埋地管道采用陰極保護(hù)防腐技術(shù)講座

1、埋地管道采用陰極保護(hù)防腐技術(shù)講 座洛陽(yáng)固雅特種防腐防火材料工程有限公司2010年9月5日埋地采用陰極保護(hù)防腐技術(shù)講 座一、術(shù)語(yǔ)1、陰極保護(hù)通過(guò)降低腐蝕電位而達(dá)到的電化學(xué)保護(hù)。2、犧牲陽(yáng)極靠著自身腐蝕速度的增加而提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金，通常有鎂、鋅、鋁三類(lèi)。3、臨時(shí)性陰極保護(hù)在管線(xiàn)埋入地下后，正式陰極保護(hù)尚未投運(yùn)之前對(duì)強(qiáng)腐蝕地區(qū)的管段采取的腐蝕控制手段。4、接地電池采用一對(duì)或幾對(duì)犧牲陽(yáng)極，互相用絕緣墊隔開(kāi)，再用填料填充并包扎，通過(guò)填料的電阻耦合起來(lái)，以消除強(qiáng)電電涌沖擊。（用來(lái)提供一個(gè)低電阻通道，排放強(qiáng)電電涌，但不泄漏陰極保護(hù)直流電流的一種裝置。通常采用新材料制做，有時(shí)也用鎂。）5、接地墊安

2、裝在地面或地下的裸露的導(dǎo)體，彼此排列相連，以提供一個(gè)跨步距離范圍內(nèi)的等電位。6、填包料為改善埋地陽(yáng)極工作條件而填塞在陽(yáng)極四周的導(dǎo)電性材料一般75%（石膏）+20%（膨潤(rùn)土）+5%（Na2SO4）（石膏：確保電流均勻輸出，使材料均勻地消耗。膨潤(rùn)土：確保水分。Na2SO4：降低填料的電阻率。）7、冷隔金屬澆鑄冷卻過(guò)程中形成的階梯面。8、長(zhǎng)效參比電極壽命大于1年的土壤或水中的參比電極。（種類(lèi)較多，常用的有甘汞、銀/氯化銀、銅/硫酸銅、純鋅等電極。）9、開(kāi)路電位指金屬構(gòu)筑物未加陰極保護(hù)時(shí)的電位，即自然腐蝕電位。10、閉路電位指犧牲陽(yáng)極在介質(zhì)中與被保護(hù)結(jié)構(gòu)連接在一起時(shí)的電位（即工作電位）。11、最小保護(hù)

3、電位金屬達(dá)到完全保護(hù)所需要的，絕對(duì)值最小的負(fù)電位值12、最大保護(hù)電位陰極保護(hù)條件下允許的絕對(duì)值最大的負(fù)電位值13、保護(hù)電位指被保護(hù)結(jié)構(gòu)在施加陰極保護(hù)后的電位，是判斷陰極保護(hù)程度的一個(gè)重要參數(shù)。14、極化電位由于電流的流動(dòng)引起電極/電解質(zhì)界面電位的偏移稱(chēng)為極化，在極化狀態(tài)下的電位稱(chēng)為極化電位。15、雜散電流雜散電流指設(shè)計(jì)的或規(guī)定的回路以外流動(dòng)的電流。16、IR降電流在介質(zhì)中流動(dòng)所造成的電阻壓降。（測(cè)定管道被保護(hù)電位中，IR降為有害誤差，應(yīng)予排除）17、輔助試片（測(cè)試檢查片）用來(lái)測(cè)試觀察陰極保護(hù)效果的一組與被保護(hù)體的材質(zhì)相同的、按要求規(guī)格制成的試板。18、測(cè)試樁從埋地管道上引出的用于測(cè)量陰極保護(hù)參

4、數(shù)的裝置，通常應(yīng)在相鄰兩組犧牲陽(yáng)極管段的中間部位，測(cè)試的間距以不大于500m為宜，高出地面不應(yīng)小于0.4m，（特殊測(cè)試樁按設(shè)計(jì)要求）測(cè)試樁處應(yīng)設(shè)有輔助試片及長(zhǎng)效參比電極，距管道外0.3m。19、鋁熱焊劑適用于銅芯電纜與管道或銅芯電纜之間的焊接，不需要外部電源和熱源就能達(dá)到焊接質(zhì)量要求的一種產(chǎn)品。20、絕緣法蘭指在兩法蘭間墊入絕緣墊片實(shí)現(xiàn)電絕緣，它由絕緣電片、絕緣緊固片和絕緣密封圈所組成。21、絕緣接頭指內(nèi)涂環(huán)氧聚合物，埋地后不用管理，在工廠(chǎng)里進(jìn)行嚴(yán)格的機(jī)械、電性能和壓力參數(shù)測(cè)試，整體結(jié)構(gòu)不容拆開(kāi)。具有很高的耦合電阻，適合于直接埋地，壽命長(zhǎng)的管道接頭。二、一般規(guī)定1、犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保陽(yáng)極

5、在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)陰極保護(hù)的有效性和可靠性。2、犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)應(yīng)與管道使用年限相匹配，一般為1015年。3、臨時(shí)性陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)滿(mǎn)足用戶(hù)要求，一 般為2年。4、被保護(hù)的管道應(yīng)具有質(zhì)量良好的覆蓋層，新建管道的覆蓋層電阻率不得小于10000歐姆·米2，否則不宜采用犧牲陽(yáng)極。對(duì)于舊管道，應(yīng)根據(jù)具體要求決定。5、當(dāng)土壤電阻率大于100歐姆·米時(shí)，不宜采用犧牲陽(yáng)極。6、所有被保護(hù)的埋地鋼質(zhì)管道應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置絕緣接頭或絕緣法蘭。7、保護(hù)準(zhǔn)則：（1）相對(duì)于飽和/硫酸銅參比電極的管道陰極極化電位至少為850mV。（2）管道表面與接觸電解質(zhì)的穩(wěn)定飽和銅/硫酸銅參比電極之間的陰極極化電

6、位差值最小為100mV，這一參數(shù)可以是極化的建立或衰減過(guò)程中的數(shù)據(jù)。三、參照標(biāo)準(zhǔn)1、SY/T0019-97埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范2、CJJ95-2003城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程3、STJ19-86鎂合金犧牲陽(yáng)極應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)4、SY/T0036-2000埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范5、SY/T0088-95鋼質(zhì)儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6、SYJ4006-90長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范7、SY/T0023-97埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試方法8、SY0007-1999鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕控制工程設(shè)計(jì)規(guī)范9、SY/T0017-96埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技

7、術(shù)標(biāo)準(zhǔn)10、GB50251-94輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范四、陰極保護(hù)原理陰極保護(hù)原理的基礎(chǔ)是電化學(xué)中有關(guān)腐蝕原電池的理論，它是根據(jù)不同的金屬在電解質(zhì)（如海水和土壤等）中有不同的電極電位，電位負(fù)的為陽(yáng)極，電位正的為陰極。在電解質(zhì)中，陽(yáng)極上失去金屬離子（即腐蝕），產(chǎn)生電子，電子通過(guò)電纜流向陰極，從而陰極上富集了電子，這樣陰極不再失去金屬離子而產(chǎn)生電子，也就是陰極不腐蝕得到了保護(hù)。上述防腐方法稱(chēng)為陰極保護(hù)，目前已廣泛采用陰極保護(hù)方法來(lái)保護(hù)地下及水中的金屬構(gòu)筑物，已知金屬結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)溶液相接觸會(huì)形成原電池，陰極保護(hù)就是要消除金屬結(jié)構(gòu)上的陽(yáng)極區(qū)，可通過(guò)（1）犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)；（2）外加電流的陰極保護(hù)兩種方

8、法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1、犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)是將電位較負(fù)的金屬或合金作為犧牲陽(yáng)極，通過(guò)電纜與陰極即電位較正的金屬（如鋼鐵）連接，在電解質(zhì)中構(gòu)成了電池組。如鎂和鋼鐵之間電極電位不同，產(chǎn)生電位差（驅(qū)動(dòng)電壓），電子從電位較負(fù)的鎂經(jīng)電纜流入電位較正的鋼鐵 中，此時(shí)，鎂不斷的失去金屬離子產(chǎn)生電子而遭到腐蝕（即犧牲）；而鋼鐵因不斷地接受電子抑制了鐵離子的形成，從而避免腐蝕，這就是犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極的犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)。通常用做犧牲陽(yáng)極的材料有鎂合金、鋅合金、鋁合金，對(duì)于埋地金屬結(jié)構(gòu)物，用犧牲陽(yáng)極不僅有防腐蝕的功能，還能起到防干擾接地電池的作用，同時(shí)還有作為接地體的地電位均壓裝置的功能。2、外加電流的陰

9、極保護(hù)（強(qiáng)制電流法）外加電流的陰極保護(hù)是通以直流電流，將電源的負(fù)極接到被保護(hù)的金屬構(gòu)件上，正極接到輔助陽(yáng)極上，通過(guò)電解質(zhì)構(gòu)成一個(gè)回路。這樣金屬構(gòu)件得到保護(hù)，用做外加電流的輔助陽(yáng)極通常采用的是高硅鑄鐵陽(yáng)極，另外還有石墨、鉑，鈦合金陽(yáng)化物、柔性等陽(yáng)極。五、陰極保護(hù)應(yīng)用的范圍1、金屬結(jié)構(gòu)物的防腐通常采用不同形式的非金屬涂敷層，由于非金屬涂敷層在施工中產(chǎn)生的漏涂、運(yùn)輸安裝過(guò)程中的劃傷，隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的老化以及涂敷層本身的滲水性，造成金屬結(jié)構(gòu)表面涂層的局部破壞，進(jìn)而產(chǎn)生局部腐蝕，嚴(yán)重進(jìn)可導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)物的穿孔、斷裂，這對(duì)于輸油管道、煤氣管道、油氣貯罐等是十分致命的，極易引發(fā)災(zāi)難性的事故。陰極保護(hù)可

10、以彌補(bǔ)非金屬涂敷層的缺點(diǎn)，管道上產(chǎn)生的局部暴露部分的防腐可以由陰極保護(hù)來(lái)完成，管道及鋼質(zhì)儲(chǔ)罐等金屬構(gòu)筑物采用非金屬涂敷層和陰極保護(hù)聯(lián)合防腐的方法，是最經(jīng)濟(jì)、最有效、最可靠的防腐措施。2、犧牲陽(yáng)極也是各種接地網(wǎng)理想的防腐材料，安裝接地網(wǎng)的目的是有效地疏導(dǎo)電流，電廠(chǎng)和變電所都設(shè)計(jì)安裝了接地網(wǎng)，它的作用是均壓和散流。最方便和最經(jīng)濟(jì)的方法是采用裸露扁鐵網(wǎng)，這樣的接地網(wǎng)如不采用防腐措施，其表面很容易腐蝕，生成一層高電阻的Fe2O3和Fe3O4腐蝕層，阻礙電流的疏導(dǎo)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有的部位還會(huì)發(fā)生腐蝕斷裂，使接地網(wǎng)失去了原設(shè)計(jì)的功能，引發(fā)機(jī)毀人亡的事故。如采用非金屬涂層防腐，會(huì)造成接地網(wǎng)與土壤之間的電阻

11、大幅度增高甚至絕緣。目前常用的方法是鍍鋅和加厚接地網(wǎng)，因鋅的電位低于鋼鐵，在土壤中不需很長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)腐蝕殆盡；加厚設(shè)計(jì)并沒(méi)解決腐蝕問(wèn)題，也只是權(quán)宜之計(jì)，接地網(wǎng)采用犧牲陽(yáng)極法防腐，不僅保護(hù)了扁鐵，達(dá)到了防腐效果，而且增加了接地網(wǎng)和土壤的接觸面積，使它的功能效果更好。六、陰極保護(hù)法的選用陰極保護(hù)適用于直埋土壤中的管道、接地網(wǎng)、貯罐等鋼鐵結(jié)構(gòu)物，設(shè)計(jì)者應(yīng)慎重考慮選用何種陰極保護(hù)的方法。1、外加電流的陰極保護(hù)（強(qiáng)制電流法）用在長(zhǎng)距離輸送管道上，它要求具備直流電源，建立保護(hù)站并有專(zhuān)人看管養(yǎng)護(hù)。2、犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)適用于一切直埋土壤中的管道、接地網(wǎng)、貯罐、儲(chǔ)槽等鋼結(jié)構(gòu)物，它不需要另設(shè)直流電源、保護(hù)站，不需

12、要有專(zhuān)人看管，幾乎不需要養(yǎng)護(hù)。（1）根據(jù)土壤電阻率不同選用不同的犧牲陽(yáng)極。鋅陽(yáng)極適用于電阻率小于15歐姆·米的土壤中。鋁陽(yáng)極適用于海水、污水、石油等介質(zhì)中。鎂陽(yáng)極適用于任何電阻率的土壤中。帶狀陽(yáng)極應(yīng)用于高電阻率環(huán)境，臨地性陰極保護(hù)套管內(nèi)輸送管的保護(hù)及防交流干擾的接地墊。（2）管道達(dá)到完全保護(hù)所需的犧牲陽(yáng)極的重量根據(jù)土壤電阻率，被保護(hù)物的表面積及絕緣防腐涂層的質(zhì)量等因素來(lái)確定。七、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及陽(yáng)極用量的計(jì)算1、犧牲陽(yáng)極法（1）最小保護(hù)電位負(fù)于-0.85V（相對(duì)于Cu/飽和CuSO4參比電極）（2）最小保護(hù)電流密度最小保護(hù)電流密度的大小取決于被保護(hù)金屬的種類(lèi)、表面狀況、腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)

13、、組成、濃度、溫度和金屬表面絕緣層質(zhì)量等。涂層種類(lèi)不同所保護(hù)電流密度值不同，鋼管外覆蓋層的絕緣電阻越高，所需的保護(hù)電流密度值越小。見(jiàn)表1防腐層種類(lèi)及所需保護(hù)電流密度 表1防腐層種類(lèi)保護(hù)電流密度mA/m2塑料（聚乙烯層）石油瀝青玻璃布 7mm石油瀝青玻璃布 4mm舊瀝青層舊 油 漆1-30裸 管5-50附：狀態(tài)裸露無(wú)涂層舊涂層涂層質(zhì)量一般優(yōu)良涂層優(yōu)秀涂層保護(hù)電流密度（mA/m2）30-503-100.1-30.001（3）陽(yáng)極的接地電阻R=（/2L）×1n（2L/D）式中：土壤電阻率歐姆·米 L陽(yáng)極長(zhǎng)度米 D填料柱直徑米（4）犧牲陽(yáng)極的發(fā)生電流Ia=式中：E犧牲陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電位

14、伏（鋅陽(yáng)極取0.2，鎂陽(yáng)極取0.65-0.66）Ia（mg）=1200fY/（美國(guó)Harco防腐公司推薦的經(jīng)驗(yàn)公式）式中：Ia（mg）鎂陽(yáng)極的輸出電流毫安 土壤電阻率歐姆·厘米 f系數(shù) 查表2 Y修正系數(shù) 查表3陽(yáng)極重量（kg）系數(shù)1.40.532.30.604.10.717.71.0091.0014.51.06231.09f系數(shù) 表2（注：表為老標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)按表內(nèi)相近重量為準(zhǔn)。）Y修正系數(shù) 表3（5）保護(hù)面積S=×D×L式中：3.14 S總保護(hù)面積m2 D管徑mL管道長(zhǎng)度m管地電位（V）鎂陽(yáng)極修正系數(shù)-0.71.17-0.81.07-0.851.00-0.900.9

15、3-1.000.79-1.100.64-1.200.50（6）保護(hù)總電流IA=S×Im式中：IA所需總保護(hù)電流毫安 S總保護(hù)面積m2 Im最小保護(hù)電流毫安（7）所需陽(yáng)極數(shù)量N=K×IA/Ia式中：N陽(yáng)極數(shù)量支 K備用系數(shù)，一般取2-3 IA所需總保護(hù)電流毫安 Ia單支陽(yáng)極的輸出電流毫安（8）陽(yáng)極壽命T=0.85W/Ia式中：T陽(yáng)極壽命年 W陽(yáng)極凈質(zhì)量公斤 陽(yáng)極消耗率 Ia陽(yáng)極平均輸出電流2、外加電流法陰極保護(hù)（以DN159mm×8，40km管道為例）。（1）保護(hù)長(zhǎng)度的計(jì)算已知條件：A DN159mm×8B 被保護(hù)管道的長(zhǎng)度（兩端設(shè)絕緣法蘭）40000米C

16、 絕緣層電阻Rr=10000·m2D 最大保護(hù)電位Emax取-1.25伏（相對(duì)Cu/飽和CuSO4電極）E 最小保護(hù)電位Emin取-0.85伏（相對(duì)Cu/飽和CuSO4電極）F 管道自然電位En取-0.55伏G 鋼管電組率t取0.135·mm2/m（20#低碳鋼）則保護(hù)半徑L1=（1/a）1n2（E'max/E'min）式中：a衰減系數(shù)= RO單位長(zhǎng)度鋼管的縱向電阻歐姆 RO（單位長(zhǎng)度鋼管的縱向電阻，歐姆）=t/（D'-）=0.135/3.14（159-8）×8=3.56×10-5r（單位長(zhǎng)度鋼管絕緣層電阻 歐姆）=Rr/D=10

17、000/3.14×0.159=2.0×104-510104a= =4.22×10-5E'max=-1.25-（-0.55）=-0.70伏E'min=-0.85-（-0.55）=-0.30伏因此L1= ×1n2 =36.5公里保護(hù)長(zhǎng)度L=L1×2=73公里說(shuō)明：本管道全長(zhǎng)40公里，而理論計(jì)算保護(hù)長(zhǎng)度為73公里，整個(gè)管道處在保護(hù)范圍內(nèi)，在技術(shù)上是可行的。（2）保護(hù)電流計(jì)算IO =（a/RO）×E'minsh（aL） =（4.22×10-5/3.56×10-5）×0.3sh（4.22&#

18、215;10-5×3.56×103） =0.356×sh1.54 =0.356×2.23 =0.794（A）2IO=2D · JS · L式中：IO單側(cè)方向保護(hù)電流（A） L單側(cè)保護(hù)長(zhǎng)度（m） JS保護(hù)電流密度（A/m2）總保護(hù)電流I=0.794×2=1.588（安）（3）輸出電壓計(jì)算（直流電源額定輸出電壓）V=I（Ra+RL+Rc）+Vr式中：I系統(tǒng)保護(hù)電流，1.588A（可取1.1I總） RL導(dǎo)線(xiàn)電阻，（·L/S）0.48歐姆 Ra陽(yáng)極組接地電阻 Rc /2th（aL）0.61歐姆（管道/土壤界面過(guò)渡電阻 ）

19、Vr陽(yáng)極地床反電動(dòng)勢(shì)（焦炭填料可取2伏） L被保護(hù)管道長(zhǎng)度mV=1.588×（0.48+2.5+0.61）+2=5.7（伏）（4）電源功率計(jì)算P=I·V/=1.588×5.7/0.7=12.93W（瓦）式中：電源設(shè)備效率，一般取0.7（5）輔助陽(yáng)極的計(jì)算（6）采用硅鑄鐵陽(yáng)極的用量計(jì)算G=T·g·I/K式中：G陽(yáng)極總質(zhì)量kg T陽(yáng)極的設(shè)計(jì)壽命a g陽(yáng)極的消耗率kg/A·a I陽(yáng)極的最大工作電流G=20×1.0×50/0.7=1428.6（公斤）（7）陽(yáng)極數(shù)量的計(jì)算n=G/G1式中：n陽(yáng)極數(shù)量支 G陽(yáng)極總重量公斤 G1

20、單支陽(yáng)極重量公斤n=1428.6/40=35.7（取36支）八、犧牲陽(yáng)極的安裝1、犧牲陽(yáng)極的制作防腐連接填包料配比包裝袋要求2、犧牲陽(yáng)極平放或豎放在預(yù)先挖好的陽(yáng)極抗中。3、陽(yáng)極坑的深度、位置、間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)無(wú)設(shè)計(jì)要求時(shí)，深度應(yīng)不小于1.0m，埋設(shè)的位置距管外壁3-5m，埋設(shè)間距2-3m，陽(yáng)極坑的長(zhǎng)度方向與管道走向平行。3、陽(yáng)極通過(guò)電纜焊接在被保護(hù)物（陰極）上。（必須焊接牢固，鋁熱焊接，焊點(diǎn)局部防腐層清除干凈，焊后必須將連接處重新與原防腐層相容的材料進(jìn)行防腐絕緣處理。）4、陽(yáng)極放入坑后，用水將陰極包灌透，然后用細(xì)沙土回填。5、為了檢測(cè)方便，可以設(shè)計(jì)安裝有代表性的若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)上焊上測(cè)試樁。6、測(cè)試樁：從埋地管道上引出的用于測(cè)量陰極保護(hù)參數(shù)的裝置。測(cè)試樁的設(shè)置是為了監(jiān)測(cè)犧牲陽(yáng)極裝置的保護(hù)電位、電流等數(shù)據(jù)以判斷管道的保護(hù)狀況。宜安裝在土壤腐蝕性強(qiáng)、濕度大、管道絕緣防腐層薄弱的地方，在管道