金属腐蚀与防护-05-第四章腐蚀控制方法.ppt
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4腐蚀控制方法,CONTENT,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构4.2缓蚀剂4.3电化学保护4.4表面保护覆盖层,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构,4.1.1正确选用金属材料和加工工艺4.1.2合理设计金属结构,4.1.1正确选用金属材料和加工工艺,选材时不单纯追求强度指标,而根据情况综合考虑,包括耐蚀性和经济性对初选材料应查明其腐蚀类型敏感性;在选用部位发生腐蚀的类型和可能性;与接触的材料是否相同,是否可能发生接触腐蚀;承受应力的类型、大小和方向等在容易产生腐蚀和不易维护的部位应选择高耐蚀性的材料选择腐蚀倾向小的材料和热处理方法选用杂志含量低的材料,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构,4.1.1正确选用金属材料和加工工艺4.1.2合理设计金属结构,4.1.2合理设计金属结构,设计合理性腐蚀敏感性(应力、接触、均匀、缝隙和微生物),4.1.2合理设计金属结构,外形力求简单采用密闭结构能积水地方设置排水孔布置合适的通风孔避免尖角、凹槽、缝隙连接结合面有隔离层,少用吸水性强的材料避免应力腐蚀避免不同金属相互接触;处理结合面防止零部件应力集中局部受热,控制材料最大允许使用应力,CONTENT,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构4.2缓蚀剂4.3电化学保护4.4表面保护覆盖层,4.2缓蚀剂,4.2.1概述4.2.2缓蚀剂的分类4.2.3缓蚀剂的作用机理4.2.4缓释剂的选择和应用,是一些用于腐蚀环境中抑制金属腐蚀的添加剂。
缓蚀剂是一些少量加入腐蚀介质中就能显著减缓或阻止金属腐蚀的物质,也叫腐蚀抑制剂(CorrosionInhibitor)。
原理:
缓蚀物质在金属与溶液介面上产生了某种作用,阻滞了腐蚀过程,而并非使腐蚀体系的本质发生改变。
加入量:
0.1%1%。
缓蚀剂保护有强烈地选择性。
4.2.1缓蚀剂概述,优点:
用量少、见效快、成本较低、使用方便。
缺点:
只适用于腐蚀介质的体积量有限的情况下,例如电镀和喷漆前金属的酸洗除锈、锅炉内壁的化学清洗、油气井的酸化、内燃机及工业冷却水的防腐蚀处理和金属产品的工序间防锈和产品包装等;但对于钻井平台、码头、桥梁等敞开体系,则不适用。
目前已广泛应用于机械、化工、电子、能源等许多部门。
例如酸洗过程中硫酸和盐酸除去钢铁表面氧化皮的同时,也会使金属本身溶解;若加入适当的缓蚀剂,则可抑制金属本身过分的腐蚀,4.2.1缓蚀剂概述,4.2缓蚀剂,4.2.1概述4.2.2缓蚀剂的分类4.2.3缓蚀剂的作用机理4.2.4缓释剂的选择和应用,4.2.1缓蚀剂的分类,4.2.1缓蚀剂的分类,4.2.1缓蚀剂的分类,4.2.1缓蚀剂的分类,4.2缓蚀剂,4.2.1概述4.2.2缓蚀剂的分类4.2.3缓蚀剂的作用机理4.2.4缓蚀剂的选择和应用,
(1)氧化型缓蚀剂促使金属阳极钝化,可使腐蚀金属的电位正移进入钝化曲线的钝化区。
本身是氧化剂。
添加量必须超过某临界值;若不足,易加速腐蚀or造成局部腐蚀
(2)沉淀型缓蚀剂能和金属表面阳极部分溶解的金属离子生成难溶性化合物,沉淀在阳极的表面或者修补氧化膜的破损处,抑制阳极反应本身是非氧化性物质。
要有O2等去极剂存在时才起作用,1阳极型缓蚀剂作用机理,在金属表面形成沉淀膜,覆盖阴极表面,阻碍氧的扩散或提高氧化H+还原反应的过电位,使腐蚀速度降低。
(1)氧化型缓蚀剂缓蚀剂的阳离子向腐蚀微电池的阴极迁移,与阴极产生的OH-反应,形成OH化物或碳酸盐沉淀膜,阻碍氧向阴极扩散,提高阴极过电位,降低腐蚀(ZnSO4,Ca(HCO3)等)
(2)沉淀型缓蚀剂能和金属表面阳极部分溶解的金属离子生成难溶性化合物,沉淀在极的表面或者修补氧化膜的破损处,抑制阳极反应本身是非氧化性物质。
要有O2等去极剂存在时才起作用,2阴极型缓蚀剂作用机理,缓蚀效率计算,4.2缓蚀剂,4.2.1概述4.2.2缓蚀剂的分类4.2.3缓蚀剂的作用机理4.2.4缓蚀剂的选择和应用,
(1)应根据所要防护的金属及其所处的腐蚀性介质性质来选取不同的缓蚀剂。
(2)该缓蚀剂应与腐蚀介质具有较好的相溶性,且在介质中具有一定的分散能力,才能有效到达金属表面,发挥缓蚀功能。
为做到这点,常在缓蚀剂中添加少量表面活性剂,或在缓蚀剂分子上联接亲水性的极性基团。
(3)缓蚀剂的用量要少,缓蚀效果要好,才能使缓蚀防蚀具有经济性。
为提高缓蚀效果,往往采取多种缓蚀剂复配,这就是协同效应。
(4)缓蚀剂除缓蚀功能外,还应考虑到工业体系的总体效果,例如环保、阻垢、灭菌等。
4.2.4缓蚀剂选用原则及评价方法1、选用原则,缓蚀剂的缓蚀效果的评价、缓蚀剂的筛选和复配等均可采用经典的失重法、电化学方法及其他更先进的光谱法、表面谱法来评估。
(1)失重法最常用的、最简单的测定缓蚀剂缓蚀效果的方法。
可通过试验室模拟缓蚀介质环境和现场试验来进行。
分别测取金属在空白条件下(未加缓蚀剂)和加人缓蚀剂后的腐蚀介质中的腐蚀失重,从而确定其腐蚀速率,再比较缓蚀剂的缓蚀效果。
也可进行缓蚀剂配方的筛选,缓蚀剂浓度的选用,用量、失效期的测定及复配物的选择。
4.2.4缓蚀剂选用原则及评价方法2、评价方法,
(2)电化学法可在实验室条件下,快速便捷地测定金属的腐蚀速率。
因此也可用电化学方法来评估、筛选缓蚀剂。
电化学方法采用电化学极化手段,利用电化学动力学理论和测试手段,通过对缓蚀剂加人前后在腐蚀介质中金属表面的极化特征的研究,以及利用Tafel曲线外推法和极化电阻法对金属腐蚀速率的测定,来评价金属在缓蚀剂中的缓蚀性的优劣。
4.2.4缓蚀剂选用原则及评价方法2、评价方法,(3)光谱法和表面谱法随着近年来物质结构测试仪器的普及,采用光谱法和表面谱法对添加缓蚀剂后金属表面膜结构的作用和研究,已成为评价缓蚀剂的现代化手段和技术。
例如利用吸收光谱、拉曼散射光膜、X线光电子能谱和俄歇电子能谱等技术。
4.2.4缓蚀剂选用原则及评价方法2、评价方法,理论,测试和计算方法的研究及进展中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会于1981年在武汉成立,挂靠华中科技大学1、缓蚀剂研究的新方法新技术恒电位恒电流(PG)瞬态响应测量技术光电化学方法研究缓蚀剂谐被分析法研究缓蚀剂载波器法研究油溶性缓蚀剂穆斯尔谱方法研究缓蚀剂MottSchottkyltulu图方法研究缓蚀剂的电化学测试技术,缓蚀剂的研究现状及其应用,2、常用缓蚀剂介绍
(1)酸性介质缓蚀剂石油工业常遇到酸性腐蚀环境,如井下油管表面酸化处理,锅炉的清洗除垢,集输管道中的油气由于含有H2S、H2O或CO2等物质。
这些成分构成的酸性介质环境均可对管道设备等造成极大的威胁,采用缓蚀剂防护是切实可行的防护方法。
(2)中性介质缓蚀剂冷却水、锅炉水、污水及中性盐类水溶液(如海水等),均属中性介质,有机溶液也属中性介质。
在中性介质水溶液中的腐蚀,大部分都是由溶解氧引起的腐蚀,常采用氧化膜型和沉淀膜型缓蚀剂。
常用的有铬酸盐类、聚磷酸盐、硅酸盐、锌盐、有机磷酸盐、有机磷酸脂类等。
缓蚀剂的研究现状及其应用,3、缓蚀剂在油气管道中的应用缓蚀剂在石油系统应用范围十分广泛,如油田集输系统。
注水系统、油气处理装置、工业循环水冷却系统等。
由于天然气中含有H2S、CO2、H2O等有害成分,对管道内壁造成了严重的内腐蚀。
我国输气干线曾多次发生管道的爆炸、泄漏事故,造成巨大经济损失。
因此四川石油管理局十分重视在输气管道内部使用的缓蚀剂的开发与应用研究,并成功地应用于输气管道的防护。
缓蚀剂的研究现状及其应用,
(1)输气管道应用的缓蚀剂CT2-2缓蚀剂CT2-2型缓蚀剂属阴极成膜型有机缓蚀剂,棕褐色粘稠状液体,有微胺味,溶于烃类,并能分散于水和盐水中。
经过现场试验表明,CT2-2的缓蚀率在90以上,管道内壁的缓蚀速率由0.78mma降到0.069mma以下。
CT2-2不仅适用于输气于线,还适用于天然气井。
压气站等;对H2S、CO2等酸性气体的腐蚀有显著缓蚀功能GP-1缓蚀剂GP-1型缓蚀剂是用于输气管道的酰胺型缓蚀剂,是一种同时阻滞阳极、阴极过程的混合型缓蚀剂。
挂片失重和线性极化法试验均证明了GP-l型缓蚀剂在NaCl-H2S-H2O介质中对管道钢材具有较高的缓蚀功能,其缓蚀率可达90以上。
同时现场试验证明其对点蚀和氢渗透的抑制能力较强,广泛适用于含硫油气井及合硫天然气集输管线。
缓蚀剂的研究现状及其应用,
(2)输油管道应用的缓蚀剂当输油管道中存在H2S、CO2、Cl-及水等腐蚀性介质时,采用缓蚀剂防蚀也是十分必要的。
例如我国南海西部石油公司一条海洋集输油管线,内壁的腐蚀介质中含有H2S1700mg/L;CO22.5;Cl-16600mgL;操作条件为60,1.31.5MPa。
为抑制内腐蚀,CT2-4缓蚀剂经试验证明只需25mgL以上即可达到保护。
缓蚀剂的研究现状及其应用,CONTENT,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构4.2缓蚀剂4.3电化学保护4.4表面保护覆盖层,4.3电化学腐蚀,4.3.1阴极保护4.3.2阳极保护,4.3.1阴极保护,阴极保护(极化)将阴极电位向负值移动到其腐蚀电池的阳极平衡电位以下,即向被保护的金属通以足够的阴极电流,对金属表面进行阴极极化,减少或消除造成金属腐蚀的各种腐蚀原电池的电极电位差,使阳极溶解速度降低,甚至极化到非腐蚀区金属完全不腐蚀(腐蚀电流趋于零),进而达到阻止金属腐蚀的目的。
(经济效益显著)阳极保护将金属电位向正值移动到其致钝电位以上,即在金属表面上通入足够的阳极电流(电位),使金属电位达到并保持在钝化区内从而防止腐蚀。
4.3.1阴极保护,阴极保护原理,O,通外电后,E1,IP,I,未通电流前,EA0阳极平衡电位;EC0阴极平衡电位EC自然腐蚀电位;IC自然腐蚀电流I对应电位的腐蚀电流;IP最小保护电流,C,D,P,结论:
要使金属得到保护,必须把阴极极化到其腐蚀电池阳极的平衡电位,4.3.1阴极保护,阴极保护的应用条件,环境介质必须能够导电,是极化电流回路的一部分。
被保护金属容易阴极极化。
被保护构件形状和结构不太复杂,无“遮蔽或屏蔽现象”。
具有钝化膜且钝化膜能显著影响腐蚀速率的金属设备不宜。
对于既有氢脆敏感性的金属材料,不宜采用应将保护系统和周围环境绝缘,避免保护电流流失,4.3.1阴极保护,阴极保护两种方法,牺牲阳极保护用一种腐蚀电位比被保护金属的腐蚀电位更负的金属组成短路电偶电池,电位更负的金属为阳极,溶解,而电位较正的金属受到保护。
阳极,阴极,4.3.1阴极保护,阴极保护两种方法,外加电流阴极保护利用外部直流电源提供阴极极化电流,使阴极电位向负方向变化而金属受到保护。
外部电源的负极接被保护金属,正极接辅助阳极,辅助阳极的作用是为了构成电的完整回路。
4.3.1阴极保护,阴极保护两种方法,牺牲阳极保护优点:
A:
一次投资费用偏低,且在运行过程中基本上不需要支付维护费用B:
保护电流的利用率较高,不会产生过保护C:
对邻近的地下金属设施无干扰影响,适用于厂区和无电源的长输管道,以及小规模的分散管道保护D:
具有接地和保护兼顾的作用E:
施工技术简单,平时不需要特殊专业维护管理。
4.3.1阴极保护,牺牲阳极阴极保护优点:
A:
一次投资费用偏低,且在运行过程中基本上不需要支付维护费用B:
保护电流的利用率较高,不会产生过保护C:
对邻近的地下金属设施无干扰影响,适用于厂区和无电源的长输管道,以及小规模的分散管道保护D:
具有接地和保护兼顾的作用E:
施工技术简单,平时不需要特殊专业维护管理。
缺点:
A:
驱动电位低,保护电流调节范围窄,保护范围小B:
使用范围受土壤电阻率的限制,即土壤电阻率大于50m时,一般不宜选用牺牲阳极保护法C:
在存在强烈杂散电流干扰区,尤其受交流干扰时,阳极性能有可能发生逆转D:
有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制,需要定期更换,4.3.1阴极保护,强制电流阴极保护优点:
A:
驱动电压高,能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流输出量,适用于保护范围较大的场合B:
在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用C:
选用不溶性或微溶性辅助阳极时,可进行长期的阴极保护D:
每个辅助阳极床的保护范围大,当管道防腐层质量良好时,一个阴极保护站的保护范围可达数十公里E:
对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护缺点:
A:
一次性投资费用偏高,而且运行过程中需要支付电费B:
阴极保护系统运行过程中,需要严格的专业维护管理C:
离不开外部电源,需常年外供电D:
对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用,4.3.1阴极保护,阴极保护的基本参数,阴极保护中,判断金属是否达到完全保护,通常用测定保护电位的方法。
为了达到必要的保护电位,则要通过控制电流密度来实现。
最小保护电位和合理保护电位可估算;大多通过实验确定。
最小保护电位:
通过阴极极化使金属结构达到完全保护的所需达到的最小电位值合理保护电位:
通过阴极极化使金属结构达到有效保护的所需达到的电位值阴极保护电位并非越负越好。
超过规定的范围,除浪费电能外,还可引起析氢,导致附近介质的pH升高,破坏漆膜,甚至引起金属氢脆,4.3.1阴极保护,阴极保护的基本参数,阴极保护中,判断金属是否达到完全保护,通常用测定保护电位的方法。
为了达到必要的保护电位,则要通过控制电流密度来实现。
最小保护电流密度:
使金属得到完全保护(最小保护电位)所需的阴极极化电流密度大小受多种因素影响,金属种类、表面状态,有无保护膜,漆膜损失程度、腐蚀介质环境、总电阻等。
4.3.1阴极保护,阴极保护的基本参数,阴极保护中,判断金属是否达到完全保护,通常用测定保护电位的方法。
为了达到必要的保护电位,则要通过控制电流密度来实现。
保护程度保护效率,未保护时的金属腐蚀电流密度,保护时的金属腐蚀电流密度,外加电流密度,4.3电化学腐蚀,4.3.1阴极保护4.3.2阳极保护,4.3.2阳极保护,原理:
通过外加电流使被保护金属进行阳极极化,使其电位处于稳定的钝化区的降低腐蚀程度的电化学保护方法。
方法:
将金属构件接在外加电源正极上,将另一辅助电极接在外接电源的负极构成回路。
4.3.2阳极保护,阳极保护途径
(1)用外电源进行阳极极化使电位移到钝化区;
(2)在溶液中加入足够氧化剂,使金属钝化;(3)改变材料性质使其更容易发生钝化或发生自钝性。
如合金的阴极改性处理主要参数致钝电流密度;维钝电流密度;钝化区电位范围局限性对于不能钝化体系或在含CL-的介质中阳极保护不能用,CONTENT,4.1正确选用金属材料和合理设计金属结构4.2缓蚀剂4.3电化学保护4.4表面保护覆盖层,外部覆盖层的基本要求,等级,基本要求,良好的粘接性良好的电绝缘性良好的防水性良好的化学稳定性足够的机械性能和韧性,耐热和抗低温脆性耐阴极剥离性能好抗微生物腐蚀破损后易修复廉价且便于施工,外部覆盖层的分类,覆盖层,有机涂层,非金属涂层,金属涂层,装饰耐磨损耐腐蚀,我国目前常使用的管道外防腐涂层,石油沥青环氧煤沥青煤焦油瓷漆环氧粉末3层PE结构等。
造价低廉,但性能一般,结构性能较好,但造价较高,选择外防腐涂层的原则,确保管道防腐绝缘性能,在此基础上考虑施工方便、经济合理等因素,通过经济技术综合分析与评价确定最佳方案。
技术可行:
环境腐蚀,安全运行、施工环境、施工工艺经济合理:
经济分析、结合国情、市场价格变动因地制宜:
穿过环境差异很大的地域时,可根据需要选用不同的防腐层,外防腐涂层的选用,外防腐涂层,环境,多石段或河流穿越段,熔结环氧;挤出聚乙烯;双层or三层聚乙烯等,Cl化物盐渍土壤,沼泽地带,碳酸盐型土壤,熔结环氧、挤出聚乙烯;煤焦油瓷漆等,挤出聚乙烯;煤焦油瓷漆等,石油沥青;聚乙烯粘胶带等,介质高温,熔结环氧;改性聚丙烯等,沙漠、极地,熔结环氧;聚乙烯冷缠胶带;三层聚乙烯;or煤焦油玻璃布;焦油毡,外防腐涂层的维护,手段一:
埋地管道防腐层缺陷检漏,目的:
在不开挖管道的情况下,通过地面检测找出防腐层破损和缺陷,进而有针对性地开挖修补,维护手段,方法:
连续测定距离两点间的电位差,找到电位差最大的一点。
方法原理,外防腐涂层的维护,手段二:
防腐层绝缘电阻的测定及管理,目的:
从防腐层的防腐机理出发,测定其对地绝缘电阻,对比该测量参数的变化,从而了解其综合状态,防腐层绝缘电阻测量方法:
抹布法;直流法;变频选频法测量防腐层绝缘电阻技术,维护手段,方法原理,Elements,
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