CN86100581A - 架空金属管道阴极保护装置 - Google Patents

Abstract

“架空金属管道的阴极保护装置”，包括保护结构(欲保护的金属管道作阴极，固体电解质涂层作连续相，电子导电涂层作辅助阳极)、保护电位测量系统(包括石墨固体参比电极、阻抗变换器以及数字电压表)和直流电源供电系统(恒电位仪)。接通电源后，就可使架空金属管道借助于固体电解质层，依靠外加电流使被保护金属阴极极化到某一定值腐蚀即被抑制。

本发明对暴露在气相环境中的各种架空金属管道，金属容器、大型铁路桥梁及海洋平台飞溅区金属构件均适用。

Description

本发明所涉及的是一种金属电化学防腐蚀装置。特别是只须在金属表面涂敷一层固体电解质涂料，（形成固体电解质层），和涂敷一层电子导电辅助阳极材料（形成阳极层）在被保护金属（即阴极）和阳极层之间施加一直流电源，外加一定的阴极电流后，阴极极化到一定程度，即可使其获得可靠的阴极保护。该种装置适用于架空金属管道的阴极保护。

现有的阴极保护技术已延用了一个多世纪，成为一套为国际公认的较成熟的阴极保护技术。被广泛地应用于水下金属构件、地下输油（气）管线、地下电缆、地下金属贮罐等金属构件的保护。这种技术的原理是：把处于连续相电解质（土壤、海水）中的被保护金属作为阴极，增设辅助阳极，通电后，使被保护金属阴极极化到一定程度而减缓或抑制腐蚀的一种阴极保护技术。但，这种技术有以下缺点：（1）其阴极保护系统中，阳极表面积远小于阴极表面积，即用较小的阳极面积就可保护大面积范围的阴极金属体，也正因此，阳极流向阴极的电流分布不均匀，在阴极表面电位存在着电位梯度分布，在一定条件下，远阳极（或分散阳极）可减小这种梯度差（使这种梯度差时最低（或最高）电位均在安全保护电位的范围。）;同时也会导致阴极保护电流流进邻近（非保护体）的金属构件，使其遭到电化学腐蚀，阴极保护电流，流失严重时还会影响原阴极保护技术的实施。（2）此外，在某些场合需要增设绝缘法兰，对保护区和非保护区进行电绝缘，以提高保护效果，（3）更重要的是不能对处于气相环境中的金属构件进行保护（日本专利昭48-10439    1973，4，3，及美国专利2847375，1958，8，12，）（国际石油工程会议论文集四，1982，3，SPE9986，SPE9983）。

1985.4.1.提交的国内发明专利申请号85100697，名称为“离子导体防腐蚀涂料及对暴露在汽相中金属的防腐保护”，仅提供了防腐涂料β″-Al₂O₃的配料及其对16锰钢的保护。其核心是：以快离子导体（β″-Al₂O₃）为基础加入适当的胶（以A15N作粘结剂）作为防腐蚀涂料;以光谱石墨作为参比电极进行阴极保护的实验室技术。

该技术存在的问题是：1.以β″-Al₂O₃（A15N）涂料作成涂层后，不能经受极限潮湿态的考验，並且没有考虑β″-Al₂O₃（A15N）涂料在潮湿态时与阴极保护共同作用的性能，致使2.当涂层通过施加阴极保护电流（1.15V电位，甘汞参比）历时30分钟至4小时，β″-Al₂O₅A15N涂层表面即呈棉絮状，並与钢板出现不同程度剥脱，因此，无法实地使用;3.停止阴极保护后12小时，试件即严重生锈。4.β″-Al₂O₃A15N涂料存放在塑料编织袋内不到2个月即把袋烂坏。5.只有实验室试验数据，没有实用的配套防腐蚀装置，现场无法实施该技术。6.该发明认为β″Al₂O₃A15N涂料可保护金属基材，实质是：β″-Al₂O₃-A15N涂料单独作为涂层是要腐蚀金属基材的，此观点与实际相矛盾。

世界上有大量的金属构件裸露在大气中。由于这些金属的表面是空气介质，或者，其表面虽有一层薄的电解质（如下大雨或结露等），但因电解质不能形成连续相，所以，一直成为国内外阴极保护的禁区。

本发明的目的，在于提供一种新的阴极保护技术，即将大气环境中的金属表面人造一层连续相固体电解质涂层，用导电性能优良的石墨涂层作辅助阳极，並用特制的恒电位仪，作为稳定可靠的极化电源，使这类金属构件得到阴极保护。消除对邻近非保护区的干扰，不需要采用相应的防干扰措施即可提供稳定、简便、优质、可靠的阴极保护。

本发明的技术内容，包括：保护结构、电源供电系统和保护电位测量系统三大部份。

1.保护结构有三层：

内层-欲保护的架空金属构件，作阴极;

中层-固体电解质涂料，做连续相，涂敷在金属构件表面，随后，将固体参比电极牢固地粘结在涂料上，並对接界面以外的部份，用绝缘材料封装;

外层-涂敷一层电子导电的辅助阳极涂层于固体电解质涂层上。

三层之间的面积比为1∶1∶1。

2.直流电源供电系统：采用本发明所研制的专用恒电位仪（PS-2型）作为电源的供电系统。该恒电位仪有较高的输入阻抗（≥10¹¹欧姆），有从毫微安级到几十安培级电流输出的波动范围，恒定电位的误差不大于10毫伏。有较高的频率响应特性（频率响应范围是：10^-3-10³赫/秒）和多接点（13个）电位监测，以及保护参数电脑打印记录装置（即定时巡回打印记录仪，可同时记录年、月、日、时、分、秒、输入电流、电压、通电点电位φ₀及13个监测点电位（φ₁-φ₁₃））。

3.保护电位测量系统：包括三个组成部份：（1）固体石墨参比电极;（2）阻抗变换器（包括引线）;（3）数字电位表。金属管道在固体电解质层中的保护电位用掩埋在固体电解质中的固体参比电极来测量。它是测量保护电位的基准电极。由于固体电解质的电子电导较低，直接用低阻抗电位表测量电位有很大的误差。因此，在电位测量系统中使用了阻抗变换器，以确保电位的测量精度，使流经参比电极的电流≤0.1微安时，其固体参比电极的电位漂移不大于20毫伏;确保在远距离范围测量电位时，电位漂移也不大于20毫伏。此特点使PS-2型恒定电位仪能同时监测13个点的保护电位。

欲保护的金属管道作为阴极与直流电源的负极相接;辅助阳极与电源正极相接。

当电路接通后，外加电流从电源正极经辅助阳极流向固体电解质，再从固体电解质流经被保护金属管道而回到电源负极。当被保护金属管道在固体电解质中阴极极化到一定程度（腐蚀电池的阳极起始电位）时，腐蚀就被抑制，即实现了阴极保护。

本发明的效果如下：

首次成功地将阴极保护技术应用于各种架空金属管道，填补了国内外架空金属管道阴极保护的空白。对节约钢材，节省人力、物力及财力的消耗，效果显著。全世界有80%金属暴露在大气环境中;化工系统有70%管道，长距离输油管中有2%管道暴露在大气中，若使这些金属管道的2%按本发明的技术实施阴极保护，至少延长寿命一倍。可节约石油、化工每年用于维修和更换的钢铁8000吨。按2000年总产值为28000亿其损失为2%计算，其可节省人民币11.2亿元。全国可节省钢铁18万吨。因输油管道的腐蚀穿孔而引起的火灾、爆炸等事故所造成的间接损失则更可观。使用本发明的技术，这样巨大的损失可以完全避免。

本发明结构合理，操作方便。除适用于大气环境中石油、化工的架空金属管道外，也适用于海洋大气中的海洋平台飞溅区的海洋金属构件，大型铁路桥梁、金属容器（二性金属除外）等。它们即是本发明内容中保护结构内所指的阴、阳欲保护金属构件。

以下结合附图，详细介绍本发明的实施情况。

实施例1.保护结构的制作

图1为架空金属管道的阴极保护技术原理图。

图中〔1〕-极化电源

〔2〕-阳极引线

〔3〕-电子导电辅助阳极层（石墨或石墨制件、镁、铝、锌等材料）

〔4〕-固体电解质涂层（CK-1    CK-1A    CK-1B    CK-2）

〔5〕-被保护的金属管道（阴极）

〔6〕-阴极引线

〔7〕-外加电流的流动方向

将欲保护的金属管道、固体电解质涂层及电子导电涂层（辅助阳极层）按1∶1∶1的面积比构成保护结构。

固体电解质涂料用喷涂或括涂等工艺直接涂敷在经除锈和清洁的金属件表面，固化前，将固体参比电极埋入涂料中，引出引线，固化后即在管道表面形成一层结合牢固、耐腐蚀的固体电解质涂层。再将电子导电涂料，用喷涂、括涂等工艺涂敷在固体电解质涂层的表面，固化后，形成一层导电性能优良的辅助阳极层。

实施例2.架空金属管道阴极保护技术的实施

图2为阴极保护实施装置图。

图中〔1〕-直流电源供电设备（极化电源）

〔2〕-阻抗变换器（由正负电源供电的集成电路电压跟随器组成）

〔3〕-固体参比电极（合金锌、石墨、或与被保护体同种材质的金属）

〔4〕-架空金属管道（阴极）

〔5〕-固体电解质涂层

〔6〕-辅助阳极层（阳极）

〔7〕-阳极接头

〔8〕-阴极接头

将直流电源供电设备〔1〕上的参比接点与固体参比电极〔3〕相连，其间接-阻抗变换器〔2〕。将电子导电阳极层〔6〕上的阳极接头〔7〕与〔1〕中的阳极相接。其间通过的电流用电流表测量。位于架空管道〔4〕上的阴极接头〔8〕与恒电位仪阴接接头相接。在阴极保护过程中，阴阳两极间所施加的电压范围是1伏-30伏。电流为毫微安到安培。

阴极的保护电位用粘敷在固体电解质涂层中的固体参比电极来测量。由于固体电解质的电子电导较低，不可直接用低阻抗（如1兆欧）电位表测量电位，以免产生很大的误差。本技术中采用了阻抗变换器〔2〕，以确保电位测量的误差。其误差范围是在流经参比电极的电流≤0.1微安时，石墨参比电极的电位偏移不大于20毫伏。其保护效果用最佳保护电位在偏移自然电位0.7-1.8伏范围控制。一般电位可在偏移自然电位0.5-2.5伏范围，电流密度在毫微安～毫安/厘米²范围。

图3是PS-2型固体电解质恒电位仪原理图。

图中CPU    微处理机

PRT    打印机

DE    数字显示表

CA    I/O微处理机输入输出接口

IC₁集成电路差动运算放大器

IC₂极化电压取样电路

IC₃极化电流取样电路

IC₄控制参比电极阻抗变换器

IC₅测量参比电极阻抗变换器

φ₀控制参比电位讯号

φ₁-φ₁₃13个监测点测量参比电位讯号

U    极化电压讯号

I    极化电流讯号

RE    石墨参比电极

WE    被保护体金属-阴极

QE    辅助阳极

E    极化电源

R    电压取样电阻

R    电流取样电阻

U_i给定电位讯号

恒电位仪是确保被保护体金属在阴极保护时能恒定在某一指定电位的重要仪器。它是利用集成电路差动运算放大器经过比较运算后，使参比电极与被保护体金属之间电位，即控制参比电位讯号φ₀等于给定电位指令信号U_i，前者自动跟踪后者，而达到恒定电位的目的。同时，由极化电压取样电路IC₂，极化电流取样电路IC₃以及电压跟随器组成的阻抗变抗器IC₄，IC₅分别把极化电压讯号U，极化电流讯号I，控制参比电位讯号φ₀和13个监测点的测量参比电位讯号φ₁-φ₁₃通过微处理机输入输出接口CAI/I₀依时序在数字表DE上显示，同时通过微处理机CPU，根据时钟控制器设定，控制打印机打印（PRT）。

实施例3.固体电解质涂料及阳极层涂料的配制

附表1固体电解质涂料的配制及成分配比。

附表2阳极层涂料配制及配比范围。

固体电解质粉是β″（β）-氧化铝、磷锆硅酸钠、碘化银、氧化锆;

无剂粘结剂是硅酸钠（适用于较高温度的环境）;

有机粘结剂是环氧胶、聚氨酯胶、有机硅胶，（适用于较低温度的环境）;

固化剂是T₃₁、T₃₃、T_K;

石墨涂料成分是：石墨粉加粘结剂717;

石墨压制件、镁、铝、锌等也可以辅助阳极层材料。

Claims (6)

1、一种架空金属管道的阴极保护装置，其特征在于由下列三部分组成：

a)保护结构(包括欲保护的金属构件做阴极，固体电解质涂层(固体参比电极粘结其上)做连续相、电子导电辅助阳极层做阳极)；

b)保护电位测量系统(包括固体参比电极、阻抗变换器(包括引线)、数字电压表)；

c)直流电源供电系统(恒电位仪)。

2、根据权利要求1所述的阴极保护装置，其特征在于：

a）保护结构中的欲保护金属构件，可以是处于大气环境中的化工、石油架空金属管道、金属容器（二性金属除外）;海洋平台飞溅区的海洋金属构件、大型铁路桥梁;

b）做固体电解质涂层的涂料是：CK-1，CK-1A，CK-1B，CK-2;

c）电子导电辅助阳极层是：石墨涂料及石墨压制件、镁、铝、锌。

3、根据权利要求1所述的阴极保护技术，其特征在于：

A.固体参比电极是：

a）由光谱石墨、合金锌、与被保护体同种材质的金属做成;

b）掩埋在固体电解质涂层中，並与其牢固粘结;

c）其电位不能因测量时有≤0.1微安电流流过而使所测电位发生大于20毫伏的漂移;

B.保护电位测量系统中，必须有阻抗变换器：

a）阻抗变换器由正负电源供电的集成电路电压跟随器组成;

b）确保电位测量的误差，在流经参比电极的电流为≤0.1微安时，固体参比电极的电位偏移不大于20毫伏;

c）对多接点（13个）电位监测，其电位漂移不大于20毫伏;

C.直流电源供电系统是恒电位仪：

a）有较高的输入阻抗（≥10″欧姆）;

b）电流输出的波动范围是毫微安-几十安培;

c）恒定电位的误差不大于10毫伏;

d）有较高的频率响应特性（频率响应范围是：10^-3-10³赫/秒）;

e）有多接点（13个）电位监测;

f）保护参数电脑打印记录装置（即定时巡回打印记录仪），可同时记录年、月、日、时、分、秒、输入电流、电压、通电点电位（φ）及13个监测点电位（φ₁-φ₁₃）。

4、根据权利要求2所述的阴极保护技术，其特征在于：

A.固体电解质涂料CK-1，CK-2，CK-1A，CK-1B的成份是：

a）固体电解质粉（S）：β″（β）-氧化铝、磷锆硅酸钠、碘化银、氧化锆;

b）粘结剂（T）是：硅酸钠胶、环氧胶、聚氨酯胶、有机硅胶;

c）固化剂（U）是：T₃₁、T₃₃、T_K，按一定比例配制;

B.石墨涂料的成份是：石墨粉（R）、粘结剂（T）717（有机）、石墨压制件及镁、铝、锌也可做辅助阳极层材料;

C.无机粘结剂适用于较高温度的环境;

有机粘结剂适用于较低温度的环境。

5、根据权利要求4所述的阴极保护技术，其特征在于各种固体电解质涂料及阳极层材料的配比范围，粉料粒度要求及适用的环境、温度是：

A.固体电解质涂料的配制：

a）CK-1A

T∶S（重量比）为1∶1.5-1∶8

U∶T（重量%）为15-35

粒度：40-200目

适用0～80度（摄氏）的海洋、弱酸弱碱环境;

b）CK-1B

T∶S（重量比）为1∶1.5-1∶8

U∶T（重量%）为15-35

粒度：40-200目

适用-10～50度（摄氏）的潮湿、海洋、弱酸、弱碱性环境;

c）CK-1

T∶S（重量比）为1∶0.8-1∶6

U∶T（重量%）为3-10

粒度：40-200目

适用150-300度（摄氏）强酸性环境;

d）CK-2

T∶S（重量比）为1∶1-1∶7

U∶S（重量%）为10-40

粒度：40-200目

适用低于80度（摄氏）的弱碱、潮湿及海洋环境;

B.阳极层材料的配制：

a）石墨涂料：石墨粉（纯度99.99%）与717粘结剂的配比是1∶0.2-0.9（重量比）

石墨粉粒度60-200目

b）石墨压制件粒度100-200目

6、根据权利要求3所述的阴极保护技术，其特征在于：

a）施加于两极间的电压是1-30伏;

b）电流密度为毫微安-毫安/米²;

c）一般保护电位以偏移自然电位0.1-2.5伏控制;

d）最佳保护电位以偏移自然电位0.7-1.8伏控制。

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