高 巖
(福建省三鋼(集團)有限責任公司,福建 三明 365000)
金屬腐蝕表現(xiàn)為:金屬被周圍介質(zhì)(諸如氣體、液體等)影響,受化學變化、物理溶解、電化學變化作用出現(xiàn)的破壞。同時,就金屬腐蝕而言,屬于涉及金屬材料、環(huán)境介質(zhì)的反應(yīng)作用體系。工業(yè)生產(chǎn)方面,處于地下的油、水、氣等輸送管道,以及通信電纜等,會出現(xiàn)腐蝕的情況,并導致油氣等產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等問題,進而形成直接經(jīng)濟損失,同時還有可能出現(xiàn)爆炸、火災(zāi)等較為嚴重的安全事故。
土壤屬于自然界中最為常見的一種外腐蝕劑。由于土壤之中涉及水分,因此可以將其作為包含腐蝕性的特殊電解液。常見土壤腐蝕主要為以下幾類。
1.1.1 土壤腐蝕
土壤出現(xiàn)腐蝕后,受不均勻金屬組織的影響,可能會形成微電池腐蝕,亦或是不均勻土壤導致的宏觀電池腐蝕[1]。對于不均勻氧滲透速度而言,主要是因為土壤存在的透氣性不同,進而影響其接觸金屬部分的電位,并引起氧濃度差電池,體現(xiàn)在以下方面:其一,微電池腐蝕。一般情況下,金屬構(gòu)件周圍土壤涉及到的水分、結(jié)構(gòu)、鹽分和含氧量屬于均勻的,此時出現(xiàn)微電池腐蝕,那么必定與不均勻金屬組織聯(lián)系緊密;其二,管道穿越不同土壤的過程中,可能會出現(xiàn)宏觀電池腐蝕的情況。對長距離管道予以鋪設(shè)的過程中,因為管道與金屬構(gòu)件會對各類土壤進行穿越,進而形成了氧濃差電池,其被埋于潮濕、緊密的土壤之中,同時作為陽極被腐蝕;其三,兩種不同金屬和土壤接觸之后形成的宏觀電池。鋼管自身包含的金屬與焊縫金屬成分存在一定差異,雙方在電位差方面可達0.275V,所以埋入地下之后,電位低的部分會出現(xiàn)腐蝕問題。例如,油田中管線焊口部位、新舊管線連接部位等,出現(xiàn)的腐蝕穿孔就指的是此種狀況;其四,受埋設(shè)深度影響產(chǎn)生的宏觀電池腐蝕。因為土壤埋深存在著差別,導致氧濃度會有一定的差異,即管線上部分和地面之間的距離更近,回填土沒有原土密實,因此氧氣濃度高,下部分土壤更加密實,氧濃度小,所以兩者在電極電位方面并不一致。其中,底部位置更低,為腐蝕電池陽極區(qū),進而容易出現(xiàn)腐蝕的情況。氧濃度差電池屬于導致地下管道外腐蝕情況的主要原因,即管道不同部位,因為氧含量存在不同,會導致金屬電極電位也出現(xiàn)不同,表現(xiàn)為偏高位置在氧濃度方面大,屬于腐蝕電池陰極;濃度小偏低,為陽極,極易被腐蝕。
1.1.2 雜散電流引起的土壤腐蝕
就雜散電流而言,指的是由正常電路失漏,流到別處的電流,主要來源于對大功率直流電氣裝置的使用,諸如電化學保護裝置、電鍍槽、有軌電車以及電氣火車等[2]。處于地下的電纜、管道以及金屬結(jié)構(gòu)等,均會因為此種雜散電流被腐蝕。對環(huán)路助力進行提高,能夠避免土壤受到雜散電流的影響,進而降低電流的腐蝕作用。
1.1.3 微生物引起的土壤腐蝕
土壤存在著濕度大、密實、含氧量等等特點,在此種環(huán)境中大多數(shù)微生物可以正常的生長和繁殖。就土壤微生物而言,一部分可以形成酸性物質(zhì)厭氧菌,進而導致金屬出現(xiàn)腐蝕的情況。
1.2.1 電化學腐蝕概念
電極指的是對電源兩端進行連接的金屬,兩端存在電位差,并且受其影響,金屬離子會向電源兩端進行移動,如果兩種金屬在穩(wěn)定性方面存在差異,那么穩(wěn)定性低的一方面會出現(xiàn)氧化的情況,進而出現(xiàn)腐蝕。
1.2.2 金屬的電化學腐蝕
與電解質(zhì)溶液進行接觸之后,金屬會發(fā)展成原電池,引起電化學腐蝕。比如,將鋅與銅作為電極,然后放置到硫酸溶液內(nèi),通過導線連接,進而構(gòu)建閉合回路,讓電流順利的通過導線,成為原電池裝置。通常狀況下,金屬表面存在各類雜質(zhì),因此就算是在電解質(zhì)溶液之中放入金屬,同樣會產(chǎn)生腐蝕原電池。雜質(zhì)對于金屬,陰極、陽極均有可能,會導致金屬表面產(chǎn)生許多微小腐蝕原電池,無法避免對金屬產(chǎn)生腐蝕。
對于金屬管線腐蝕而言,會對金屬管線經(jīng)濟收益產(chǎn)生影響,由于金屬管線極易產(chǎn)生腐蝕的情況,導致金屬管線損耗十分嚴重,不利于金屬管線的銷售,并降低金屬管線生產(chǎn)效益。所以,從事與金屬管線行業(yè)有關(guān)的企業(yè),應(yīng)注重對金屬管線防腐技術(shù)的研究。對于現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的金屬管線防腐技術(shù)而言,主要涉及防腐層與陰極保護技術(shù)。
就防腐層而言,指的是對不同材料特性予以綜合應(yīng)用的方式,涉及使用壽命長的特點,結(jié)合不同介質(zhì)條件,通常將非金屬材料在金屬管線表面進行敷設(shè)?,F(xiàn)階段,防腐涂層技術(shù)實現(xiàn)了較好的發(fā)展,煤焦油瓷漆、三層聚乙烯等實現(xiàn)了廣泛運用。比如,我國西氣東輸?shù)认嚓P(guān)工程,主要采取三層聚乙烯防腐層。對于距離較短以及變化頻繁的金屬管道,通常運用聚乙烯膠粘帶。冷彎管外防腐則大多采取雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層技術(shù)。由此可見,防腐涂料包含豐富的種類,不同種類在用途與性能上會存在差異。選用時應(yīng)考慮。
其一,基體表面材料性質(zhì)。涂層用底漆之中涉及許多的含粉料,基料少,成膜較為粗糙,與金屬管線粘附力強結(jié)合性好,起附著和防銹作用;而面漆中則包含許多基料,成膜方面光澤好,可以避免底漆遭受大氣腐蝕,同時還具備良好的抗分化能力,防老化、防腐蝕作用顯著。
其二,基體使用環(huán)境。對于防腐蝕涂料而言,其在環(huán)境針對性方面極強,應(yīng)結(jié)合實際運用環(huán)境,諸如介質(zhì)類似、設(shè)備、濃度、溫度等,選擇適宜的涂料品種。
其三,現(xiàn)場施工條件。應(yīng)立足于施工現(xiàn)場,對涂料種類予以選擇。例如,施工現(xiàn)場通風條件差,可運用無溶劑以及水性防腐蝕涂料。若現(xiàn)場不存在烘烤干燥條件,那么應(yīng)選擇自干型涂料。
其四,技術(shù)、經(jīng)濟綜合效果。除了需要對技術(shù)性能優(yōu)異性予以考慮之外,還需重視經(jīng)濟合理性。開展經(jīng)濟核算的過程中需綜合考慮維修、材料、施工費用,以及涂層性能。
2.2.1 陰極保護技術(shù)原理
對于陰極保護技術(shù)而言,其原理圖能夠通過圖1 進行闡述。如果沒有開展陰極保護,金屬腐蝕微電池陽極極化曲線EOA與陰極極化曲線EOC在S 點相交,此點對應(yīng)金屬自腐蝕電位Ecorr,對應(yīng)電流為金屬腐蝕電流Icorr。受腐蝕電流Icorr 的影響,微電池陽極被溶解,使得腐蝕破壞。另外,金屬進行陰極保護的過程中,受外加陰極電流I1的極化作用,金屬在總電位方面會從Ecorr 變負為E1 總的陰極電力Ic1內(nèi),某些電流屬于外加的,諸如I1,金屬陽極腐蝕則主要提供其它電流,如IA1。由此可見,金屬微電池在陽極電流IA1方面和原來的腐蝕電流Icorr 相比之下,出現(xiàn)了降低,即腐蝕速度放緩,進而保護了金屬。差值(Icorr-IA1)代表外加陰極極化之后,金屬上腐蝕微電池作用減小值,即腐蝕電流減小值,其可以被稱之為保護效應(yīng)。
圖1 陰極保護技術(shù)原理示意圖
金屬體系電位在外加陰極電流上升的情況下,會逐漸成負。如果金屬總電位等同于微電池陽極起始電位 EOA,那么金屬中的陽極電流則為零,同時所有電流屬于外加陰極電流IC外,此時陰極還原反應(yīng)會產(chǎn)生于金屬表面,并且金屬溶解反應(yīng)會終止,進而保護金屬。在此過程中,電位處在最小保護電位,此時需使用的外加電流密度指的是最小保護電流密度。
通過對以上內(nèi)容的總結(jié)可以得出如下結(jié)論,為了安全保護金屬,需要把陰極極化到腐蝕微電池陰極平衡電位。同時,要想實現(xiàn)良好的保護效果,運用的保護電位不能夠高于腐蝕微電池陽極平衡電位。
2.2.2 陰極保護技術(shù)直流電源的利用
對于外加電流陰極保護系統(tǒng)而言,由參比電極、電源設(shè)備、陰極通電點、輔助陽極、陽極路線等構(gòu)成。其中,陰極保護系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)和直流電源之間存在著緊密聯(lián)系。因此,加強研究陰極保護中運用到的直流電源,可提高直流電源工作性能,并讓管道陰極防腐效果得到增強。
2.2.3 常用的直流電源設(shè)備
要想確保接地體電流可以從土壤之中輸送進保護管路,需要將直流電源連接到陰極、陽極之間,并滿足電壓以及電流方面的相關(guān)要求,進而形成閉合電路[3]。并且,應(yīng)存在對電壓進行調(diào)節(jié)的可能。對于常用直流電源設(shè)備而言,主要涉及整流器設(shè)備與恒電位儀。其一,整流器設(shè)備。電動機——發(fā)電機組與變壓器——整流器電源屬于早期電源設(shè)備。由于普通交流電源變壓器——整流器不存在旋轉(zhuǎn)、滑動接觸部分,因此可靠性高于電動機——發(fā)電機組,同時存在諸多能夠進行選用的變壓器——整流器,并且容量不同。其中,橋式全波整流效果較好,在紋波系數(shù)單相方面不超過5%,三相則處在8%以下,升溫不可以高于85%。同時,把市電轉(zhuǎn)化成直流電硅整流器簡單可靠,在環(huán)境適應(yīng)性方面極強,通常可以長期運行,價格也十分便宜;缺點則表現(xiàn)為精度不高等,相關(guān)管理工作者需對通電點電位進行經(jīng)常性調(diào)節(jié)。其二,恒電位儀?,F(xiàn)階段,恒電位儀技術(shù)得到了普遍運用。如果管地電位、回路電阻產(chǎn)生較大變化情況,應(yīng)對恒電位儀予以使用。對于恒電位儀而言,需要確保在無人值守的狀況下自動調(diào)節(jié)輸出電流、電壓等,給定電位連續(xù)可調(diào)0.5-2.0V;電位控制精度則為±20mV;輸入阻抗不低于1MΩ;絕緣電阻不低于100MΩ;抗交流干擾能力不低于12V;耐點壓不低于750V;負載紋系數(shù)單相不超過5%,三相不超過8%;做好印刷電路防潮等相關(guān)工作。
綜上所述,金屬管線腐蝕影響著人們的生產(chǎn)生活,所以需通過正確的方式降低管理腐蝕,讓管線可以長時間使用。所以,了解和探究各類腐蝕機理,有利于減輕防腐情況,本文主要探究了金屬管線腐蝕機理與防腐技術(shù),旨在促進相關(guān)企業(yè)或單位經(jīng)濟利益的提高,但還需不斷的對新防腐技術(shù)進行開發(fā)。