PE防腐层脱粘对阴极保护电位分布的影响研究

周 冰，韩文礼，张盈盈，郭继银，张贻刚

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津300451；2. CNPC石油管工程重点实验室涂层材料与保温结构研究室 天津300451)

PE防腐层脱粘对阴极保护电位分布的影响研究

周 冰1,2，韩文礼1,2，张盈盈1,2，郭继银1,2，张贻刚1,2

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津300451；2. CNPC石油管工程重点实验室涂层材料与保温结构研究室 天津300451)

当绝缘性能良好的管道 PE外防腐层脱粘剥离后，缝隙内可能会存在阴极保护屏蔽现象。建立了防腐层脱粘模拟装置，并测试了其在不同电导率、不同温度溶液中施加不同阴保电流时脱粘部位离缝口不同距离的保护电位，总结了脱粘部位阴极保护电位的分布规律，并进行了机理分析。

防腐层脱粘 阴极保护 电位分布 有效保护

0 引 言

外防腐层和阴极保护是控制长输埋地管道外腐蚀最常用、最适宜的共同防护措施。在运行过程中逐渐发现，当施加阴极保护电流对管道进行保护时，管道外防腐层，特别是绝缘性能良好的PE防腐层脱粘剥离后，管道可能会出现阴极保护屏蔽现象，导致阴极保护效果降低。[1-3]

本文通过建立防腐层脱粘模拟装置，在不同浓度NaCl溶液和不同温度自来水中，依据不同极化条件开展脱粘部位离缝口不同距离的保护电位分布测试。

1 试验方法

建立防腐层脱粘模拟装置，材质为 Q235钢，示意图如图1所示。

试验体系选用三电极体系。辅助阳极选用铂电极，参比电极选用饱和甘汞电极(SCE，下同)。通过调整测试板倾斜度来控制介质通过缝口进入缝内的距离。对测试板施加极化，在不同极化条件下测试脱粘部位缝内的保护电位分布情况。

2 结果分析

2.1 介质为3%,NaCl溶液

首先选用3%,NaCl溶液作为试验介质，试验温度为室温。保持溶液进入缝内的最大距离，控制恒电位仪输出电压分别为 2.5,V、3.0,V、3.5,V、4.0,V，测试极化不同时间后，缝口及缝内其他各点的保护电位值。将不同极化时间下，测得的离缝口不同距离测试点的保护电位绘制电位曲线(见图2)。

图1 防腐层脱粘模拟装置示意图Fig.1 An anticorrosive coating debonding sim ulator

根据测试结果，分析如下：①随着输出电压的增大，装置缝口和缝内不同距离的保护电位都有不同程度的负移，缝口保护电位的负移程度大于缝内电位；当电压提高到3.5,V及以上时，缝口内都可以得到有效保护。②缝口和缝内不同距离的电位均在极化约 8,h后达到相对稳定，在之后的极化时间内，各处的电位不再发生明显变化。③在相同的输出电压条件下，离缝口距离越远的位置，其电位相对越正；在缝内溶液处于连续状态的不同位置处，电位差较小，在缝内溶液处于不连续状态的不同位置处，电位差较大，说明电流要通过非连续水膜的阻力远大于连续溶液。④随着输出电压的增大，缝内离缝口不同距离处的电位差逐渐缩小，说明输出电压越大，阴保电流在缝内通过溶液的能力越强，溶液对电流通过的阻力越小。⑤当缝口电位正于析氢电位时(碳钢临界析氢电位约为－1.25～－1.30,V，vs．SCE)，缝内各测试点电位随着缝口电位负移也有较大程度的负移；当缝口电位负于析氢电位时，增加缝口的阴极极化程度并不能增加缝内的有效保护距离。这是由于当缝口电位达到析氢电位时，碳钢表面会发生析氢反应：2H2O＋2e-＝2OH-＋H2。在这个电位下，测试板预期的腐蚀速率下降，其电位被析氢反应的动力学因素控制，因此继续提高输出电压仅是提高阴保电流密度并在缝口处产生大量的氢气，并不能增加有效的保护距离。⑥当输出电压在2.5～4.0,V时，缝口两侧电位差均在 200,mV以上，这可能是由于缝口比较窄，离子交换速度减慢，增加了局部溶液电阻造成的。

图2 不同输出电压时离缝口不同距离保护电位与极化时间关系曲线Fig.2 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages

2.2 介质为0.1%,NaCl溶液

将介质改为0.1%,NaCl溶液后重复上述实验，所得测试曲线如图3所示。

图3 不同输出电压时离缝口不同距离保护电位与极化时间关系曲线Fig.3 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization time under different output voltages

对比试验介质分别为0.1%,NaCl溶液和3%,NaCl溶液的测试结果，如表1所示。

表1 0.1%,NaCl溶液和3%,NaCl溶液中保护效果对比Tab.1 Comparison of protective effects in 0.1% and 3% NaCl solutions

从表 1可以看出，在两种不同浓度的 NaCl溶液中，随着输出电压的增大，缝内保护距离均有不同程度的增加，最终整个缝内测试点均可以达到有效保护；随着极化时间的延长，每个测试点的保护电位逐渐负移并最终达到稳定；溶液电导率越大，阴保电流在缝内通过溶液的能力越强，测试板极化时间越短，说明在高电导率溶液中剥离涂层下的阴极电流渗透力比在低电导率溶液中高。

3 介质为自来水

试验介质选用自来水，分别在 20,℃和 40,℃下研究在不同输出电压下缝内各测试点的电位分布规律，所得测试曲线如图4、5所示。

图4 20,℃条件下不同输出电压时离缝口不同距离保护电位与极化时间关系曲线Fig.4 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages in 20,℃

图5 40,℃条件下不同输出电压时离缝口不同距离保护电位与极化时间关系曲线Fig.5 The relationship curve between different distance protection potentials and polarization tim e under different output voltages in 40,℃

根据测试结果，分析如下：①在 20,℃自来水中，随着输出电压的增大，缝口电位逐渐负移；在相同输出电压下，随极化时间增加，缝口电位也逐渐负移；当缝口电位处于过保护状态时，缝内所有测试点电位不能全部处于有效保护范围。②随着极化时间的增加，测试板各测试点电位先负移后正移。这是因为在施加外加电压初期，测试板沉积的锈迹较少，电流可以顺利达到各测试点，使其极化而电位负移；随着时间增加，测试板铁锈逐步堆积，电流难以通过缝口进入缝内各测试点，导致电位逐渐正移。

常温自来水和40,℃自来水中的保护效果，如表2所示。

表2 20,℃自来水和40,℃自来水中保护效果对比Tab.2 Com parison of protective effects in 20,℃ and 40,℃ water

从表2可以看出，在不同输出电压下，20,℃自来水中的缝口电位均负于 40,℃自来水中的缝口电位；当输出电压在3.0,V、3.5,V和 4.0,V时，20,℃自来水中缝内最大有效保护距离大于在 40,℃自来水中缝内最大有效保护距离，继续提高输出电压，40,℃自来水中缝内最大有效保护距离急剧增加。

从图4和图5也可以看出，提高介质温度后，各测试间的电位梯度比在常温中更小，说明提高温度有利于溶液中的离子运动。

综上所述，温度变化对缝隙腐蚀的影响是比较复杂的。一方面，温度升高使传输过程及反应动力学加速；另一方面，敞开体系中溶解氧的浓度随温度升高而下降，这样降低了缝隙内外的溶解氧浓差，在一定程度上减缓了腐蚀速率。因此，温度变化对缝隙腐蚀的影响应视阳极和阴极反应的综合结果而定。

4 结 语

介质是自来水时，随着输出电压的增大，测试板缝内保护距离有所增加，当缝口电位达到析氢电位时，缝内所有测试点仍不能实现有效保护；随着极化时间的延长，因铁锈增多还造成测试点电位向正向移动，提高介质温度后各测试点之间的电位梯度变小，但是保护效果没有明显提高。

介质为不同浓度的 NaCl溶液时，随着输出电压的增大，缝口和缝内不同距离的保护电位都有不同程度的负移，缝内离缝口不同距离处的电位差逐渐缩小，当电压增大到一定程度，溶液进入缝内的所有测试点均可以实现有效保护；介质浓度(电导率)越大，阴保电流在缝内通过溶液的能力越强，测试板极化时间越短，说明在高电导率溶液中剥离涂层下的阴极电流渗透力比在低电导率溶液中高。

在较高电导率介质中可以实现缝内各测试点的完全保护，在较低的电导率介质中很难实现缝内各测试点的完全保护。该结论可以为不同电阻率土壤环境中剥离涂层下缝隙内管道表面是否能完全实现有效保护提供参考。

当外加电压较小时，缝内各测试点不能得到充分极化；当外加电压较大时，缝口处析出的氢气会阻碍阴保电流进一步渗入到缝隙内。因此，对于脱粘管道需要施加一个最优化的外加电压，当测试板被外加的阴保电流极化到一个稳定的电化学状态时可以抑制缝隙腐蚀。

介质温度越高，缝内各测试点之间的电位梯度越小，温度变化对缝隙腐蚀的影响相对复杂，应视阳极和阴极反应的综合结果而定。■

［1］ Norsworthy R. Rating underground pipeline tape and shrink sleeve coating systems [J]. Materials Performance，1999(11)：40-46.

［2］ Norsworthy R. Coatings used in conjunction w ith cathodic protection-“Fail/Safe” Pipeline Coating Systems [J]. Materials Performance，2004(6)：34-38.

［3］ Ruschau G R，Chen Y. Determining the CP shielding behavior of pipeline coatings in the Laboratory [C]. NACE International，2006.

Influence of PE Anticorrosive Coating Debonding Effects on the Distribution of Cathodic Protection Potentials

ZHOU Bing1,2，HAN Wenli1,2，ZHANG Yingying1,2，GUO Jiyin1,2，ZHANG Yigang1,2
(1．CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2．CNPC Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，Tianjin 300451，China)

When PE anticorrosive coating of pipeline is peeled off after debonding，cracks between pipe and the coating may exist in the cathodic protection shielding．Anticorrosive coating debonding simulator was established，and the protection potentials of the debonding parts from different seam distances were tested in different solution conductivities and temperatures and different cathodic protection currents．Through the study，the distribution of cathodic protection potential in different debonding parts was summarized，and the mechanism was analyzed.

anticorrosive coating debonding；cathodic protection；distribution of protection potentia；effective protection

TE988

：A

：1006-8945(2015)10-0032-04

2015-09-08