通过分布的牺牲阳极进行阴极保护的系统和方法技术方案

公开了一种通过减小或消除总阴极面积来减小阴极保护(CP)系统的总阳极质量的方法，所述系统包括：对要保护的组件或基体为阳极的金属第一层涂层(2)，其结合到该组件或基体，并且导电。在第一层涂层(2)上分布金属第二层涂层(3)形式的牺牲阳极。第二层涂层(3)具有等于第一层涂层的开路电位，或者对第一层涂层和对基体为阳极，第二层涂层(3)导电，结合到第一层涂层(2)，并暴露于周围环境。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过分布的牺牲阳极进行阴极保护的系统和方法专利技术
本专利技术主要涉及受腐蚀的金属物体的阴极保护。更明确地讲，本专利技术涉及通过在金属(铁或非铁)物体表面上沉积保护性牺牲涂层进行阴极保护的系统和方法。与其类似，本专利技术也涉及携带本专利技术的阴极保护系统的海底组件。本专利技术的系统和方法通过在要保护的结构上分布牺牲阳极大幅度减小总阴极面积，仍提供与常规牺牲阳极相当的保护度。本专利技术，下文亦称为通过分布的牺牲阳极(DSA)的阴极保护，可有效地完全减小总阴极面积，或者使其减小到占组件的总表面积的小分数的小缺陷，或者在必须传统涂覆较大面积的情况下，例如漆料系统和其它不导电涂层，与常规牺牲阳极组合使用。背景和现有技术电化学腐蚀是在导电金属结构与导电物质(如可包含各种氧化剂的湿土壤或水)接触时引发的过程。在海底系统中，海水作为原电池的电解质起作用，其中电流从浸没的金属结构的阳极部位通到阴极部位，引起电化学变化，在金属中产生腐蚀产物。在海水中浸没的铁金属结构的均匀溶解期间，例如，带正电荷的铁离子(Fe2+)从阳极部位释放进入水中，而自由电子(e-)移到金属表面的阴极部位。在阴极部位发生还原反应，其中电子转移到溶解氧(O2)和水(H2O)，依电解质的pH和温度生成氢氧根离子(OH-)和氢。铁离子与氢氧根离子化合生成氢氧化铁(Fe(OH)2)或铁锈。如果不采取措施防止电化学腐蚀，就可能影响整个结构。非铁金属以类似方式反应，生成不同类型的腐蚀产物。在没有预防措施(例如，阴极保护)的情况下，具有最低自由腐蚀电位的结构部分将经历活性溶解。阴极保护是对抗腐蚀的一种方法，其中使要被保护的结构在原电池中成为净阴极。在适当设计时，阴极保护系统可减小腐蚀速率大于2个量级，或完全抑制腐蚀。在牺牲阴极保护中，活性金属，即，具有低于要保护的结构的自由腐蚀电位的金属或合金，电连接到该结构。在此电路中，具有最低(即，更负)自由腐蚀电位的金属成为净阳极，而该结构成为净阴极。更活性金属的腐蚀使该结构极化到低于其自由腐蚀电位的电位，根据耦合电位减轻或抑制腐蚀。在海底应用中，例如，通过基于铝的牺牲阳极的典型阴极保护电位相对于Ag/AgCl|海水在-1.1至-1.0V级。然而根据经验，在相对于Ag/AgCl|海水，结构被极化低于-0.8V时，认为该结构针对腐蚀被保护。牺牲阳极由在给定的环境中容易腐蚀的金属和合金制成。对海底油气生产中所用的大多数工程合金为阳极的金属基于铝和锌，它们可以基本上纯的形式或作为合金，用作牺牲阳极。现今，油气工业已在Al-Zn-In系统中标准化，而基于Zn的阳极由于在海水中钝化和极性反转而使用受阻。在海底油气生产和运输中浸没的设备的牺牲阴极保护通常需要一些可观阳极质量以保护远程海底组件。阳极需求量传统上由国际标准，如DNVRPB401(DetNorskeVeritas’recommendedpractice)和ISO12473确定。数十吨级的总阳极质量对海底油气系统不是不常见的。CP系统的总吨数增加结构的总重量和复杂性，增加显著的安装、运行和维护成本。在过去，已进行数种尝试以避免为实现埋藏或浸没设备的腐蚀保护而对大的阳极质量的需要。在文献中有数个追随者的一种策略是在需要保护的物体的外面上施加薄涂层。这种策略的一个实例可发现于US2015/226365A1。在这个专利技术中，用对铁基体为阳极的内层涂覆基于铁的管道元件。约1-5mm厚的外层由聚乙烯或聚丙烯树脂制成。外层在内层之上提供介电密封层。来自相同策略的另一个实例可发现于CN2536879。油管用对管基体为阳极的内层涂覆。内层由环氧树脂制成的顶层保护，并且是介电的。类似的方法可发现于CN201187267，其公开了通过涂层防腐蚀保护的多层变体。双相不锈钢的第一钝化层施加到油或气管的外部。100-150µm厚的第二层施加到第一层，第二层对第一层和管基体为阳极。10-50µm厚的密封层作为顶部涂层施加。另一种多层涂层系统公开于US8697251B2。金属基体用内层、外层和中间层涂覆。内层对金属基体为阳极。中间层对基体和内层之一或二者为阳极。外层为氧化物，并作为介电涂层，因此防止下面的层和周围环境之间的电化学接触。据述氧化铝(Al2O3)在多层涂层系统的外层中作为适合的电介质。系统的总厚度达到约250μm，而作为牺牲阳极的中间层的厚度为约50-75μm。多层涂层系统，如US8697251B2中所公开的一个多层涂层系统的问题是下面的层的腐蚀可导致起泡和层间分离。在下层表面腐蚀且生成腐蚀产物时，这个问题出现。腐蚀产物具有不良机械性质，且一般经历溶胀，这可能是由于形成水合物或由于腐蚀产物溶于水。另外的复杂情况是，这些系统的外层，即，暴露于腐蚀流体的层，为电介质或电绝缘体。因此，上述解决方法主要依赖于屏障涂层的完整性。如果形成海底系统的一部分，那些区域在阴极保护设计中必须被考虑。专利技术概述一般而言，本专利技术通过减小或消除要保护的总阴极面积来减小或抑制阳极消耗。本专利技术大幅度减小阳极质量，同时保持与通过常规基于Al的牺牲阳极(例如，支架、嵌入或手镯式阳极)的CP相同的腐蚀保护度。本专利技术的一个目的是提供用于铁或非铁金属基体的腐蚀保护的阴极保护系统。这一目的通过随附的系统权利要求限定的系统满足。本专利技术的另一个目的是提供将阴极保护应用于铁或非铁金属基体的方法。这一目的通过随附的方法权利要求限定的方法满足。本专利技术的另一个目的是提供旨在用于通过由铁或非铁金属制成的主体经内腔或通道输送烃流体的耐腐蚀海底组件。这一目的通过随附的组件权利要求限定的组件满足。因此，在第一个方面，本专利技术为用于金属组件或基体的阴极保护系统，所述系统包括：•金属第一层涂层，该涂层对基体为阳极，结合到组件或基体，并且导电，•在第一层涂层上分布的金属第二层涂层的形式的牺牲阳极，第二层涂层具有等于金属第一层涂层的开路电位，或者对第一层涂层为阳极，第二层涂层导电，结合到第一层涂层，并暴露于周围环境。暴露于环境的第二层涂层的基本方面是，它匹配完全或部分由第二层涂层代替的常规牺牲阳极的电化学性质(即，自由腐蚀电位和电流能力)。适当时，第二层涂层作为将电流提供到缺陷或未覆盖区域或相邻结构的牺牲阳极起作用。由于牺牲阳极在结构上分布，总阴极面积减小或消除。分布阳极也减小与电阻电压降相关的问题，并改善电流分布。可潜在导致下面的第一层涂层或基体暴露的第二层涂层中的缺陷，例如，操作或安装期间引起的机械导致的缺陷，可假定限于整个被保护区域的小部分。外涂层中总共最大例如百分之一(1%)缺陷面积为适中预测，仍说明了通过减小阴极面积可实现的潜在益处。由于所提出的专利技术通过在要保护的整个结构上分布牺牲阳极来减小总阴极面积，总阳极质量有相当大节省。由所提出的CP通过DSA的阳极减小由以下比较性实例举例说明：当按照DNV-RP-B401指导原则时，一种用于约200m热带/亚热带水深的离岸大约130km的气田开发的八井三歧管方案的计划管道终端(PLET)装配在牺牲阴极保护设计中需要约26,000kg的常规阳极计算总质量。假定在DSA中有1%缺陷面积，相同组件将需要约2,000kg的总常规阳极质量，等于常规阳极重量减小约92%。常规阳极质量的减小等于PLET总重量的约20%。第一层涂层包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于金属组件或基体的阴极保护系统，所述系统包括：对组件或基体(1)为阳极的金属第一层涂层(2)，其结合到组件或基体，并且导电，特征为在第一层涂层(2)上分布有金属第二层涂层(3)形式的牺牲阳极，第二层涂层(3)具有等于第一层涂层(2)的开路电位，或者对第一层涂层(2)为阳极，第二层涂层(3)导电，结合到第一层涂层(2)，并暴露于周围环境。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.03 NO 201603741.一种用于金属组件或基体的阴极保护系统，所述系统包括：对组件或基体(1)为阳极的金属第一层涂层(2)，其结合到组件或基体，并且导电，特征为在第一层涂层(2)上分布有金属第二层涂层(3)形式的牺牲阳极，第二层涂层(3)具有等于第一层涂层(2)的开路电位，或者对第一层涂层(2)为阳极，第二层涂层(3)导电，结合到第一层涂层(2)，并暴露于周围环境。2.权利要求1的系统，所述系统包括：包含基本纯的金属铝或铝合金的第一层涂层(2)，包含对铝和对要保护的基体为阳极的铝合金的第二层涂层(3)。3.权利要求2的系统，其中第二层涂层(3)为铝-锌-铟(Al-Zn-In)合金或具有相应的电化学性质的另一种铝合金。4.权利要求3的系统，其中第二层涂层(3)为包含2-7%范围的Zn和0.01-0.05%范围的In的Al合金。5.前述权利要求中任一项的系统，其中第一层涂层(2)具有100-300µm范围的厚度。6.前述权利要求中任一项的系统，其中第二层涂层具有200-3,000μm范围，优选至少大于200μm，最优选300至1,500µm的厚度。7.前述权利要求中任一项的系统，其中第二层涂层(3)在第一层涂层的基本整个表面上分布。8.权利要求6的系统，其中第一层和第二层涂层在暴露于腐蚀环境的组件或基体的基本整个区域上分布。9.一种用于金属组件或基体(1)的阴极保护的方法，所述方法包括以下步骤：通过第一沉积方法施加对基体(1)为阳极的金属第一层涂层(2)，特征为：通过第二沉积方法施加金属第二层涂层(3)，在第一层涂层(2)上分布牺牲阳极(3)，金属第二层涂层(3)具有等于金属第一层涂层的开路电位，或者对第一层涂层(2)为阳极。10.权利要求9的方法，其中第一和第二沉积方法选自沉积方法例如热浸电镀、...

【专利技术属性】
技术研发人员：L阿屯，M亚努兹，
申请(专利权)人：韦特柯格雷斯堪的纳维亚有限公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO