陰極保護對管道涂層腐蝕的影響

李國磊　王希峰

【摘 要】本文通過對管道涂層局部電位、溶液pH和溶解氧濃度的測量，研究了陰極保護對管道防腐涂層下腐蝕的影響。結果表明：在管道腐蝕的早期階段，由于受幾何限制的原因，陰極保護無法保護到間隙底部的材料。陰極保護在緩解防腐涂層間隙區域腐蝕的主要方法是提高其pH。隨著距管道陽極焊點位置距離的增加，管道防腐涂層間隙底部需要通過陰極保護來提供更好陰極極化效果。

【關鍵詞】陰極保護；間隙腐蝕；防腐涂層

【Abstract】In this work，a test rig was developed to study the effect of cathodic protection on corrosion of pipeline steel in the crevice area under disbonded coating through the measurements of local potential，solution pH and dissolved oxygen concentration.Results demonstrated that，in the early stage of corrosion of steel，CP cannot reach the crevice bottom to protect steel from corrosion due to the geometrical limitation.The main role of CP in mitigation of sequential corrosion of steel in crevice under disbonded coating is to enhance the local solution alkalinity.With the increase of distance from the open holiday，a high cathodic polarization is required to achieve appropriate CP level at crevice bottom.

【Key words】Cathodic protection；Crevice corrosion；Polymer coating

0 綜述

管道主要通過涂層和陰極保護進行防腐[1]。雖然涂層具有良好的防腐性能，但是當腐蝕性氣體、水、化學物質進入管道與涂層間隙時，會形成容易發生腐蝕反應的電化學環境，從而使管道涂層發生剝離[3-5]。

研究證明，陰極保護會對管道與涂層間隙的化學環境產生影響。例如，Fessler等發現剝離的涂層間隙區域的電位總是低于施加保護的電位，陰極保護無法起到保護效果[6]；Dong等研究了涂層缺陷處鋼的局部腐蝕，斷定陰極保護影響了間隙底部的局部電化學環境和腐蝕反應[8]；Perdomo等測定了涂層間隙內的局部電位、溶液pH和溶解氧濃度，發現管道的電化學腐蝕歸因于沿著間隙逐漸變化的化學環境[3-7]；此外，Stratmann團隊使用Kelvin掃描探針研究了剝離的管道涂層，并表明涂層界面的電化學反應導致了脫離[9]。管道涂層剝離時，整個界面的電位會明顯降低到非常負的數值，這是涂層間隙發生腐蝕反應的典型特點。

管道涂層下的腐蝕過程通常用間隙腐蝕來模擬[10]。我們利用間隙模擬裝置通過對起局部電位、溶液pH和溶解氧濃度的測量，來研究陰極保護對涂層間腐蝕的影響，并深入分析了電化學腐蝕機理。

1 實驗方案

從管道上切割一塊試驗鋼片。如圖1所示，利用該裝置模擬涂層間隙腐蝕，選用飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為輔助電極。用有機玻璃和塑料薄片模擬防腐涂層，沿有機玻璃方向每隔5cm鉆3個小孔，模擬防腐涂層缺陷，并在小孔上固定微型電極。當陰極保護施加到防腐涂層時，分別測量不同小孔處的局部電位、溶液pH和溶解氧濃度。

實驗試劑選用濃度為0.01M和pH為6.8的硫酸鈉溶液。所有實驗需在22℃的空氣中進行。

2 實驗結果

如圖2所示，防腐涂層浸泡在溶液中1h后，不同腐蝕電位條件下，防腐涂層缺陷的距離與管道局部電位、溶液pH和溶解氧濃度的函數關系。如圖2a所示，隨著防腐涂層缺陷距離的增大，局部電位也越來越大；如圖2b所示，隨著防腐涂層缺陷距離的增大溶液pH減小，且在間隙的最底部pH值最小。如圖2c所示，溶液中溶解氧的濃度為8.3mg/L，這意味著陰極保護的作用不能滲透到間隙的底部。此外，無論是否應用了陰極保護，間隙底部的溶解氧濃度都會隨著缺陷距離的增大從8.3mg/L降低到1.0mg/L。

3 結果分析

涂層間隙的溶液pH值理應伴隨陰極保護的增強而增大，如圖3b所示，電位越負溶液pH值越大。由于水不斷生成氫氧根離子，也會造成溶液pH值增大。可以得出結論，提高管道涂層防腐能力的關鍵是增加涂層間隙溶液的pH。然而這會加速防腐涂層從管道上脫落[3，4，7]。因此施加陰極保護時要對涂層內溶液的pH和涂層的剝離同時考慮。

4 結論

在鋼制管道涂層的早期腐蝕階段，由于幾何的限制陰極保護無法有效保護到涂層間隙，腐蝕優先發生在涂層間隙內部。隨著時間的推移涂層間隙內溶液pH值逐漸增大，在管道較高pH值處施加陰極保護效果較差。因此陰極保護的主要作用是提高了涂層間隙溶液的pH值。

管道涂層陽極焊點與涂層間隙內部的電位差總是存在的，這會影響陰極保護的效果。而隨著距涂層陽極焊點距離的增加，無論是否有陰極保護氧氣的濃度都會明顯下降。

【參考文獻】

[1]National Energy Board，Report of Public Inquiry Concerning Stress Corrosion Cracking on Canadian Oil and Gas Pipelines，MH-2-95，1996.

[2]D.T.Chin，G.M.Sabde，Corrosion 5（1999）229.

[3]J.J.Perdomo，M.E.Chabica，I.Song，Corrosion Science 43（2001）515.

[4]A.Q.Fu，Y.F.Cheng，Corrosion Science 51（2009）914.

[5]W.Furbeth，M.Stratmann，Corrosion Science 43（2001）207.

[6]R.R.Fessler， A.J. Markworth，R.N.Parkins，Corrosion 39（1983）20.

[7]F.M.Song，D.W.Kirk，J.W.Graydon，D.E.Cormack，Corrosion 58（2002）1015.

[8]C.F.Dong，A.Q.Fu，X.G.Li，Y.F.Cheng，Electrochimica Acta 54（2008）628.

[9]A.Leng，H.Steckel，M.Stratmann，Corrosion Science 41（1999）547.

[10]Zhengfeng Li，Fuxing Gan，Xuhui Mao，Corrosion Science，44（2002）689.

[責任編輯：田吉捷]