醫(yī)學專題燃氣管道陰極保護

1、管道陰極保護理論與實踐胡士信中國石油天然氣管道工程有限公司2021/7/19 星期一1 第一節(jié) 腐蝕與防護 第二節(jié) 陰極保護 第三節(jié) 犧牲陽極保護 第四節(jié) 強制電流 第五節(jié) 排流保護 第六節(jié) 陰極保護管道設(shè)計 第七節(jié) 陰極保護測試 第八節(jié) 運行與管理2021/7/19 星期一2第一節(jié) 腐蝕與防護1.1 腐蝕定義及防腐的意義1.1.1 定義 可從幾方面下定義（1）由于材料與環(huán)境作用而引起的破壞和變質(zhì)；（2）除了單純機械破壞以外的材料一切破壞；（3）冶金的逆過程。 2021/7/19 星期一3ISO定義： 金屬與環(huán)境間的物理-化學相互作用，其結(jié)果使金屬的性能發(fā)生變化,并?？蓪е陆饘?、環(huán)境或由它們作

2、為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損傷。注：該相互作用通常為電化學性質(zhì)。（見GB/T 10123-2001） 2021/7/19 星期一41.1.2 防蝕意義腐蝕損失 UK，Hoar,1969為13.65億英鎊3.5%GDP； US 1975，700億 4.2%GDP，820億，1982年，1260億， 1992年，1700億； NACE 新統(tǒng)計為3000億，GDP4.2%，其中基礎(chǔ)設(shè)施為 1500億，1100/人； 中國 石油行業(yè) 1987統(tǒng)計，漏泄：容器0.14次/臺年，管道2萬/年； 1989，石化 約20億； 西直門橋1979建，1999拆，重修費用3000萬，北京立交橋 有200座，僅大

3、北窯橋改造工程就花4000萬； 2003年10月發(fā)表的中國腐蝕調(diào)查報告指出: 我國腐蝕損失為 5000億元/年 5%GDP 其中 20% 可以避免 1000億元 2021/7/19 星期一51.1.3 腐蝕分類 （1）高溫、低溫；（2）化學、電化學；（3）濕、干腐蝕。 1.1.4 腐蝕速率表示方法（1）均勻腐蝕： 失重量、腐蝕深度、腐蝕電流；（2）局部腐蝕 ：點蝕系數(shù)。 2021/7/19 星期一61.2 防蝕方法 1 選擇耐蝕材料 (供應(yīng)、耐蝕、成本、強度、加工性、外觀等因素) 2 與環(huán)境隔離的防腐層技術(shù) 3 適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計 4 陰極保護 5 緩蝕劑 6 改變環(huán)境 降溫、降速、除氧、改變濃度

4、 7 防銹技術(shù)（電鍍、涂料） 8 材料改性（不銹鋼）1.3 腐蝕領(lǐng)域新方向 肖紀美，簡易材料觀，李金桂，表面工程論 2021/7/19 星期一7第二節(jié) 陰極保護2.1 陰極保護原理 1 三電極理論 2 E-pH理論 3 極化理論 4 原電池理論 原電池三要素： 1）兩電極電位不同的兩電極； 2）兩電極必須在同一電解質(zhì)溶液里； 3）兩電極間必須有導線連接。 防腐蝕方法： 陰極保護破壞（1），防腐層破壞（2）。 2021/7/19 星期一82.2 陰極保護參數(shù) 2.2.1 保護電位準則（NACE RP 0169-96、SY/T 0036）： （1）通電情況下 -850mV； （2）極化電位 -85

5、0mV； （3）極化電位差 -100mV。 測試條件 (1) 通電條件下測量,含有IR降,必須除去 (2) 通常采用斷電法測量,不含IR降 (3) 極化形成或衰減過程中 (4) 管網(wǎng)及雜散電流干擾下,必須采用探頭法測 2021/7/19 星期一9 術(shù)語: 參比電極： 一種不極化電極，可用于測量管/地電位，它具有穩(wěn)定的氫標電位。土壤中常用的是Cu/CuSO4電極。在一些不易接近的地方，有時也用金屬電極（如Zn）。測量交流電壓時可使用金屬棒作參比電極。Voff斷電電位 ： 斷開陰極保護電流后瞬間直接測得的管/地電位。因不含IR降，故可視為極化電位。2021/7/19 星期一10Von通電電位 ：施

6、加陰極保護電流情況下測得的管/地電位。 因含有IR降，故不宜做為保護準則用。若要用時，應(yīng)考慮排 除其IR降成分。極化電位 ：施加保護電流后引起管/地電位的偏移。 管地電位 ：用與土壤相接觸的參比電極測得的管道對地電位。 2.2.2 保護電位密度 覆蓋層的質(zhì)量 環(huán)境條件（流速、污染、溫度）2021/7/19 星期一112.3 陰極保護方法 1 犧牲陽極法 2 強制電流法 3 排流保護法 方法比較見表6-1 2021/7/19 星期一12CATHODIC CORROSION PROTECTION2021/7/19 星期一132.4 防腐層與陰極保護（1）防腐層的作用：隔絕電解質(zhì)（2）防腐層的種類石

7、油瀝青：早期用、面積電阻低、有污染、應(yīng)淘汰環(huán)氧煤礦瀝青：早期用于補口、面積電阻很低、質(zhì)量不宜控制、 應(yīng)禁用煤焦油瓷漆：性能好、壽命長、面積電阻低、有污染、不應(yīng)大量 應(yīng)用環(huán)氧粉末(FBE)：性能優(yōu)、壽命長、面積電阻高、應(yīng)大力推廣應(yīng)用聚乙烯(PE)：性能優(yōu)、壽命長、面積電阻很高、但有陰極屏蔽作用三層PE(FBE-膠-PE)：性能優(yōu)、壽命長、面電阻很高、防腐功能強、 但有陰極屏蔽作用 （3）防腐層質(zhì)量與陰極保護電流密度 2021/7/19 星期一142.5 陰極保護技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀（1）管道 20000km長輸管道全施加保護 油田集輸管道基本施加了保護 市政供氣、水管道有上保護和無保護的 （2）儲罐 國

8、內(nèi)大型儲罐基本都施加了保護 城市加油站的小型儲罐有的上了保護 （3）標準與法律 中國石油天然氣管道保護條例 國內(nèi)有一套陰極保護的待業(yè)標準2021/7/19 星期一15第三節(jié) 犧牲陽極保護3.1 犧牲陽極種類 基本要求： （1）要有足夠的負電位，且很穩(wěn)定； （2）工作中陽極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫落； （3）電流效率高； （4）電化當量高，單位重量的電容量大； （5）腐蝕產(chǎn)物無毒，不污染環(huán)境； （6）材料來源廣，加工容易； （7）價格便宜。 2021/7/19 星期一163.1.1 鎂及鎂合金：（1）品種：高純鎂、高電位、標準；（2）性能：電位高、效率低；3.1.2 鋅及鋅合金 （1）品種：

9、高純鋅、鋅-鋁-鎘、鋅-鋁；（2）性能：電位低、效率高；3.1.3 鋁合金 （1）品種：鋁-鋅-銦、鋁-鋅-汞； （2）性能：不能用于土壤中。質(zhì)量要求：要點雜質(zhì)含量不能大，主要是鐵，合金成分合理. 2021/7/19 星期一173.2 犧牲陽極應(yīng)用 依據(jù)環(huán)境條件選用 （表8-13） 依據(jù)保護對象選 依據(jù)使用功能選 2021/7/19 星期一183.3 犧牲陽極設(shè)計 1 陽極種類的選擇（表8-13） 2 計算程序 （1）接地電阻 （2）單支輸出電流 （3）所需陽極數(shù)量 （4）陽極壽命 3 地床結(jié)構(gòu) 填料的成分和作用 2021/7/19 星期一19 4 施工 （1）地床位置 （2）陽極間隔 （3）

10、埋設(shè)方式 5 犧牲陽極的特殊應(yīng)用 （1）接地極 （2）參比電極 （3）防強電干擾接地柵 （4）接地電池2021/7/19 星期一20第四節(jié) 強制電流4.1 電源 4.1.1 要求 （1）安全可靠； （2）電流電壓連續(xù)可調(diào)； （3）適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境； （4）有富裕電容量； （5）與系統(tǒng)電阻相配； （6）操作維護簡單；價格合理。 2021/7/19 星期一21 4.1.2 電源種類 （1）整流器 （2）太陽電池 （3） CCVT （4） TEG （5）風力發(fā)電機 2021/7/19 星期一22ALTERNATIVE DC-POWER SOURCESFOR CATHODIC PROTECTION UNI

11、TS2021/7/19 星期一234.1.3 電源選用原則 （1）首選整流器； （2）優(yōu)化恒電位； （3）無電看氣象； （4）發(fā)電有無氣 (5) CCITT和ITU無電地區(qū)的電源推薦方案(P104)2021/7/19 星期一244.2 輔助陽極 基本要求： （1）消耗率低， （2）陽極極化低； （3）導電性好； （4）可靠性高； （5）足夠的機械強度和穩(wěn)定性； （6）耐磨蝕，抗侵蝕； （7）材料來源廣，價格便宜； （8）容易制造成各種形狀。2021/7/19 星期一254.2.1 陽極分類 （1）石墨陽極 ； （2）高硅鑄鐵陽極 ； （3）磁性氧化鐵陽極 ； （4）金屬氧化物陽極 ； （5）柔

12、性陽極 。 2021/7/19 星期一264.2.2 回填料 （1）作用：降低陽極/土壤接觸電阻； 良好導電率； 腐蝕氣體排出； 耐陽極產(chǎn)物。 （2）品種： 石油焦、冶金焦 （3）粒徑 315 mm (4) 含碳量 大于85%2021/7/19 星期一274.2.3 地床結(jié)構(gòu)及位置 （1）設(shè)計原則：接地電阻要適當； 干擾影響小； 電流分布均勻； （2）結(jié)構(gòu)：要加回填料，以防氣阻； 上部要有粗砂，利于排氣； （3）形式：淺埋立式、 淺埋水平式、 深井可換式、 深井閉合式。 2021/7/19 星期一28第五節(jié) 排流保護5.1 直流干擾危害及防護 5.1.1 DC雜散電流判據(jù)（1）管/地電位偏移+

13、20mV或地電位梯度大于0.5mV/m確認有干擾；（2）管/地電位偏移+100mV或地電位梯度大于2.5mV/m要采取措施。2021/7/19 星期一295.1.2 DC雜散電流的危害（1）電蝕：激烈、集中、量大，鐵 9.1kg/A.a； （2）實例：東北管網(wǎng)，雜散電流干擾區(qū)占2%，而腐蝕 穿孔占60%； 高達500A，腐蝕率大于10-15mm/a； 最快為3個月穿孔； （3）主要干擾源：電（地）鐵、電解、電鍍、電焊（船的維修)、陰極保護（城市管道）、直流用電設(shè)備。2021/7/19 星期一305.1.3 防護 （1）直接排流 ； （2）極性排流 ； （3）強制排流 ； （4）間接排流 ； (

14、5）鎂陽極極性間接排流 。2021/7/19 星期一315.2 交流干擾危害及防護 5.2.1 AC雜散電流感應(yīng)影響 （1）干擾源： 大于110kV高壓線路、 電氣化鐵路、 發(fā)電廠變電站 （2）影響途徑： 容性耦合、 阻性耦合、 感性耦合 （3）實例：寶成線油庫管線、 東北管道（兩線一地、哈大線)2021/7/19 星期一32SIGNIFICANT PARAMETERS IN ANALYSIS OF HVAC INTERFERENCE ON PIPELINESElectromagnetic fieldSoil resistivity W x mCoating quality Coating r

15、esistanceLength of parallelismOffset distanceHIGH VOLTAGE INTERFERENCE INDUCED PIPE TO SOIL VOLTAGE2021/7/19 星期一335.2.2 AC雜散電流感應(yīng)影響危害 （1）安全 操作人員 設(shè)備安全 （2）腐蝕影響 對于鋼鐵相當DC的1%2% 兩性金屬不能忽略2021/7/19 星期一345.2.3 防護 （1）指標：持續(xù)65V(德國Afk3）60V(中國GB6830、TB/T2832）； 瞬間1000V（德國）430V（中國） （2）防護：接地排流、極性排流、嵌位式排流、電容排流、絕緣 隔斷、

16、AT(自耦變壓器）BT(吸流變壓器）方式、 絕緣接頭防護 （3）國內(nèi)實踐： 寶成線、 哈大線、 秦京線2021/7/19 星期一35第六節(jié) 陰極保護管道設(shè)計6.1 陰極保護電絕緣 6.1.1 防腐層6.1.2 絕緣接頭6.1.3 絕緣法蘭6.1.4 絕緣支撐6.1.5 與其它構(gòu)筑物電絕緣(穿跨越處) 2021/7/19 星期一366.2 電連續(xù)性6.2.1 跨接 法蘭接處 站外干線管道連接 閥室外連接 預應(yīng)力混凝土管道的環(huán)向筋的連接2021/7/19 星期一376.3 測試系統(tǒng) 6.3.1 遙控系統(tǒng)6.3.2 遙測系統(tǒng)6.3.3 測試樁種類(電位、電流、絕緣、交叉、套管）6.3.4 測試探頭的

17、應(yīng)用（罐底、雜散電流、管網(wǎng)）6.3.5 參比電極（恒電位儀、近參比）2021/7/19 星期一386.4 測試項目與管理（詳見第8節(jié)）6.4.1 犧牲陽極系統(tǒng)6.4.2 強制電流系統(tǒng)6.4.3 陰極保護管理的三大指標6.4.4 測試項目2021/7/19 星期一396.5 設(shè)計計算 6.5.1 強制電流系統(tǒng) （1)所需保護總電流 (2)單站保護范圍 (3) 所需站數(shù) (4)單站電流（5)單支陽極電阻 (6)所需陽極質(zhì) (7)回路電阻（陽極、陰極導線、陽極導線） (8)電源功率2021/7/19 星期一406.5.2 犧牲陽極系統(tǒng)（1）所需保護電流 （2）單支陽極電流（3）陽極數(shù)量 （4）單支陽

18、極保護范圍（5）陽極壽命2021/7/19 星期一41第七節(jié) 陰極保護測試7.1 陰極保護電位測試 7.1.1 一般原則 7.1.2 參比電極 7.1.3 測試儀器 7.1.4 測試方法 7.1.5 電位測試中IR降影響及消除 2021/7/19 星期一427.2 保護準則測試 7.2.1 一般要求 7.2.2 通電電位-850mV 7.2.3 極化電位-850mV 7.2.4 100mV極化差 建立中 衰減中 2021/7/19 星期一437.3 電流測試 7.3.1 犧牲陽極電流 標準電阻法 雙電流表法 7.3.2 管內(nèi)電流 兩極法 四極法 7.3.3 保護電流密度 Js = (I1 I2

19、)/ S 2021/7/19 星期一447.4 電阻測試 7.4.1 土壤電阻率 現(xiàn)場四極法 土壤箱法 7.4.2 接地電阻 ZC8三極法 兩極法 2021/7/19 星期一45MEASUREMENT OF CURRENT DENSITY AND COATING RESISTANCECATHODIC PROTECTION OF PIPELINES2021/7/19 星期一467.5 故障點測試 7.5.1 套管短路 電位差法 7.5.2 覆蓋層漏點 地面檢漏 地電位梯度 7.5.3 與其它管道短路點 地面電位梯度2021/7/19 星期一477.6 覆蓋層面積電阻測試 7.6.1 方法簡介 7

20、.6.2 原理直流電場理論 7.6.3 問題討論名稱（定義）、單位德國貝克曼定義：防腐層電阻率是防腐層電阻和面積的乘積。單位：m2。測量方法的區(qū)別NACE TM 0102地下管道保護性覆蓋層電導率的測量方法覆蓋層面電阻與保護電流密度的關(guān)系 7.6.4 檢漏與面電阻測量的區(qū)別檢漏可定性的給出防腐層的好與壞，但不能得出面電阻；交流檢測信號無論是電平還是電流都與直流不一樣；用于檢漏，交流電流信號好于電平信號。 2021/7/19 星期一48NACE TM 0102簡介（1）一般方法（2）電位衰減法（3）用電導率來評價覆蓋層狀態(tài)2021/7/19 星期一49第八節(jié) 運行與管理8.1 概述 陰極保護工程

21、應(yīng)與被保護構(gòu)筑物同時設(shè)計、同時施工、同時投產(chǎn)，一旦投入運行，就應(yīng)確保陰極保護系統(tǒng)持續(xù)有效，任何異?，F(xiàn)象都應(yīng)及時處理，這是管理工作者的責任。 2021/7/19 星期一508.1.1 一般技術(shù)要求8.1.1.1 被保護構(gòu)筑物的電位 陰極保護的有效性判據(jù)是保護電位，因此電位參數(shù)測試的準確性顯得十分重要，通常要注意： (1) 測量回路中的IR降影響； (2) 參比電極的校準； (3) 測試儀表的精確度（內(nèi)阻及量程）； (4) 外界干擾的存在； (5) 極化時間要求。 管理工作中，被保護構(gòu)筑物的電位是必測項目，測量的時間間隔應(yīng)有明確的規(guī)定，定期測得的數(shù)據(jù)要納入技術(shù)檔案，永久保存。 2021/7/19

22、星期一51 POTENTIAL MEASUREMENT WITH POLARIZATION PROBE2021/7/19 星期一52陰極保護準則的練習自然電位 通電電位 斷電電位0.550 0.980 0.851 A,B,C0.450 0.848 0.554 C0.501 0.899 無IR降 A,B,C不知道 0.932 0.865 A,BA=0.850V(通) ; B=0.850V(斷) ; C=100mV (極化差)2021/7/19 星期一53 8.1.1.2 犧牲陽極系統(tǒng) 在犧牲陽極設(shè)計時，陽極與被保護構(gòu)筑物的連接有兩種方式，一是直接焊到被保護體上，另一種是通過接線盒與被保護體相連。

23、對于前一種情況，被保護構(gòu)筑物的自然電位將測不出來，應(yīng)采用輔助試片，試片不與被保護體相連，并置于同一電解質(zhì)中，試片的材質(zhì)應(yīng)與被保護體相同。 犧牲陽極的測試參數(shù)有電位、電流和電阻。 犧牲陽極的管理要求為： (1) 定期檢測被保護構(gòu)筑物的電位； (2) 半年或一年檢測一次陽極工作電位和電流； (3) 必要時檢驗陽極表面腐蝕狀態(tài)； (4) 犧牲陽極裝置系統(tǒng)完整性維護。 2021/7/19 星期一54犧牲陽極故障分析有以下兩項：（1）陽極輸出電流減小，達不到保護電位，這種現(xiàn)象的可能原因有： a. 陽極消耗，可能需要更換； b. 陽極/陰極的連接斷開； c. 陽極/導線接頭斷開； d. 陰極/導線接頭斷開

24、； e. 陽極周圍土壤干燥； f. 環(huán)境污染對陽極性能的影響。 2021/7/19 星期一55（2）陽極輸出電流增大，但保護構(gòu)筑物電位極化不上去，這種 現(xiàn)象的可能原因有： a.被保護構(gòu)筑物所需電流過大,陽極輸出的電流遠小于所需電流； b.被保護體與相鄰金屬構(gòu)筑物有電連接； c.環(huán)境改變引起迅速去極化或者水的含氧量增大； d.絕緣裝置失效； e.覆蓋層老化或破壞。 2021/7/19 星期一56 （3）犧牲陽極其它故障 a. 陽極體腐蝕不嚴重，但陽極已不能工作。可能的原因為，陽極成分不合理，在工作環(huán)境中造成鈍化所致，影響因素有溫度、含鹽類型等。 b. 陽極體局部腐蝕嚴重，造成陽極體斷裂?？赡艿脑?/p>

25、因是陽極合金化不均勻，造成局部腐恂。 c. 未達設(shè)計壽命，陽極失效。可能的原因為，陽極雜質(zhì)含量高，陽極效率降低。 d. 在交流電干擾狀態(tài)下，有時陽極會發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，管理中，如有交流干擾要嚴密監(jiān)視。 2021/7/19 星期一57 8.1.1.3 強制電流系統(tǒng) 強制電流系統(tǒng)由電源和輔助陽極兩部分組成，其維護的內(nèi)容也是這兩方面。 電源設(shè)備種類較多，采用交流供電的有恒電位儀、恒電流儀及變壓器、整流器、配電裝置等形式，它們的維護保養(yǎng)與低壓用電設(shè)備一樣。采用TEG、CCVT等供電方式的，除了要按低壓電器設(shè)備的維護要求外，還要對燃氣供給系統(tǒng)進行維護保養(yǎng)。 2021/7/19 星期一58通常要注意的有： 電

26、連接點牢固可靠； 機體對地絕緣符合規(guī)定； 外殼無銹蝕； 供氣系統(tǒng)暢通無阻； 散熱板無積炭； 太陽能電池極板無枳雪或灰塵； 不同地理位置，不同的環(huán)境溫度要校準儀器設(shè)備的 工作點。 2021/7/19 星期一59 輔助陽極地床結(jié)構(gòu)形式多種多樣，不管使用什么樣的地床，都要注意： 陽極引線接頭防水絕緣密封完好； 陽極對電解質(zhì)的電阻穩(wěn)定不變； 土壤環(huán)境中的陽極“氣阻”現(xiàn)象。 2021/7/19 星期一60對于強制電流陰極保護系統(tǒng)，常見故障及其原因有： (1) 通電后，構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位變正，這是正、負極接反了，必須立即更正，否則將會造成被保護體快速電解腐蝕，危險性極大。 (2) 施加電壓正常，電流小但不

27、為零，可能的原因有： a. 陽極或地床破壞； b. 地床干燥或陽極露出水面； c. 土壤環(huán)境中，陽極地床的“氣阻”； d. 陽極接頭斷開； e. 陰極引線斷開。 2021/7/19 星期一61 (3) 施加電壓正常，電流為零，可能的原因為陰、陽極引線斷開，或陽極完全失效。 (4) 施加電壓、電流偏小，可能的原因有： a. 變壓比例不合適； b. 變壓、整流器故障； c. 供電系統(tǒng)故障。 (5) 施加電壓、電流偏大，可能的原因是變壓比例不合適。 2021/7/19 星期一62 (6) 施加的電壓、電流正常,但構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位負移不夠， 可能的原因有： a. 電連接點斷開或接頭電阻過大； b.

28、測試點處土壤干燥或土壤充氣過多； c. 環(huán)境去極化作用過強，或水中含氧量增大； d. 絕緣故障，與其它構(gòu)筑物短路； e. 金屬構(gòu)筑物的屏蔽作用； f. 相鄰陰極保護裝置失效； g. 防腐覆蓋層老化或損壞。 2021/7/19 星期一63 (7) 施加的電壓、電流正常，但構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位負得不正常， 可能的原因有： a. 在遠端電連續(xù)性跨接斷開； b. 調(diào)試之后，電解質(zhì)的充氣降低； c. 電解質(zhì)流速降低； d.干擾跨接斷開； (8) 施加的電壓、電流正常，但構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位波動，可能 的原因是雜散電流干擾。 2021/7/19 星期一64 8.1.1.4 管理測量 由于陰極保護系統(tǒng)管理測量為現(xiàn)場測量，就測量的準確性、重現(xiàn)性和對比性而言，要求操作者力爭作到： (1) 測試儀表前、后一致； (2) 參比電極位置固定不變； (3) 環(huán)境條件（溫度、濕度等）盡量相同； (4) 接線連接工具一樣； (5) 參比電極使用前應(yīng)校正。 2021/7/19 星期一658.2 地下金屬構(gòu)筑物8.2.1 總則 按SY/T 591994標準要求，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護管理主要控制下面幾個指標： (1)保護率100； (2)運行率95； (3)保護度85； (4) 保護電位：一般地區(qū)為-