專利名稱:架空金屬管道陰極保護裝置的制作方法
本發(fā)明所涉及的是一種金屬電化學(xué)防腐蝕裝置。特別是只須在金屬表面涂敷一層固體電解質(zhì)涂料，(形成固體電解質(zhì)層)，和涂敷一層電子導(dǎo)電輔助陽極材料(形成陽極層)在被保護金屬(即陰極)和陽極層之間施加一直流電源，外加一定的陰極電流后，陰極極化到一定程度，即可使其獲得可靠的陰極保護。該種裝置適用于架空金屬管道的陰極保護。
現(xiàn)有的陰極保護技術(shù)已延用了一個多世紀(jì)，成為一套為國際公認(rèn)的較成熟的陰極保護技術(shù)。被廣泛地應(yīng)用于水下金屬構(gòu)件、地下輸油(氣)管線、地下電纜、地下金屬貯罐等金屬構(gòu)件的保護。這種技術(shù)的原理是把處于連續(xù)相電解質(zhì)(土壤、海水)中的被保護金屬作為陰極，增設(shè)輔助陽極，通電后，使被保護金屬陰極極化到一定程度而減緩或抑制腐蝕的一種陰極保護技術(shù)。但，這種技術(shù)有以下缺點(1)其陰極保護系統(tǒng)中，陽極表面積遠(yuǎn)小于陰極表面積，即用較小的陽極面積就可保護大面積范圍的陰極金屬體，也正因此，陽極流向陰極的電流分布不均勻，在陰極表面電位存在著電位梯度分布，在一定條件下，遠(yuǎn)陽極(或分散陽極)可減小這種梯度差(使這種梯度差時最低(或最高)電位均在安全保護電位的范圍。);同時也會導(dǎo)致陰極保護電流流進鄰近(非保護體)的金屬構(gòu)件，使其遭到電化學(xué)腐蝕，陰極保護電流，流失嚴(yán)重時還會影響原陰極保護技術(shù)的實施。(2)此外，在某些場合需要增設(shè)絕緣法蘭，對保護區(qū)和非保護區(qū)進行電絕緣，以提高保護效果，(3)更重要的是不能對處于氣相環(huán)境中的金屬構(gòu)件進行保護(日本專利昭48-10439 1973，4，3，及美國專利2847375，1958，8，12，)(國際石油工程會議論文集四，1982，3，SPE9986，SPE9983)。
1985.4.1.提交的國內(nèi)發(fā)明專利申請?zhí)?5100697，名稱為“離子導(dǎo)體防腐蝕涂料及對暴露在汽相中金屬的防腐保護”，僅提供了防腐涂料β″-Al2O3的配料及其對16錳鋼的保護。其核心是以快離子導(dǎo)體(β″-Al2O3)為基礎(chǔ)加入適當(dāng)?shù)哪z(以A15N作粘結(jié)劑)作為防腐蝕涂料;以光譜石墨作為參比電極進行陰極保護的實驗室技術(shù)。
該技術(shù)存在的問題是1.以β″-Al2O3(A15N)涂料作成涂層后，不能經(jīng)受極限潮濕態(tài)的考驗，並且沒有考慮β″-Al2O3(A15N)涂料在潮濕態(tài)時與陰極保護共同作用的性能，致使2.當(dāng)涂層通過施加陰極保護電流(1.15V電位，甘汞參比)歷時30分鐘至4小時，β″-Al2O5A15N涂層表面即呈棉絮狀，並與鋼板出現(xiàn)不同程度剝脫，因此，無法實地使用;3.停止陰極保護后12小時，試件即嚴(yán)重生銹。4.β″-Al2O3A15N涂料存放在塑料編織袋內(nèi)不到2個月即把袋爛壞。5.只有實驗室試驗數(shù)據(jù)，沒有實用的配套防腐蝕裝置，現(xiàn)場無法實施該技術(shù)。6.該發(fā)明認(rèn)為β″Al2O3A15N涂料可保護金屬基材，實質(zhì)是β″-Al2O3-A15N涂料單獨作為涂層是要腐蝕金屬基材的，此觀點與實際相矛盾。
世界上有大量的金屬構(gòu)件裸露在大氣中。由于這些金屬的表面是空氣介質(zhì)，或者，其表面雖有一層薄的電解質(zhì)(如下大雨或結(jié)露等)，但因電解質(zhì)不能形成連續(xù)相，所以，一直成為國內(nèi)外陰極保護的禁區(qū)。
本發(fā)明的目的，在于提供一種新的陰極保護技術(shù)，即將大氣環(huán)境中的金屬表面人造一層連續(xù)相固體電解質(zhì)涂層，用導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨涂層作輔助陽極，並用特制的恒電位儀，作為穩(wěn)定可靠的極化電源，使這類金屬構(gòu)件得到陰極保護。消除對鄰近非保護區(qū)的干擾，不需要采用相應(yīng)的防干擾措施即可提供穩(wěn)定、簡便、優(yōu)質(zhì)、可靠的陰極保護。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，包括保護結(jié)構(gòu)、電源供電系統(tǒng)和保護電位測量系統(tǒng)三大部份。
1.保護結(jié)構(gòu)有三層內(nèi)層-欲保護的架空金屬構(gòu)件，作陰極;
中層-固體電解質(zhì)涂料，做連續(xù)相，涂敷在金屬構(gòu)件表面，隨后，將固體參比電極牢固地粘結(jié)在涂料上，並對接界面以外的部份，用絕緣材料封裝;
外層-涂敷一層電子導(dǎo)電的輔助陽極涂層于固體電解質(zhì)涂層上。
三層之間的面積比為1∶1∶1。
2.直流電源供電系統(tǒng)采用本發(fā)明所研制的專用恒電位儀(PS-2型)作為電源的供電系統(tǒng)。該恒電位儀有較高的輸入阻抗(≥1011歐姆)，有從毫微安級到幾十安培級電流輸出的波動范圍，恒定電位的誤差不大于10毫伏。有較高的頻率響應(yīng)特性(頻率響應(yīng)范圍是10-3-103赫/秒)和多接點(13個)電位監(jiān)測，以及保護參數(shù)電腦打印記錄裝置(即定時巡回打印記錄儀，可同時記錄年、月、日、時、分、秒、輸入電流、電壓、通電點電位φ0及13個監(jiān)測點電位(φ1-φ13))。
3.保護電位測量系統(tǒng)包括三個組成部份(1)固體石墨參比電極;(2)阻抗變換器(包括引線);(3)數(shù)字電位表。金屬管道在固體電解質(zhì)層中的保護電位用掩埋在固體電解質(zhì)中的固體參比電極來測量。它是測量保護電位的基準(zhǔn)電極。由于固體電解質(zhì)的電子電導(dǎo)較低，直接用低阻抗電位表測量電位有很大的誤差。因此，在電位測量系統(tǒng)中使用了阻抗變換器，以確保電位的測量精度，使流經(jīng)參比電極的電流≤0.1微安時，其固體參比電極的電位漂移不大于20毫伏;確保在遠(yuǎn)距離范圍測量電位時，電位漂移也不大于20毫伏。此特點使PS-2型恒定電位儀能同時監(jiān)測13個點的保護電位。
欲保護的金屬管道作為陰極與直流電源的負(fù)極相接;輔助陽極與電源正極相接。
當(dāng)電路接通后，外加電流從電源正極經(jīng)輔助陽極流向固體電解質(zhì)，再從固體電解質(zhì)流經(jīng)被保護金屬管道而回到電源負(fù)極。當(dāng)被保護金屬管道在固體電解質(zhì)中陰極極化到一定程度(腐蝕電池的陽極起始電位)時，腐蝕就被抑制，即實現(xiàn)了陰極保護。
本發(fā)明的效果如下首次成功地將陰極保護技術(shù)應(yīng)用于各種架空金屬管道，填補了國內(nèi)外架空金屬管道陰極保護的空白。對節(jié)約鋼材，節(jié)省人力、物力及財力的消耗，效果顯著。全世界有80%金屬暴露在大氣環(huán)境中;化工系統(tǒng)有70%管道，長距離輸油管中有2%管道暴露在大氣中，若使這些金屬管道的2%按本發(fā)明的技術(shù)實施陰極保護，至少延長壽命一倍?？晒?jié)約石油、化工每年用于維修和更換的鋼鐵8000噸。按2000年總產(chǎn)值為28000億其損失為2%計算，其可節(jié)省人民幣11.2億元。全國可節(jié)省鋼鐵18萬噸。因輸油管道的腐蝕穿孔而引起的火災(zāi)、爆炸等事故所造成的間接損失則更可觀。使用本發(fā)明的技術(shù)，這樣巨大的損失可以完全避免。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，操作方便。除適用于大氣環(huán)境中石油、化工的架空金屬管道外，也適用于海洋大氣中的海洋平臺飛濺區(qū)的海洋金屬構(gòu)件，大型鐵路橋梁、金屬容器(二性金屬除外)等。它們即是本
發(fā)明內(nèi)容
中保護結(jié)構(gòu)內(nèi)所指的陰、陽欲保護金屬構(gòu)件。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的實施情況。
實施例1.保護結(jié)構(gòu)的制作圖1為架空金屬管道的陰極保護技術(shù)原理圖。
圖中〔1〕-極化電源〔2〕-陽極引線〔3〕-電子導(dǎo)電輔助陽極層(石墨或石墨制件、鎂、鋁、鋅等材料)〔4〕-固體電解質(zhì)涂層(CK-1 CK-1A CK-1B CK-2)〔5〕-被保護的金屬管道(陰極)〔6〕-陰極引線〔7〕-外加電流的流動方向?qū)⒂Ｗo的金屬管道、固體電解質(zhì)涂層及電子導(dǎo)電涂層(輔助陽極層)按1∶1∶1的面積比構(gòu)成保護結(jié)構(gòu)。
固體電解質(zhì)涂料用噴涂或括涂等工藝直接涂敷在經(jīng)除銹和清潔的金屬件表面，固化前，將固體參比電極埋入涂料中，引出引線，固化后即在管道表面形成一層結(jié)合牢固、耐腐蝕的固體電解質(zhì)涂層。再將電子導(dǎo)電涂料，用噴涂、括涂等工藝涂敷在固體電解質(zhì)涂層的表面，固化后，形成一層導(dǎo)電性能優(yōu)良的輔助陽極層。
實施例2.架空金屬管道陰極保護技術(shù)的實施圖2為陰極保護實施裝置圖。
圖中〔1〕-直流電源供電設(shè)備(極化電源)〔2〕-阻抗變換器(由正負(fù)電源供電的集成電路電壓跟隨器組成)〔3〕-固體參比電極(合金鋅、石墨、或與被保護體同種材質(zhì)的金屬)〔4〕-架空金屬管道(陰極)〔5〕-固體電解質(zhì)涂層〔6〕-輔助陽極層(陽極)〔7〕-陽極接頭〔8〕-陰極接頭將直流電源供電設(shè)備〔1〕上的參比接點與固體參比電極〔3〕相連，其間接-阻抗變換器〔2〕。將電子導(dǎo)電陽極層〔6〕上的陽極接頭〔7〕與〔1〕中的陽極相接。其間通過的電流用電流表測量。位于架空管道〔4〕上的陰極接頭〔8〕與恒電位儀陰接接頭相接。在陰極保護過程中，陰陽兩極間所施加的電壓范圍是1伏-30伏。電流為毫微安到安培。
陰極的保護電位用粘敷在固體電解質(zhì)涂層中的固體參比電極來測量。由于固體電解質(zhì)的電子電導(dǎo)較低，不可直接用低阻抗(如1兆歐)電位表測量電位，以免產(chǎn)生很大的誤差。本技術(shù)中采用了阻抗變換器〔2〕，以確保電位測量的誤差。其誤差范圍是在流經(jīng)參比電極的電流≤0.1微安時，石墨參比電極的電位偏移不大于20毫伏。其保護效果用最佳保護電位在偏移自然電位0.7-1.8伏范圍控制。一般電位可在偏移自然電位0.5-2.5伏范圍，電流密度在毫微安～毫安/厘米2范圍。
圖3是PS-2型固體電解質(zhì)恒電位儀原理圖。
圖中CPU 微處理機PRT 打印機DE 數(shù)字顯示表CA I/O微處理機輸入輸出接口IC1集成電路差動運算放大器IC2極化電壓取樣電路IC3極化電流取樣電路IC4控制參比電極阻抗變換器IC5測量參比電極阻抗變換器φ0控制參比電位訊號φ1-φ1313個監(jiān)測點測量參比電位訊號U 極化電壓訊號I 極化電流訊號RE 石墨參比電極WE 被保護體金屬-陰極QE 輔助陽極
E 極化電源R 電壓取樣電阻R 電流取樣電阻Ui給定電位訊號恒電位儀是確保被保護體金屬在陰極保護時能恒定在某一指定電位的重要儀器。它是利用集成電路差動運算放大器經(jīng)過比較運算后，使參比電極與被保護體金屬之間電位，即控制參比電位訊號φ0等于給定電位指令信號Ui，前者自動跟蹤后者，而達(dá)到恒定電位的目的。同時，由極化電壓取樣電路IC2，極化電流取樣電路IC3以及電壓跟隨器組成的阻抗變抗器IC4，IC5分別把極化電壓訊號U，極化電流訊號I，控制參比電位訊號φ0和13個監(jiān)測點的測量參比電位訊號φ1-φ13通過微處理機輸入輸出接口CAI/I0依時序在數(shù)字表DE上顯示，同時通過微處理機CPU，根據(jù)時鐘控制器設(shè)定，控制打印機打印(PRT)。
實施例3.固體電解質(zhì)涂料及陽極層涂料的配制附表1固體電解質(zhì)涂料的配制及成分配比。
附表2陽極層涂料配制及配比范圍。
固體電解質(zhì)粉是β″(β)-氧化鋁、磷鋯硅酸鈉、碘化銀、氧化鋯;
無劑粘結(jié)劑是硅酸鈉(適用于較高溫度的環(huán)境);
有機粘結(jié)劑是環(huán)氧膠、聚氨酯膠、有機硅膠，(適用于較低溫度的環(huán)境);
固化劑是T31、T33、TK;
石墨涂料成分是石墨粉加粘結(jié)劑717;
石墨壓制件、鎂、鋁、鋅等也可以輔助陽極層材料。
權(quán)利要求
1.一種架空金屬管道的陰極保護裝置，其特征在于由下列三部分組成a)保護結(jié)構(gòu)(包括欲保護的金屬構(gòu)件做陰極，固體電解質(zhì)涂層(固體參比電極粘結(jié)其上)做連續(xù)相、電子導(dǎo)電輔助陽極層做陽極)；b)保護電位測量系統(tǒng)(包括固體參比電極、阻抗變換器(包括引線)、數(shù)字電壓表)；c)直流電源供電系統(tǒng)(恒電位儀)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的陰極保護裝置，其特征在于a)保護結(jié)構(gòu)中的欲保護金屬構(gòu)件，可以是處于大氣環(huán)境中的化工、石油架空金屬管道、金屬容器(二性金屬除外);海洋平臺飛濺區(qū)的海洋金屬構(gòu)件、大型鐵路橋梁;b)做固體電解質(zhì)涂層的涂料是CK-1，CK-1A，CK-1B，CK-2;c)電子導(dǎo)電輔助陽極層是石墨涂料及石墨壓制件、鎂、鋁、鋅。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的陰極保護技術(shù)，其特征在于A.固體參比電極是a)由光譜石墨、合金鋅、與被保護體同種材質(zhì)的金屬做成;b)掩埋在固體電解質(zhì)涂層中，並與其牢固粘結(jié);c)其電位不能因測量時有≤0.1微安電流流過而使所測電位發(fā)生大于20毫伏的漂移;B.保護電位測量系統(tǒng)中，必須有阻抗變換器a)阻抗變換器由正負(fù)電源供電的集成電路電壓跟隨器組成;b)確保電位測量的誤差，在流經(jīng)參比電極的電流為≤0.1微安時，固體參比電極的電位偏移不大于20毫伏;c)對多接點(13個)電位監(jiān)測，其電位漂移不大于20毫伏;C.直流電源供電系統(tǒng)是恒電位儀a)有較高的輸入阻抗(≥10″歐姆);b)電流輸出的波動范圍是毫微安-幾十安培;c)恒定電位的誤差不大于10毫伏;d)有較高的頻率響應(yīng)特性(頻率響應(yīng)范圍是10-3-103赫/秒);e)有多接點(13個)電位監(jiān)測;f)保護參數(shù)電腦打印記錄裝置(即定時巡回打印記錄儀)，可同時記錄年、月、日、時、分、秒、輸入電流、電壓、通電點電位(φ)及13個監(jiān)測點電位(φ1-φ13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的陰極保護技術(shù)，其特征在于A.固體電解質(zhì)涂料CK-1，CK-2，CK-1A，CK-1B的成份是a)固體電解質(zhì)粉(S)β″(β)-氧化鋁、磷鋯硅酸鈉、碘化銀、氧化鋯;b)粘結(jié)劑(T)是硅酸鈉膠、環(huán)氧膠、聚氨酯膠、有機硅膠;c)固化劑(U)是T31、T33、TK，按一定比例配制;B.石墨涂料的成份是石墨粉(R)、粘結(jié)劑(T)717(有機)、石墨壓制件及鎂、鋁、鋅也可做輔助陽極層材料;C.無機粘結(jié)劑適用于較高溫度的環(huán)境;有機粘結(jié)劑適用于較低溫度的環(huán)境。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的陰極保護技術(shù)，其特征在于各種固體電解質(zhì)涂料及陽極層材料的配比范圍，粉料粒度要求及適用的環(huán)境、溫度是A.固體電解質(zhì)涂料的配制a)CK-1AT∶S(重量比)為1∶1.5-1∶8U∶T(重量%)為15-35粒度40-200目適用0～80度(攝氏)的海洋、弱酸弱堿環(huán)境;b)CK-1BT∶S(重量比)為1∶1.5-1∶8U∶T(重量%)為15-35粒度40-200目適用-10～50度(攝氏)的潮濕、海洋、弱酸、弱堿性環(huán)境;c)CK-1T∶S(重量比)為1∶0.8-1∶6U∶T(重量%)為3-10粒度40-200目適用150-300度(攝氏)強酸性環(huán)境;d)CK-2T∶S(重量比)為1∶1-1∶7U∶S(重量%)為10-40粒度40-200目適用低于80度(攝氏)的弱堿、潮濕及海洋環(huán)境;B.陽極層材料的配制a)石墨涂料石墨粉(純度99.99%)與717粘結(jié)劑的配比是1∶0.2-0.9(重量比)石墨粉粒度60-200目b)石墨壓制件粒度100-200目
6.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的陰極保護技術(shù)，其特征在于a)施加于兩極間的電壓是1-30伏;b)電流密度為毫微安-毫安/米2;c)一般保護電位以偏移自然電位0.1-2.5伏控制;d)最佳保護電位以偏移自然電位0.7-1.8伏控制。
專利摘要
“架空金屬管道的陰極保護裝置”，包括保護結(jié)構(gòu)(欲保護的金屬管道作陰極，固體電解質(zhì)涂層作連續(xù)相，電子導(dǎo)電涂層作輔助陽極)、保護電位測量系統(tǒng)(包括石墨固體參比電極、阻抗變換器以及數(shù)字電壓表)和直流電源供電系統(tǒng)(恒電位儀)。接通電源后，就可使架空金屬管道借助于固體電解質(zhì)層，依靠外加電流使被保護金屬陰極極化到某一定值腐蝕即被抑制。本發(fā)明對暴露在氣相環(huán)境中的各種架空金屬管道，金屬容器、大型鐵路橋梁及海洋平臺飛濺區(qū)金屬構(gòu)件均適用。
文檔編號C23F13/00GK86100581SQ86100581
公開日1987年12月2日 申請日期1986年5月21日
發(fā)明者葛斗福, 張宗旺, 陳昆剛, 樊增釗, 謝良興 申請人:華東輸油管理局導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan