腐蝕。因此，需要再使用陰極保護(CP)。Bird通過沙特阿拉伯國家石油公司的例子研究了一條穿過阿拉伯沙漠運行22年的管線的外腐蝕。Anene得出結論增加管線的壁厚不是推薦做法，直到安裝了陰極保護系統(tǒng)腐蝕才會停止。有效的外陰極保護在有效使用期節(jié)省了很多費用。3.2.2.1犧牲陽極法選擇一種其電極電位比被保護金屬更負的活潑金屬(合金)，把它與共同置于電解質環(huán)境中的被保護金屬從外部實現(xiàn)電連接，這種負電位的活潑金屬在所構成的電化學電池中作為陽極而優(yōu)先腐蝕溶解，故被稱為犧牲陽極。Burkat等研究發(fā)現(xiàn)，Zn-金剛石（4～6nm）在3%NaCl溶液中的耐蝕性比純Zn的要好。LucaBertolini等人研究了海底管道犧牲陽極抑制坑蝕的作用。結果發(fā)現(xiàn)，至少在目前的測試條件下，犧牲陽極在抑制腐蝕發(fā)生方面比控制坑蝕的進行更有效。陰極保護的高塑性能和使鈍性鋼極化所需的低電流，使得海底犧牲陽極可能是一種經濟有效的防腐方法。現(xiàn)在可以依據(jù)犧牲陽極法保護原理，參照已有的案例經驗及犧牲陽極法陰極保護相關的計算公式，借助VisualBasic1NET語言強大的功能，對埋地鋼管的犧牲陽極保護進行計算機輔助設計。李巖等人介紹了該輔助設計系統(tǒng)的設計思想，設計方案，各子模塊的實現(xiàn)過程及對系統(tǒng)的特點進行了闡述。3.2.2.2外加電流法將被保護管道與外加的直流電源的負極相連，把另一輔助陽極接到電源的正極，外加電流在管道和輔助陽極間建立較大的電位差。二者的優(yōu)缺點比較如表3-2。表3-2犧牲陽極與強制電流法的比較方法優(yōu)點缺點陰極保護強制電流1.輸出電流，電壓連續(xù)可調2．保護范圍大3．不受土壤電阻率的影響4．工程量越大越經濟5．保護裝置壽命長1．必須有外部電流2.對臨近金屬構筑物有干擾3．管理、維護工作量大犧牲陽極1．不需要外部電源2．對臨近金屬構筑物無干擾或較小3．管理工作量小4．工作量小時，經濟性好5．保護電流均勻，且自動調節(jié)，利用率高1．高電阻率環(huán)境不經濟2．覆蓋層差時不適用3．輸出電流有限3.2.2.3存在問題及措施從科學的角度講，為了為了使這些管線能在惡劣的地下環(huán)境中正常運行，有效地實施管道保護，埋地油氣運輸鋼管道通常用防護層和陰極保護(CP)聯(lián)合來進行外防腐。絕緣涂層可以使鋼管的內表面與腐蝕環(huán)境隔絕。CP通過阻止鋼表面缺陷部分的腐蝕可以完整保護系統(tǒng)，即在老化過程中在涂層上發(fā)展的小孔和擊穿。但是，裂縫傾向于在表面缺陷部分周圍區(qū)域涂層下形成。然后當水從表面缺陷部分流過時，可能發(fā)生縫隙腐蝕。ZhengfengLi等人測試了NaCl稀溶液中在模擬涂層和分區(qū)的低碳鋼電極之間的陰極保護的縫隙腐蝕的電位和電流分布。當邊界條件x=0時，E(x)=E；x時，E(x)=E：電壓分布E(x)：E(x)=E+(E-E)exp(-x/)(3-2)電流分布I(x)：I(x)=〔(E-E)exp(-x/)〕/R(3-3)式中：(3-4)E———腐蝕電位，V；R———陰極反應的線性極化電導率，；———溶液電導率，；x———寬度方向上的一維變化量，mm。3.3雜散電流排流保護當有雜散電流存在時，通過排流可以實現(xiàn)對管道陰極保護，這時雜散電流就成了陰極保護的電流源。但排流保護是受到雜散電流所限制的。通常的排流方式有直接排流、極性排流、強制排流、接地排流四種形式。排流保護類型的選擇，主要依據(jù)排流保護調查測定的結果、管地電位、管軌電位的大小和分布、管道與鐵路的相關狀態(tài)，結合四種排流法的性能、適用范圍和優(yōu)缺點，綜合確定。一條管道或一個管道系統(tǒng)可能選擇一種或多種排流法混合使用。I.A.Metwally等人利用三維模擬研究了影響陰極保護管線附近的未受保護的管線/套管的直流SCC的不同因素，有四個干擾的情況，即陽極、陰極、結合和誘發(fā)。得到以下結論：受保護的和未受保護的建購物的電流密度峰值與陽極的外加電流密度呈正比。Dae-KyeongKim等人研究了海洋環(huán)境中陰極保護下低碳鋼的交流電流腐蝕。低碳鋼在海水環(huán)境中和18.5g/LNaCl溶液中的直流極化研究得到腐蝕電流密度。在保護電位下低碳鋼不發(fā)生腐蝕，雜散電流的存在加速了低碳鋼的腐蝕。3.4合理選材影響金屬腐蝕的因素包括金屬的本性和外界介質兩個方面。就金屬本身來說，金屬越活潑就越容易失去電子而被腐蝕。M.A.Maes等人研究了高強度鋼(X100和X120)在高壓氣管線上的采用。經濟優(yōu)勢很明顯：因為強度增加，壁厚和材料費減少。但是問題是：(1)大多數(shù)現(xiàn)行的設計標準表明允許應力僅僅或部分的依靠屈服強度。這在一定程度上忽略了應變硬化的影響。在設計選材上，應根據(jù)管道的輸送環(huán)境考慮管道的抗氫滲性能、抗堿脆性能。如含碳量超出0.01%～0.25%的范圍或含適量的鋁、鈦、鉻、稀土金屬元素等的碳鋼，可減弱或消除鋼對堿脆的敏感性。趙越超、李春德研究的結果表明燃氣管道工程中所選管材，既要滿足燃氣這種具有危險性的化學氣體的性能要求，施工要求，又要在管材價格、使用壽命、投資效益上綜合考慮。我國大力發(fā)展石化工業(yè)，聚乙烯資源不斷豐富，聚乙燃管的價格更具競爭性，從節(jié)能節(jié)鋼節(jié)約投資的角度考慮，在小管徑管道施工中，推薦聚乙烯管—鋼管—鑄鐵管為選用順序，在大管徑管道工程中，推薦鋼管—鑄鐵管的選用順序。Mori等研究的結果表明，含C≤0.1%，Si≤2.0%，Mn≤3.0%，P≤0.03%，S≤0.01%，Cr為9.0%～15.0%，Mo為0.1%～7.0%和Ni為0.1%～8.0%的馬氏體不銹鋼，有較好的屈服強度，可延遲裂紋產生?？傊摴懿牧系某煞菁盁崽幚矸椒▽Σ牧系臋C械特性及抗腐蝕特性有較大的影響。3.5管線的在線檢側與評估對管道安全管理應引起高度重視，具有以下幾方面的內容：建立管道的原始資料；定期檢測管道的運行情況(陰極保護情況，檢測管道防腐層的情況，金屬管道及其配件腐蝕情況，管道堵、漏情況；及時維修，并將檢測與維修情況儲存，建立管道檔案，進行實時監(jiān)控。而其中最重要的環(huán)節(jié)為如何準確有效地對管道腐蝕狀況作出檢測。埋地管道的檢測對預防事故的發(fā)生，防止污染環(huán)境，節(jié)約開挖費用，具有重要意義。3.5.1管線的在線檢側埋地管道腐蝕情況的檢測方法有很多，但各有其優(yōu)缺點，如何選擇較為合理的方法使檢測的精確度高、定位準確、劣化狀態(tài)判定精確、所花費的人力物力最少是檢測較為關鍵的問題。Gross,W.等開發(fā)了天然氣管線泄漏位置的確定方法，通過檢測泄漏管線周圍甲烷在大氣中的分布，并通過光學調頻使紅外線成像，同時用計算機實時控制。此法已成功運用。Miller,R.K.等建立了用聲發(fā)射技術檢測管子氣體泄漏的參考標準。壓力及氣體注入與氣體泄漏有線性關系。此技術已應用于環(huán)境保護領域。Cho,Y.B等用直流電壓梯度法檢測陰極保護的埋地管表面涂層的缺陷，并提出將電壓梯度測量與電流中斷相結合可改善測量精度。管道在線檢測對管系的正常使用非常重要，歸納國內外的檢測方法大致可分為管內與管外檢測兩類。管內檢測裝置分為有索型和無索型兩種，管內檢測的發(fā)展趨勢為管道檢測移動機器人，它可攜帶多種傳感器及操作裝置。管外檢測主要為管道防護層漏點定位及定量檢測，通過向管線供入直流或交流信號，沿管線檢測電位、電流或磁場強度的變化來實現(xiàn)檢測目的。3.5.2管道失效評估國內對壓力管道的安全評定還處于起步階段，華東理工大學的李培寧等提出了局部減薄缺陷管道在彎曲與內壓載荷下的塑性失效評定方法及周向面型缺陷管道在拉、彎、扭、內壓聯(lián)合作用下的失效評定曲線族評定法及U因子評定法。PalmerJones,Roland等提供了非線性有限元法來研究由于熱膨脹引起管子橫向彎曲，從而在管子頂點產生應力，導致局部腐蝕的情況。分析時用了ABAQUS程序包，研究了一些參數(shù)對結果的靈敏性，并用有限元分析模擬了局部腐蝕引起的軸向彎曲應力，彎曲應變引起的低疲勞壽命等。陳浩峰利用塑性極限分析定理，將有限元法與數(shù)學規(guī)劃相結合，利用懲罰函數(shù)法引入塑性不可壓縮條件，發(fā)展了多組載荷系統(tǒng)下三維結構上、下限分析的數(shù)值計算方法。帥健等利用MonteCarlo模擬方法編制了斷裂失效概率的計算程序。結果表明四種斷裂判據(jù)在服役初期差別較小，而在后期差別較大；初始裂紋深度、斷裂韌性、流變應力和管道壁厚、概率分布類型等對管道裂紋失效概率的影響最大。佘建星等認為腐蝕是引起埋地輸油管道產生安全風險問題的主要原因，他結合管道腐蝕破壞機理和風險分析原理，運用模糊綜合評判方法，提出了可用于埋地輸油管道腐蝕風險評估的方法。3.5.3剩余壽命預測3.5.3.1基本理論腐蝕現(xiàn)象本質上具有概率的特性，尤其是孔蝕、縫隙腐蝕以及應力腐蝕破裂等局部腐蝕。石油管道的壽命并不取決于腐蝕的平均程度，局部腐蝕進展的最大深度才是管道壽命的最重要標志，而這些局部腐蝕進展的最大值所遵循的分布是極值分布。3.5.3.2局部腐蝕數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析對大慶油田典型油氣集輸管道進行檢測，獲得局部腐蝕區(qū)域腐蝕缺陷深度數(shù)據(jù)。局部腐蝕區(qū)域環(huán)向測試間距為20mm，軸向測試間距為15mm。(1)全體局部腐蝕數(shù)據(jù)的建立與驗證。利用數(shù)理統(tǒng)計方法及Matlab對全體局部腐蝕數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，腐蝕數(shù)據(jù)大致為一種兩參數(shù)威布爾分布，先對分布類型進行假設，然后用概率論知識進行驗證。由極大似然估計法，可求出尺度參數(shù)η=212927，形狀參數(shù)為β=113158。3.5.3.3最大局部腐蝕深度當腐蝕數(shù)據(jù)x服從極值分布F(x)時，初次測定到第N個試樣中x≥a的概率為P(N)，則P(N)=[1–F(a)]F(a)，由此求得N的平均值：===(3-11)因為F(a)<1，所以=1/[1–F(a)]≡T(a)，T(a)稱為回歸期。已知管線局部腐蝕區(qū)各點已腐蝕深度數(shù)據(jù)服從威布爾分布，即可認為全部局部腐蝕區(qū)最大腐蝕深度數(shù)據(jù)在檢測樣本足夠大時服從極值分布且是真實的。圖3-2最大腐蝕深度符合圖根據(jù)油田典型油氣集輸管道腐蝕缺陷深度數(shù)據(jù)檢測結果，選取每一個管道的最大腐蝕深度,利用數(shù)理統(tǒng)計方法及Matlab統(tǒng)計計算最大腐蝕深度的Gumbel概率。圖(3-7)為最大腐蝕深度與Gumbel概率的關系曲線。由圖(3-7)可看出數(shù)據(jù)點的直線擬合性很好,故可以認為最大腐蝕深度符合極值分布,直線擬合方程為：y=0.169x+0.253(3-12)由此可計算出輸油管道腐蝕缺陷深度的最大值為4.42mm。3.5.3.4剩余壽命預測(1)臨界腐蝕深度的計算。利用計算APIRP579輸油管道臨界缺陷尺寸，取管道外徑為D=273mm，管道壁厚取較小值6mm，屈服強度(σ)取最小值290MPa，該管線極限壓力P為116MPa，不考慮地區(qū)類別，按照100%屈服強度計算，安全系數(shù)取1.1，可得最小允許壁厚：A==0.828(3-13)故臨界腐蝕深度為:ΔA=A-A=6–0.828=5.172mm(3-14)(2)腐蝕剩余壽命的預測。對輸油管道進行壽命預測必須建立最大局部腐蝕進展深度與時間關系的公式。有研究者提出它們符合經驗公式x=kt+b。在許多情況下，該經驗式與局部腐蝕速度進展并不符合。最近對局部腐蝕速度進展的研究顯示它可通過以下形式表示：x=k·t(3-15)式中，t為腐蝕進展時間；x為t時刻測到的最大已腐蝕壁厚值；k為系