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1、第三章 埋地管道的阴极保护,一、阴极保护发展简史,阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。1823年英国学者汉.戴维研究对木质舰船的铜护套进行保护 1834年 法拉第奠定了阴极保护原理基础（i&CR 电化学理论）1890年 爱迪生提出强制电流保护船舶 1902年 柯恩 实现了爱迪生的设想 1905年 美国用于锅炉保护 1906年
2、德国建立第一个阴极保护厂 1913年 命名为电化学保护 1924年 地下管网阴极保护,第一节概述,1928年，柯恩在长输管线上安装第一台阴极保护整流器。1936年，美国成立了中部大陆的阴极保护协会。1940年,英国应用了牺牲阳极保护,德国和日本分别在1950和1964年开始研究电化学理论，并开始了煤气管道的阴极保护。1985年，我国开始在石油管道上应用阴极保护技术。2009 年11 月，经第十一届全国人大常委会第十一次会议审议，通过了中华人民共和国石油天然气管道保护法(草案)，将我国石油天然气管道保护从部门条例上升为国家法律。,二、阴极保护原理,以外加电流阴极保护为例说明阴极保护工作原理,阴极
3、保护极化图,三、阴极保护方法,实现阴极保护的方法有两种：牺牲阳极法和强制电流法,（一）牺牲阳极法 利用比被保护部件的电位更负的金属或合金制成牺牲的阳极，从而使被保护的部件发生阴极极化，达到减缓腐蚀的目的，这种方法称为牺牲阳极的阴极保护或简称牺牲阳极保护。开路电位（自然腐蚀电位）闭路电位（工作电位）驱动电压（有效电压）,图96 牺牲阳极保护原理示意图,The electromotive force(emf)series,电动势序，电化学序,Sacrificial anode,(a)an underground pipeline using a magnesium sacrificial anod
4、e,Figure2 Galvanic protection of steel as provided by a coating of zinc,对牺牲阳极材料的要求,要有足够的负电位，且很稳定工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落阳极必须具有高的电流效率电化当量高，单位重量的电容量大腐蚀产物无毒，不污染环境材料来源广，易加工，价格便宜,（二）强制电流法,利用外部直流电源取得阴极极化电流来防止金属遭受腐蚀的方法，称为外加电流阴极保护。此时，被保护的金属接在直流电源的负极上，而辅助阳极接在正极上（如图97所示）。,图97 外加电流阴极保护原理示意图,(b)an underground tank
5、using an impressed current.,对被保护构筑物选用阴极保护方式时要考虑的主要因素,保护范围的大小，大者强制电流优越，小者牺牲阳极经济；土壤电阻率的限制，电阻率高不宜选用牺牲阳极；周围邻近的金属构筑物，有时因干扰而限制了强制电流的应用；覆盖层质量，对覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需保护电流太大而使得牺牲阳极不适用；可利用的电源因素经济性,四、阴极保护基本参数,（一）自然电位Ee定义：未加阴极保护时，钢管对地电位（管地电位）称自然电位，又称腐蚀电位。也即阴极极化前的管地电位称自然电位。总电位Eo定义：加阴极保护后测出的管地电位称总电位，即阴极极化后的电位。外加电位E定义
6、：又称偏移电位、极化电位。总电位与自然电位之差称外加电位。,最小保护电位 定义：对管路进行阴极保护时，加到管路上的、使管路腐蚀过程完全停止时的电位值。或者说，阴极极化电位达到Ea0时的电位。地下管路很长，电流流经管路时，要产生电压降，为保证管路沿线各点电位都高于最小保护电为（按绝对值）必须提高通电点的电位，通电点的电位越高，保护距离越长。为防止极化过分，绝缘层剥离、氢脆或氢鼓泡的现象，通电点的电位不能加得太高，最高不得超过最大保护电位，即通电点的电位受最大保护电位的限制。,（二）保护电位,最大保护电位 定义：加到管路通电点的电位极限值。在此极限电位下，管路上的防腐绝缘层仍不致遭到破坏，此极限电
7、位称为地下管路的最大保护电位。如果通电电位大于最大保护电位（绝对值），由于氢去极化作用及电渗现象，会使绝缘层发生分层而遭到破坏。并且氢原子有可能渗入钢管体内，导致钢管发生氢脆。,（三）保护电流密度,最小保护电流密度 定义：对管路外加某一数量的电流密度，使管路沿线任一点都没有腐蚀电流流入土壤，此时的电流密度称为最小电流密度。或者说，使保护管路发生阴极极化，其极化电位达到 Ea 0时，对应的电流密度为最小保护电流密度。最小保护电流密度随外界条件不同会有很大变化，如绝缘层质量、土壤含水量、土壤温度、土壤电阻率等。因而最小保护电流密度有可能差几倍。因此对不同的管路，甚至同一管路的不同段落所需的最小保护
8、电流密度的数值也都是不同的，故最小保护电流密度参数对长距离管路不太实用，但较适用于作为油罐、油轮等金属构筑物的阴极保护标准。基于以上原因，对于长输管路，采用的标准为最小保护电位。,（四）阴极保护度,保护度是“通过防蚀措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。（自学）,五、阴极保护准则,1埋地钢质管道阴极保护准则可采用下列任一项或几项为判据：(1)在施加阴极电流的情况下，测的管/地电位为850mV（相对饱和硫酸铜参比电极CSE，下同）或更负。(2)管道表面与同土壤接触的稳定的参比电极之间阴极极化电位值最小为100mV。这一准则可以用于极化的建立过程和衰减过程中。,（3）存在细菌腐蚀时，管道阴极保护
9、电位应为950 mV（CSE）或更负（4）在土壤电阻率 100m 至 1000m 环境中的管道，阴极保护电位宜负于750 mV（CSE）；在土壤电阻率 大于 1000m 的环境中的管道，阴极保护电位宜负于650 mV（CSE）。,2特殊条件的考虑 对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在预先的电流排放点（阳极区），确定净电流是从电解质流向管道表面。,3最大保护电流的限制应根据覆盖层的种类及环境来确定，以不损坏覆盖层的沾结力为准。推荐的最大保护电位为：石油沥青 1.20V 聚乙烯 1.5V煤焦油瓷漆 3.0V环氧粉末 2.0V,六、管道实施阴极保护的基本条件,管道实施阴极保护的基本条件为：有可靠的直流电
10、源，以保证提供充足的保护电流；管道必须处于有电解质的环境中（如土壤、河流、海水等）；保持管道纵向电连续性；必须做好管道的电绝缘。,（一）管道的电绝缘,1绝缘接头 管道的绝缘接头形式：有法兰型、整体型（埋地）、活接头等各种。管道的绝缘接头作用：绝缘接头是埋地管线上重要的防腐部件，恰当应用可以避免阴极保护电流的漏失，保证达到规定的保护电位范围；同时也是抗杂散电流干扰的重要措施之一，并减少杂散电流的干扰区域。2.绝缘支墩当管道采用套管形式穿墙或穿公路、铁路时，管道与套管必须电绝缘。通常采用绝缘支墩或绝缘垫。3.其他绝缘,（二）管道纵向电的连续性,对于非焊接的管道连接头，应焊接跨接导线来保证管道纵向电
11、的连续性，确保电流的流动。对于预应力混凝土的管道，施加阴极保护时，每节管道的纵向钢筋必须首尾跨接，以保证阴极保护电流的纵向导通。有时还可平行敷设一条电缆，每节预应力管道与之相连来实现电的连续性。,（三）阴极保护管道的附件,1.检查片2.测试桩,第二节 外加电流阴极保护计算,计算保护长度以确定阴极保护站数求阴极保护站电源功率无限长管路的计算有限长管路的计算有限长管路与无限长管路的对比管路保护长度,一.计算保护长度以确定阴极保护站数定义：根据最大、最小保护电位，求出一个阴极保护站所能保护的管路长度，即保护长度，由保护长度可确定管路沿线需要设多少个阴极保护站。,二、求阴极保护站电源功率根据阴极保护站
12、的总电压和总电流计算所需电源功率，由此选择阴极保护站的电器设备。,三、外加电位和电流的分布规律,假设条件1、管路上的绝缘层均匀一致，并且有良好的介电性，因此可以认为管路沿线各点单位面积上的过渡电阻相等；2、电流经过土壤，由于土壤截面积大，故土壤电阻忽略不计；3、设土壤电位为零。,绝缘层过渡电阻：单位面积上的防腐层过渡电阻RP；过渡电阻：单位长度上电流从土壤径向流入管路时的绝缘层过渡电阻，RT，其数值主要取决于绝缘层电阻。管道电阻：单位长度上金属管道的电阻，rT。,在离汇流点x处的地方取一小段dx，设dx小段的管道电位为E（管对地电位），土壤电位为零，并设过渡电阻为Rt，则由土壤流入dx小段管路
13、的电流为：,另一方面，电流流过该小段管路时，由于管路本身的电阻，将产生一个压降。设流过dx小段管路的平均电流为I，单位长钢管的电阻为rT，由电流流过dx的压降为：,对上述式子求导数，设,a为衰减系数,对两式二阶常系数齐次线性微分方程求其通解：,C、d两式中系数可根据边界条件求得。,无限长管路计算,定义在管路全线只有一个阴极保护站，线路上没有绝缘法兰，这种管路称为无限长管路。,边界条件,（汇流点处）,（一侧管路）,电流分布规律,同理将边界条件代人d式，可得到电压分布规律：,由此可做出管路沿线外加电位和电流分布曲线,无限长管路计算 结论,1.管路上外加电位和电流按指数函数的形式变化，其特点是：汇流
14、点附近的电位和电流下降较快，离汇流点越远，下降越慢。2曲线下降的快慢（电位、电流的变化梯度）决定于衰减系数，由于rT变化不大，因此主要决定于RT（管路过渡电阻），而在过渡电阻中起决定作用的是绝缘层电阻，所以绝缘层的电阻越大，即RT越大，曲线越平坦，RT越小，曲线越陡。3.电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。,证明电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。,代入,在通电点处，,代入上式得：,从上式可以看出，如果RT越小，则I0越大。这说明如果绝缘层质量不好，则所需保护电流越大，从而增加电能消耗。在通电点,将上述边界条件带入,从上式可以看出，保护长度也决定于绝缘层的质量，RT越大，a值就越小，,
15、就越大，如果无绝缘层，则,将很短。,有限长管路的计算,定义：当管路沿线有多个阴极保护站时，这种管路称为有限长管路特点：在有限长管路上，两个相邻阴极保护站之间的管段，其外加电位和电流的变化受两个站的共同作用，由于两个站的相互影响将使外加电位的变化曲线抬高。,在两个汇流点中间，可认为是两保护站的分界点（电位变化曲线的转折点），在此点近似地认为电流等于零。边界条件为：,（由,导出）,带入电位和电流分布的通式得：,对比1.与无限长管路的计算公式进行对比可知，有限长管路的电位和电流变化比较缓慢（因前者变量x在指数上，后者在分子上），其保护距离比无限长管道长。2.在相同条件下，有限长管路所需电流比无限长管
16、路小。,证明,在汇流点，,代入上式得：,由于,（保护长度的实际公式）,在有绝缘法兰的情况下，可近似按有限长管路计算；在无绝缘法兰情况下，可近似按无限长管路计算。,（四）阳极接地装置的计算,阳极地床材料的要求阳极地床材料的性能阳极地床结构,二强制电流法阴极保护系统的设计,1设计程序 必须收集和勘测设计资料和参数，然后进行设计计算，选定阴极保护站，绘制必要的图纸提出所选设备、材料的技术说明。,2.电源设备 对电源的基本要求：可靠性高；维护保养简便；寿命长；对环境适应性强；输出电流、电压可调；应具有过载、防雷、故障保护。,（1）整流器（2）恒电位仪（3）太阳能阴极保护装置（4）CCTV电源系统（5）
17、热电发生器（6）风力发电机（7）蓄电池（8）第二电源的综合选择,3.辅助阳极（1）阳极地床的结构 需要关注两个问题：阳极材料的消耗和阳极气体产物的逸放。一般阳极放在焦炭回填料地床中工作。为了有利于气体的逸出，在焦炭地床上部还要填放上一些粗砂或砾石，有些地方还要用多种塑料管插至阳极地床中心，一是用于排气，二是必要的时候可以往里注水。,抗腐蚀性强，这样可减少阳极材料的消耗，从而减少更换的麻烦阳极地床的电阻尽可能小，因为阴极保护站的功率主要消耗在阳极地床上（6070%），因此一般不宜超过1，在设计时一般取0.5左右；取材方便，容易加工，价格便宜，经济成本小。,（2）阳极材料,高硅铸铁石磨阳极磁性氧化
18、铁阳极钢铁阳极柔性阳极碳类回填料其他,在理论上任何导电材料都可以作为阳极地床的材料，但从经济上考虑，所选的材料最好同时具有较低消耗率和较低价格的特点。目前常用的阳极材料有：碳素钢、铸铁、高硅铸铁和石墨等。,常用阳极地床材料和性能,（3）阳极地床位置的选择阳极区距管道的垂直距离土壤电阻率土壤湿度土地的利用干扰影响地域规划安装的难度生态环境,阳极地床形式,阳极地床通常有两种形式，即浅埋地床和深埋地床。浅埋地床中又可分为立式和水平式两种，其中以立式最为普遍。当周围设施太多或地表层土壤电阻率太高，不易埋设地床时，应考虑深井地床。,阳极地床结构总重量,根据所选阳极材料，可知道阳极的消耗率，按规定的使用年
19、限，就可计算出所需的阳极总重量,G=gTIK,式中：G所需的阳极总重量，Kg g阳极消耗率，Kg/Ay I从阳极流出的电流，A，I=2I0 K储备系数，K=1.11.3 T使用年限，y,根据所选的阳极规格（长、直径或单重）就可知道所需阳极的根数。,立式阳极地床电阻,单根阳极无填料时：,单根阳极有填料时：,多根并联时：,水平阳极地床电阻,单根阳极无填料时：单根阳极有填料时：多根并联时：,混合阳极地床电阻,单根阳极无填料时,式中：n立式阳极的根数,立式阳极的屏蔽系数；,立式阳极被水平阳极的屏蔽系数，可取0.95,水平阳极被立式阳极的屏蔽系数，可取0.95,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管
20、道的阴极保护,牺牲阳极材料的选择主要看合金的性能及其化学成分，特别是合金的含量和杂质的含量。,一、牺牲阳极的材料,1.镁及镁合金 有三大系列：高纯Mg,Mg-Mn合金,Mg-Al-Zn-Mn合金.,2.锌及锌合金 有三大系列：高纯锌,Zn-Al-Cd三元合金,Zn-Al二元合金.,3.铝合金 铝阳极材料来源丰富，且在海水中有良好的电化学性能，所以在船舶、港口码头、钻井平台等领域应用前景广泛。,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,1.阳极种类的选择 牺牲阳极种类的选择主要根据土壤电阻率、土壤含盐类型及被保护管道覆盖层状态来进行。一般来说，镁阳极适用于各种土壤环境中；锌阳极适用
21、于电阻率低的潮湿环境中；而铝阳极还没有统一的认识，国内已有不少实践推荐用于低电阻率、潮湿和氯化物的环境中。,二、牺牲阳极的设计,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,衡量牺牲阳极质量的三个方面：电极电位单位重量阳极材料产生的电量电流效率（有效电量/理论电量）,牺牲阳极性能比较,（1）牺牲阳极接地电阻的计算,2.牺牲阳极保护计算,根据所选定的阳极类型、尺寸、计算阳极的输出电流：,阳极表面的电流密度随阳极材料及介质而定，应由实验来确定。初步估算过程中，当在海水中时，,在土壤中时，取,（2）阳极输出电流的计算,阳极输出电流还可以根据有效电位差计算,管路绝缘层电阻与最小保护电流密度,
22、管路表面状况与最小保护电流密度,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,（3）阳极支数的计算,N所需阳极支数；IA所需保护总电流，A;Ia单支阳极输出电流，牺牲阳极屏蔽系数，取0.30.7,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,根据法拉第电解原理，利用下式进行计算，阳极利用率取0.85,（4）阳极寿命的计算,T阳极工作寿命，a;W阳极质量，kg;I阳极输出电流，A;阳极实际消耗率，kg/(Aa),式中：T阳极寿命，年G牺牲阳极总重量（Kg）A理论电化当量（A*h/Kg）I牺牲阳极保护系统回路中的电流（A）阳极电流效率，5575%,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第
23、三章 埋地管道的阴极保护,（1）地床的构造 为保证牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充适当的化学填包料。,3.牺牲阳极地床,填料包装起来，主要目的是：改良阳极周围环境，确保稳定良好的电流效率；降低阳极接地电阻，增加阳极输出电流；溶解阳极腐蚀产物，防止阳极极化；吸收周围土壤水分，维持阳极四周长久润湿。,对化学填包料的要求是：电阻率低；渗透性好；不易流失；保湿性好。牺牲阳极填包料用袋装和现场钻孔中填装两种方法。,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,土壤环境中多用棒形牺牲阳极，阳极多做成梯形截面或U形截面。带状只用于高电阻率的土壤环境中。块状阳极多用于船壳、水下构筑物和容器内
24、保护等。镯形只适用于水下或海底管道。,（2）阳极形状 主要形状有棒形、块形、带状、镯式等几种。,第三节 牺牲阳极法阴极保护,第三章 埋地管道的阴极保护,（3）阳极地床的布置 牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式；阳极埋设分为立式、水平两种；埋设方向有轴向和径向。阳极埋设位置一般距离管道外壁35m，最小不宜小于0.3m。埋设深度以阳极顶部距离地面不小于1m为宜。对于北方地区，要埋在冻土层以下。成组埋设时，阳极间距以23m为宜。,每个阳极的保护长度范围，一般为2001000米 阳极距离管道的垂直距离为35米,第四节 阴极保护参数的测量,第三章 埋地管道的阴极保护,1.管/地电位（1）地表参比
25、法（2）近参比法（3）闭路参比法,一、强制电流参数,In coated pipelines systems,there is also current flow across the pipe coating,which can produce a larger voltage gradient than in the ground.Therefore,in cases where direct current is flowing,the pipe to soil potential thatis measured,will include the actual pipe to soil p
26、otential,the voltage gradient inthe ground,the voltage drop across the coating and the voltage drop(called IRDrop)in the pipeline.,第四节 阴极保护参数的测量,第三章 埋地管道的阴极保护,一、强制电流参数,2.管内电流法（1）管段电压降法,第四节 阴极保护参数的测量,第三章 埋地管道的阴极保护,RL长管段的电阻，管材电阻率，mm2/m La,b 两点间的距离，m t管道壁厚，mm D管道外径，mm。,（2）补偿法 也称零电阻法。,（3）四极法,第四节 阴极保护参数的
27、测量,第三章 埋地管道的阴极保护,1.接地电阻 牺牲阳极接地电阻关系到阳极输出电流的一项主要参数，也是检验阳极项目的必测参数。常用Zc-8型接地电阻测试仪。,二、牺牲阳极参数的测量,2.闭路电位 它是牺牲阳极的专用参数，阳极开路电位和极化电位之差。采用近参比电极法测试。阳极闭路电位和管道闭路电位之差称为驱动电位，是判断阳极性能的一项重要参数，驱动电位越大，阳极输出也越大。,第四节 阴极保护参数的测量,第三章 埋地管道的阴极保护,3.阳极输出电流（1）标准电阻法。（2）双电流表法,牺牲阳极,标准电阻法,双电流表法,第四节 阴极保护参数测量,第三章 埋地管道的阴极保护,例题：如下图所示，一条5km长的涂敷管道，管径长610mm，经测量通电电流为0.086A；用蓄电池供电，三支参比电极和三块电压表同步测量A、B、C三点电位的变化。A点的通电电位为-1.33V,断电电位为-0.88V；B点的通电电位为-1.47V,断电电位为-0.89V;C点的通电电位为-1.36V,断电电位为-0.89V。求管道绝缘覆盖层的电阻。,三、管道绝缘参数,1.覆盖层电阻 采用馈电法（临时阴极站法）,第四节 阴极保护参数测量,第三章 埋地管道的阴极保护,覆盖层电阻测试馈电法,end,
