埋地管道的陰極保護(hù)

會(huì)計(jì)學(xué)1埋地管道的陰極保護(hù)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所2

陰極保護(hù)技術(shù)在我國(guó)石油管道上的應(yīng)用研究始于1958年。到了60年代初期，在新疆、大慶、四川等油氣管道上陸續(xù)推廣了陰極保護(hù)技術(shù)。70年代，我國(guó)的長(zhǎng)輸管道已廣泛采用了陰極保護(hù)。目前，國(guó)外陰極保護(hù)技術(shù)已做到了法律化。標(biāo)準(zhǔn)化，比較重要的有《美國(guó)氣體管道聯(lián)邦最低安全標(biāo)準(zhǔn)》、德國(guó)的《長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸危險(xiǎn)液體的規(guī)定》、NACE的《埋地及水下金屬管道外腐蝕控制推薦作法》等。

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中國(guó)的第一部管道防腐蝕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是SYJ7-84鋼質(zhì)管道和儲(chǔ)罐防腐蝕工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。第一部法規(guī)是國(guó)務(wù)院1989年頒布的《石油、天然氣管道管理?xiàng)l例》，條例首次將管道陰極保護(hù)的要求列入了管理的內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)一萬(wàn)七千余公里的長(zhǎng)距離油氣管道已經(jīng)全部采用了陰極保護(hù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了保障。

第2頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所4一、陰極保護(hù)原理用圖3-l的極化圖解可以清楚地說(shuō)明陰極保護(hù)的工作原理。以外加電流的陰極保護(hù)為例，暫不考慮腐蝕電池的回路電阻，則在未通電流保護(hù)以前，腐蝕原電池的自然腐蝕電位為E，相應(yīng)的最大腐蝕電流為IC。第3頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所5

通上外加電流后，由電解質(zhì)流入陰極的電流量增加，由于陰極的進(jìn)一步極化，其電位將降低。如流入陰極電流為ID，則其電位降至E′，此時(shí)由原來(lái)的陽(yáng)極流出的腐蝕電流將由IC降至I′。ID與I′的差值就是由輔助陽(yáng)極流出的外加電流量。為了使金屬構(gòu)筑物得到完全保護(hù)，即沒有腐蝕電流從其上流出，就需進(jìn)一步將陰極極化到使總電位降至等于陽(yáng)極的初始電位EAO，此時(shí)外加的保護(hù)電流值為IP。從圖上可以看出，要達(dá)到完全保護(hù)，外加的保護(hù)電流要比原來(lái)的腐蝕電流大得多。

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顯然，保護(hù)電流IP與最大腐蝕電流IC的差值決定于腐蝕電池的控制因素。受陰極極化控制時(shí)，二者的差值要比受陽(yáng)極極化時(shí)小得多。因此，采用陰極保護(hù)的經(jīng)濟(jì)效果較好。二、陰極保護(hù)的方法實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的方法通常有犧牲陽(yáng)極法和強(qiáng)制電流法。由于雜散電流排除過(guò)程中，在管道上保留有一定的負(fù)電位，使管道得到了陰極保護(hù)，所以排流保護(hù)也是一種限定條件下的陰極保護(hù)方法。

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1.犧牲陽(yáng)極法在腐蝕電池中，陽(yáng)極腐蝕，陰極不腐蝕。利用這一原理，以犧牲陽(yáng)極優(yōu)先溶解。使金屬構(gòu)筑物成為陰極而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的方法稱為犧牲陽(yáng)極法（圖3-2）。第6頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所8

為了達(dá)到有效保護(hù)，犧牲陽(yáng)極不僅在開路狀態(tài)（犧牲陽(yáng)極與被保護(hù)金屬之間的電路未接通）有足夠負(fù)的開路電位（即自然腐蝕電位），而且在閉路狀態(tài)（電路接通后）有足夠的閉路電位（即工作電位）。這樣，在工作時(shí)可保持足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)電壓指犧牲陽(yáng)極的閉路電位與金屬構(gòu)筑物陰極極化后的電位兩者之差，亦稱為有效電壓。第7頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所9

作為犧牲陽(yáng)極材料，必須具有下列條件：(1)要有足夠的負(fù)電位，且很穩(wěn)定；(2)工作中陽(yáng)極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫落；(3)陽(yáng)極必須有高的電流效率，即實(shí)際電容量和理論電容量之比的百分?jǐn)?shù)要大；(4)電化當(dāng)量高，即單位重量的電容量要大；(5)腐蝕產(chǎn)物無(wú)毒，不污染環(huán)境；(6)材料來(lái)源廣，加攻容易，價(jià)格便宜。第8頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所10

在土壤環(huán)境中常用的陽(yáng)極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金；在海洋環(huán)境中還有鋁合金。這三類犧牲陽(yáng)極已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

2.強(qiáng)制電流法根據(jù)陰極保護(hù)的原理，用外部的直流電源作陰極保護(hù)的極化電源，將電源的負(fù)極接管道（被保護(hù)構(gòu)筑物），將電源的正極接至輔助陽(yáng)極，在電流的作用下，使管道發(fā)生陰極極化，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)（圖3-2）。

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強(qiáng)制電流法的電源常用的有整流器，還有太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)生器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。輔助陽(yáng)極的常用材料有高硅鑄鐵、石墨，磁性氧化鐵及廢鋼鐵等。強(qiáng)制電流法是目前長(zhǎng)距離管道最主要的保護(hù)方法。

3.排流保護(hù)當(dāng)有雜散電流存在時(shí)，通過(guò)排流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的陰極極化，這時(shí)雜散電流就成了陰極保護(hù)的電流源。但排流保護(hù)是受到雜散電流所限制的。通常的排流方式有直接排流、極性排流、強(qiáng)制排流三種形式。各種形式都有一定的局限性。第10頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所12

當(dāng)對(duì)被保護(hù)構(gòu)筑物選用陰極保護(hù)方式時(shí)主要考慮的因素有：（1）保護(hù)范圍的大?。捍笳邚?qiáng)制電流優(yōu)越，小者犧牲陽(yáng)極經(jīng)濟(jì)；（2）土壤電阻率的限制：電阻率太高不宜采用犧牲陽(yáng)極；（3）周圍鄰近的金屬構(gòu)筑物：有時(shí)因干擾而限制了強(qiáng)制電流的應(yīng)用；（4）覆蓋層的質(zhì)量：對(duì)于覆蓋層太差或裸露的金屬表面，因其所需保護(hù)電流太大而使?fàn)奚?yáng)極不適用；（5）可利用的電源因素；

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（6）經(jīng)濟(jì)性。表3-1是陰極保護(hù)與排流保護(hù)的比較。

三、陰極保護(hù)參數(shù)在圖3-1中，可以看到與陰極保護(hù)相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)：自然腐蝕電位、保護(hù)電位、保護(hù)電流（可以換算成電流密度）。正確選擇和控制這些參數(shù)是決定保護(hù)效果的關(guān)鍵。為了直觀。定量地比較陰極保護(hù)的效果，有時(shí)還要引用陰極保護(hù)保護(hù)度參數(shù)。而在實(shí)際保護(hù)中入們僅把保護(hù)電位作為控制參數(shù)，因?yàn)樗茏匀桓g電位和保護(hù)電流所控制，而且在實(shí)踐中容易操作。第12頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所14第13頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所15

1.自然腐蝕電位無(wú)論采用犧牲陽(yáng)極法還是采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，被保護(hù)構(gòu)筑物的自然腐蝕電位都是一個(gè)極為重要的參數(shù)。它體現(xiàn)了構(gòu)筑物本身的活性，決定了陰極保護(hù)所需電流的大小，同時(shí)又是陰極保護(hù)準(zhǔn)則中重要的參考點(diǎn)。

2.保護(hù)電位按國(guó)標(biāo)GB/T10123-88的定義，保護(hù)電位為“進(jìn)入保護(hù)電位范圍所必須達(dá)到的腐蝕電位的臨界值”。保護(hù)電位是陰極保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，它標(biāo)志了陰極極化的程度，是監(jiān)視和控制陰極保護(hù)效果的重要指標(biāo)。

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為使腐蝕過(guò)程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達(dá)到的電位稱為最小保護(hù)電位，也就是腐蝕原電池陽(yáng)極的起始電位。其數(shù)值與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成。濃度及溫度等有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，碳鋼在土壤及海水中的最小保護(hù)電位為-0.85V（CSE）左右。第15頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所17

管道通入陰極電流后，其負(fù)電位提高到一定程度時(shí)，由于H+在陰極上的還原，管道表面會(huì)析出氫氣，減弱甚至破壞防腐層的粘結(jié)力，不同防腐層的析氫電位不同。瀝青防腐層在外加電位低于-1.20V（CSE）時(shí)開始有氫氣析出，當(dāng)電位達(dá)到-1.5OV（CSE）時(shí)將有大量氫析出。因此，對(duì)于瀝青防腐層取最大保護(hù)電位為-1.20V（CH）。若采用其他防腐層，最大保護(hù)電位值也應(yīng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。聚乙烯防腐層的最大保護(hù)電位可取-1.50V（CSE）。

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3.保護(hù)電流密度在國(guó)標(biāo)GB/T10123-88中，保護(hù)電流密度的定義是：“從恒定在保護(hù)電位范圍內(nèi)某一電位的電極表面上流入或流出的電流密度”。此定義適用于陰極保護(hù)和陽(yáng)極保護(hù)，對(duì)于陰極保護(hù)來(lái)說(shuō)只能是“流入”。保護(hù)電流密度與金屬性質(zhì)、介質(zhì)成分、濃度。溫度、表面狀態(tài)（如管道防腐層狀況）、介質(zhì)的流動(dòng)、表面陰極沉積物等因素有關(guān)。對(duì)于土壤環(huán)境而言，有時(shí)還受季節(jié)因素的影響。第17頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所19

因保護(hù)電流密度不是固定不變的數(shù)值，所以，一般不用它作為陰極保護(hù)的控制參數(shù)；只有無(wú)法測(cè)定電位時(shí)，才把保護(hù)電流密度作為控制參數(shù)。例如在油井套管的保護(hù)中，電流密度是一個(gè)重要參數(shù)，可以作為控制參數(shù)用。第18頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所20

不同表面狀況的鋼管的最小保護(hù)電流密度見表3-2。從表中可以看出：裸管比有防腐層的管道需要的保護(hù)電流密度大得多；土壤電阻率愈小，需要的保護(hù)電流密度愈大。由于在實(shí)際工作中很難測(cè)定腐蝕電池的陰、陽(yáng)極的具體位置和面積大小，故表中所列數(shù)據(jù)都是按與電解質(zhì)接觸的整個(gè)被保護(hù)金屬表面積計(jì)算的。類似的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于較小的金屬構(gòu)筑物，如油罐的罐底、平臺(tái)的樁等是適用的；對(duì)于沿途土壤電阻率和防腐層質(zhì)量變化較大的長(zhǎng)距離管道，則往往偏差較大。故對(duì)于管道的陰極保護(hù)，常以最小保護(hù)電位和最大保護(hù)電位作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

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四、陰極保護(hù)準(zhǔn)則自從1928年美國(guó)J.柯恩通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)-0.85V（CSE）電位能控制電化學(xué)腐蝕之后，這一標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)，成為公認(rèn)的最小保護(hù)電位。第20頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所22

從電化學(xué)理論上分析，鐵在腐蝕時(shí)，以二價(jià)離子形式出現(xiàn)，用能斯特方程式表達(dá)為式中——鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度；

F——法拉第常數(shù)；

——靠近電極的電解液層中鐵離子的活度。

第21頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所23當(dāng)pH＞5.5時(shí)，和作用生成難溶的，此時(shí)，取決于的溶度積。25℃時(shí)，第22頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所24

按，在pH值為5.5～10的電解液中，計(jì)算出保護(hù)電位在-0.38～-0.64V(SHE)之間變化。換算成相對(duì)飽和Cu/CuSO4電解的電位為-0.7～-0.96V。鋼在土壤中(pH=8.3～9.6)的保護(hù)電位為-0.541～-0.618V(SHE)，平均為-0.58V(SHE)，相對(duì)飽和Cu/CuSO4電極的電位為-0.90V。第23頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所25

計(jì)算出鋼的保護(hù)電位與鋼在該電解液中的初始電位值之差，即可認(rèn)為是陰極極化值或負(fù)向偏移。例如，鋼在干燥土壤中的自然電位Vx=-0.3V（SHE），其陰極極化值計(jì)算得：

根據(jù)電化學(xué)理論，陰極保護(hù)判據(jù)是多因素決定的，相當(dāng)復(fù)雜。但-0.85V（CSE）是既有理論基礎(chǔ)，又有實(shí)踐依據(jù)，已為世界各國(guó)所接受。第24頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所26

對(duì)于鋼鐵的陰極保護(hù)準(zhǔn)則，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)方式也不相同，采用下述之一或幾個(gè)作為判據(jù)：（1）施加陰極保護(hù)時(shí)陰極的負(fù)電位至少為850mV，這一電位是相對(duì)于接觸電解質(zhì)的飽和Cu/CuSO4參比電極測(cè)量的。測(cè)量中必須排除IR降影響。（2）相對(duì)于飽和Cu/CuSO4參比電極的負(fù)極化電位至少為850mV。（3）在構(gòu)筑物表面與接觸電解質(zhì)的參比電極之間的陰極極化值最小為100mV。這一數(shù)據(jù)的測(cè)定可以在極化的形成過(guò)程或是衰減過(guò)程中進(jìn)行。第25頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所27

-850mV（CSE）適用于各種土壤環(huán)境中鋼鐵構(gòu)筑物的陰極保護(hù)，是世界公認(rèn)的通用準(zhǔn)則。對(duì)于有良好覆蓋層的管道，這一準(zhǔn)則很實(shí)際。但是當(dāng)覆蓋層的質(zhì)量太劣或是裸管，采用-850mV的準(zhǔn)則就顯得過(guò)保護(hù)和浪費(fèi)，所以國(guó)外學(xué)者主張?jiān)谶@種條件下采用-100mV極化電位準(zhǔn)則。其理由是腐蝕體系ic=（Ec-Ea）/（Rc+Ra），式中ic為腐蝕電流，要使ic很小，必須使陰極電位Ec和陽(yáng)極電位Ea很接近，即Ec=Ea或ΔE=Ec-E。很小。在裸管上就是ΔE，故100mV極化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)ΔE，足以達(dá)到保護(hù)要求。第26頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所28

采用-100mV極化電位準(zhǔn)則，有個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的問題。雖然準(zhǔn)則在陰極極化建立或衰減過(guò)程中都可以采用，但在建立過(guò)程中由于有IR降的影響，使得100mV的精度受到了限制，故衰減過(guò)程中采用該準(zhǔn)則比較實(shí)際。表3-4是在一條109mm直徑的裸管道上測(cè)得的電位，表3-5是一條直徑為319mm的舊防腐層管道上測(cè)得的電位，前者的保護(hù)電流密度是13.67mA/m2，后者為1.51mA/m2。第27頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所29第28頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所30第29頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所31

在考慮通氣程度時(shí)，英國(guó)BS7361標(biāo)準(zhǔn)中，通氣環(huán)境為-0.85V，不通氣環(huán)境為-0.95V。德國(guó)的DIN30676標(biāo)準(zhǔn)則給出溫度和砂土兩個(gè)條件：溫度高于60℃為-0.95V；在砂土中，p＞500Ω·m時(shí)，為-0.75V。以上電位測(cè)量均相對(duì)Cu/CuSO4電極。

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五、管道實(shí)施陰極保護(hù)的基本條件管道實(shí)施陰極保護(hù)的基本條件為：有可靠的直流電源，以保證提供充足的保護(hù)電流；管道必須處于有電解質(zhì)的環(huán)境中（如士壤、河流、海水等）；保持管道縱向電連續(xù)性；為確保管道系統(tǒng)陰極保護(hù)的有效性和提高保護(hù)效率，必須做好管道的電絕緣，如選用高質(zhì)量的管道覆蓋層以及合理布局絕緣連接體。以下主要討論管道絕緣連接及管道縱向電連續(xù)性的問題。

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1.管道的電絕緣

1）絕緣接頭管道的絕緣接頭有法蘭型、整體型（埋地）、活接頭等各種型式。近幾年開發(fā)的整體埋地型絕緣接頭具有整體結(jié)構(gòu)。直接埋地和高的絕緣性能，克服了絕緣法蘭密封性能不好、裝配影響絕緣質(zhì)量、不能埋地、外緣盤易集塵等不良影響，是管道理想的絕緣連接裝置。圖3-2是整體型絕緣接頭的結(jié)構(gòu)圖。

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需要設(shè)置絕緣連接的場(chǎng)所有：管道與井、站、庫(kù)的連接處；管道與設(shè)備所有權(quán)的分界處；支線管道與干線管道的連接處；不同材質(zhì)、新舊管道及有防腐層與無(wú)防腐層管道間連接處；大型穿、跨越段的兩端；雜散電流干擾段；使用不同陰極保護(hù)方法的交界處。

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2）絕緣支墩（墊）當(dāng)管道采用套管形式穿墻或穿越公路、鐵路時(shí)，管道與套管必須電絕緣。通常采用絕緣支墩或絕緣墊。管道及支撐架、管橋、穿管隧道、樁、混凝土中的鋼筋等必須電絕緣。若管段兩端已裝有絕緣接頭，使架空管段與埋地管道相絕緣，則此時(shí)管道可以直接架設(shè)在支撐架上而無(wú)需電絕緣。

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3）其他電絕緣當(dāng)管道穿越河流，采用加重塊、固定錨、混凝土、加重覆蓋層時(shí)，管道必須與混凝土鋼筋電絕緣，安裝時(shí)不得損壞管道原有防腐層。管道與所有相遇的金屬構(gòu)筑物（如電纜、管道）必須保持電絕緣。

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2．管道縱向電的連續(xù)性對(duì)于非焊接的管道連接頭，應(yīng)焊接跨接導(dǎo)線來(lái)保證管道縱向電的連續(xù)性，確保電流的流動(dòng)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土管道，施加陰極保護(hù)時(shí)，每節(jié)管道的縱向鋼筋必須首尾跨接，以保證陰極保護(hù)電流的縱向?qū)?。有時(shí)還可平行敷設(shè)一條電纜，每節(jié)預(yù)應(yīng)力管道與之相連來(lái)實(shí)現(xiàn)電的連續(xù)性。第36頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所38

3.陰極保護(hù)管道的附件

1）檢查片檢查片材質(zhì)應(yīng)與被保護(hù)的管道相同，用于定量分析陰極保護(hù)的效果及土壤的腐蝕性。也有用于其他目的的檢查片，如在犧牲陽(yáng)極保護(hù)段，用于代表管道，測(cè)量自然電位用。檢查片的推薦尺寸為100mm×50mm×5mm，采用鋸、氣割方法制取。為不改變檢查片的冶金狀態(tài)，氣割邊緣應(yīng)去掉20～30mm。檢查片應(yīng)有安裝孔和編號(hào)，編號(hào)可用鋼字模打印。第37頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所39

一般檢查片應(yīng)埋設(shè)在有代表意義的腐蝕性地段（環(huán)境中），如污染區(qū)、高鹽堿地帶。雜散電流嚴(yán)重地區(qū)以及管道陰極保護(hù)范圍末端。

2）測(cè)試樁為了測(cè)量陰極保護(hù)管道的電參數(shù)，必須在管道沿線設(shè)計(jì)不同功能的測(cè)試樁。在國(guó)外的文獻(xiàn)中稱之為防腐測(cè)試站（TestStation）。測(cè)試樁設(shè)置原則為：

第38頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所40——電位測(cè)試樁，一般每公里處設(shè)一支，需要時(shí)可以加密或減少；——電流測(cè)試樁，每5～8km處設(shè)一支；——套管測(cè)試樁，套管穿越處一端或兩端設(shè)置；——絕緣接頭測(cè)試樁，每一絕緣接頭處設(shè)一支；——跨接測(cè)試樁，與其他管道、電纜等構(gòu)筑物相交處設(shè)一支；——站內(nèi)測(cè)試樁，視需要而設(shè)；——犧牲陽(yáng)極測(cè)試樁，一般設(shè)在兩組陽(yáng)極的中間部位。第39頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所41

以上設(shè)置的測(cè)試樁，可以測(cè)取管道的保護(hù)電位、管道保護(hù)電流的大小和流向、電絕緣性能及干擾方面的參數(shù)。測(cè)試樁的功能主要區(qū)別在接線上。最簡(jiǎn)單的是電位測(cè)試樁，只需引接兩根導(dǎo)線；測(cè)管道電流要接四根導(dǎo)線；測(cè)兩者間的干擾或絕緣要在相鄰構(gòu)筑物上各引出兩根導(dǎo)線。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試樁的功能可以結(jié)合在一起使用，有時(shí)測(cè)試樁還可和里程樁相結(jié)合。第40頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所42

第二節(jié)

強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)

一、強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的工藝計(jì)算管道陰極保護(hù)范圍的制約因素是管道防腐層電阻和管徑，它以最大保護(hù)電位和最小保護(hù)電位的臨界點(diǎn)來(lái)劃分。因此保護(hù)一條管道常常需要設(shè)一個(gè)或幾個(gè)陰極保護(hù)站。為了求得保護(hù)長(zhǎng)度，必須知道當(dāng)管道上通入陰極極化電流后所產(chǎn)生的極化電位的沿線分布，求取最大保護(hù)電位經(jīng)過(guò)多少公里降低到最小保護(hù)電位。第41頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所43

1.管道沿線外加電位與電流的分布規(guī)律

如圖3-3所示，外加電流的電源正極接輔助陽(yáng)極，負(fù)極接在被保護(hù)管段的中央，這一點(diǎn)稱為匯流點(diǎn)或通電點(diǎn)。電流自電源正極流出，經(jīng)陽(yáng)極和大地流至匯流點(diǎn)兩側(cè)管道，在兩側(cè)金屬管壁中流動(dòng)的電流是流向匯流點(diǎn)的。因此，沿線電流密度和電位的分布是不均勻的。理論上在匯流點(diǎn)處的管道沿線電位分布的基本公式是根據(jù)下列假設(shè)條件推出的：第42頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所44

(1)管道防腐層均勻一致，并具有良好的電絕緣性能，與土壤接觸且土質(zhì)均勻一致，因此管道沿線各點(diǎn)的單位面積過(guò)渡電阻相等。過(guò)渡電阻指電流從土壤沿徑向流入管道時(shí)的電阻，其數(shù)值主要決定于防腐層電阻。

(2)因土壤截面積很大，土壤電阻可以忽略不計(jì)。

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如圖3-3所示，在離匯流點(diǎn)。公里處取一微元段dX，由于通入外電流以后的陰極極化作用，dX小段處的管地電位往負(fù)的方向上偏移，設(shè)其偏移值為E，E等于通電后的保護(hù)電位與自然電位之差。

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設(shè)單位長(zhǎng)度金屬管道的電阻力rT，單位面積的防腐層過(guò)渡電阻為Rp，單位長(zhǎng)度上電流從土壤流入金屬管道的過(guò)渡電阻為RT，如管外徑為D，則RT=RP/(πD)。在dX小段上電流的增量打就是在該小段上從土壤流入管道的保護(hù)電流，由于忽略土壤電壓降，故第45頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所47

負(fù)號(hào)表示電流的流動(dòng)方向與x的增量方向相反。當(dāng)電流I軸向流過(guò)管道時(shí)，由于管道金屬本身的電阻所產(chǎn)生的壓降為第46頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所48

式(3-6)和式(3-7)為二階常系數(shù)齊次線性微分方程，其通解為

式中系數(shù)A1、A2、B1、B2可根據(jù)邊界條件求出。邊界條件通常有三種情況：

(1)無(wú)限長(zhǎng)管段的計(jì)算：即全線只有一個(gè)陰極保護(hù)站，線路上沒有用絕緣法蘭。第47頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所49(2)有限長(zhǎng)管段的計(jì)算：即全線有多個(gè)陰極保護(hù)站，兩個(gè)相鄰站之間的管道由兩個(gè)站共同保護(hù)。

(3)保護(hù)段終點(diǎn)有絕緣法蘭的計(jì)算：一般設(shè)有陰極保護(hù)的管道在進(jìn)入輸油站或油庫(kù)以前須裝設(shè)絕緣法蘭，以免保護(hù)電流向站內(nèi)或庫(kù)內(nèi)流失。

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2.保護(hù)范圍的計(jì)算

1)無(wú)限長(zhǎng)管道的計(jì)算在匯流點(diǎn)處x=0，I=I0，E=E0。I0為管道一側(cè)的電流，距匯流點(diǎn)無(wú)限遠(yuǎn)處x→∞，I=0，E=0。將此邊界條件代入通解式(3-8)和式(3-9)得A0=0，B1=I0；A2=0，B2=E0。故無(wú)限長(zhǎng)管道的外加電位及電流的分布方程式為第49頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所51

由式（3-10）。式（3-11）可解出沿線各處電位與電流的相互關(guān)系為

在匯流點(diǎn)處，x=0，故匯流點(diǎn)一側(cè)的電流為第50頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所52

匯流點(diǎn)處的總電流就是該保護(hù)裝置的輸出電流，它等于管道一側(cè)流至匯流點(diǎn)電流的兩倍，即I=2I0。方程式（3-10）和（3-11）說(shuō)明當(dāng)全線只有一個(gè)陰極保護(hù)站時(shí)，管道沿線的電位及電流值按對(duì)數(shù)曲線規(guī)律下降。在匯流點(diǎn)附近的電位和電流值變化激烈，離匯流點(diǎn)愈遠(yuǎn)變化愈平緩。曲線的陡度決定于衰減因數(shù)，主要是防腐層過(guò)渡電阻RT的影響。第51頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所53

如前所述，由于最大保護(hù)電位是有限度的，故匯流點(diǎn)處的電位應(yīng)小于或等于最大保護(hù)電位Emax當(dāng)沿線的管/地電位降至最小保護(hù)電位Emin處，就是保護(hù)段的末端。故一個(gè)陰極保護(hù)站所可能保護(hù)的一側(cè)的最長(zhǎng)距離，可由式（3-11）算出。取EO=Emax，E=Emin，x=Lmax代入，可得

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由式（3-12）和式（3-13）可見，陰極保護(hù)管道所需保護(hù)電流I0的大小和可保護(hù)段落長(zhǎng)度受防腐層電阻的影響很大。防腐層質(zhì)量好，則電能消耗少，保護(hù)距離也長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)瀝青防腐層的施工質(zhì)量較好時(shí)，管道單位面積防腐層過(guò)渡電阻能達(dá)到10000Ω·m2以上，有的達(dá)20000～30000Ω·m2。故目前按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)計(jì)算中常取防腐層的RP=10000Ω·m2，對(duì)于合成樹脂類防腐層均會(huì)高出此值。第53頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所55

計(jì)算中需要注意的是，式（3-13）中的Emax和Emin均為陰極極化值，相對(duì)自然電位的偏移值，而前面所述最大和最小保護(hù)電位系相對(duì)于硫酸銅電極測(cè)得的極化電位。在大多數(shù)土壤中，用硫酸銅電極測(cè)得的鋼管的自然電位約在-0.50～-0.60V之間。若實(shí)測(cè)平均值為-0.55V，則當(dāng)取最大保護(hù)電位為-1.20V，最小保護(hù)電位為-0.85V時(shí)，其陰極極化值為第54頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所56

對(duì)于長(zhǎng)度超出一個(gè)站保護(hù)范圍的長(zhǎng)距離管道，常需在沿線設(shè)若干個(gè)陰極保護(hù)站，其保護(hù)段長(zhǎng)度應(yīng)按有限長(zhǎng)管道計(jì)算。第55頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所57

2)有限長(zhǎng)管道的計(jì)算有限長(zhǎng)管道的保護(hù)段即指兩個(gè)相鄰的陰極保護(hù)站之間的管段，或兩端設(shè)有絕緣接頭的管段近似按有限長(zhǎng)考慮。其極化電位和電流的變化受兩個(gè)站的共同作用。由于兩個(gè)站的相互影響，將使極化電位變化曲線抬高，如圖3—4所示。因此，有限長(zhǎng)管道比無(wú)限長(zhǎng)管道的保護(hù)距離長(zhǎng)，如圖l1＞l2。

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設(shè)兩個(gè)站間距離為2l，在中點(diǎn)處（x=l）正好達(dá)到保護(hù)所需要的最小保護(hù)電位，El=Emin。電位變化曲線在中點(diǎn)處發(fā)生轉(zhuǎn)折，即。由于保護(hù)電流來(lái)自兩個(gè)站，其電流流動(dòng)方向相反，故在中點(diǎn)處電流為零，邊界條件為

第57頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所59代入通解式（3-8）和式（3-9），可得

式中ch（m）和sh（m）分別為雙曲函數(shù)的余弦和正弦。

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由方程式（3-5）、式（3-14）得

在匯流點(diǎn)處x=0，I=I0，代入上式得匯流點(diǎn)一側(cè)電流為

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由公式（3-14）可求出

得有限長(zhǎng)管道一側(cè)的保護(hù)長(zhǎng)度

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考慮到雙曲余弦函數(shù)這項(xiàng)很小，可近似忽略，將上式簡(jiǎn)化為

將有限長(zhǎng)管道與無(wú)限長(zhǎng)管道的公式進(jìn)行比較可見：

（1）無(wú)限長(zhǎng)管道的電位是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化，而有限長(zhǎng)管道是按雙曲函數(shù)的規(guī)律變化，故有限長(zhǎng)管道電位和電流分布的變化較緩慢，其保護(hù)距離比無(wú)限長(zhǎng)管道長(zhǎng)。第61頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所63

（2）有限長(zhǎng)管道消耗的電能比無(wú)限長(zhǎng)管道少。管道末端有絕緣法蘭的計(jì)算與有限長(zhǎng)管道的計(jì)算結(jié)果相近，故實(shí)際工作中都按有限長(zhǎng)計(jì)算。根據(jù)上述公式，可以估算被保護(hù)管道全線所需的陰極保護(hù)站的數(shù)量及其位置（通常盡可能設(shè)在泵站或壓縮機(jī)站上）。但必須強(qiáng)調(diào)指出的是：在上述推導(dǎo)過(guò)程中忽略了土壤中的IR降，并認(rèn)為沿線防腐層過(guò)渡電阻均勻一致；實(shí)際上在幾十公里長(zhǎng)的管道沿線，不僅土壤電阻率變化較大，防腐層質(zhì)量也難能一致，故在設(shè)計(jì)中要留有一定的余地。第62頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所64

3)圖解法估算埋地管道陰極保護(hù)的范圍主要與平均電流密度有關(guān)，與管道縱向電阻所允許的電壓降的大小有關(guān)。設(shè)管道的保護(hù)電流密度為Js，管道L的電壓降為第63頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所65第64頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所66rT——單位長(zhǎng)度管道縱向電阻，Ω/m；pT——鋼管電阻率，Ω·mm2/m；δ——管壁厚度，mm。在圖3-5中繪出了保護(hù)范圍2L和保護(hù)電流密度Js的關(guān)系曲線。對(duì)應(yīng)方程（3-19），I0的計(jì)算如下：第65頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所67第66頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所68第67頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所69的選擇及其埋置場(chǎng)所的處理，對(duì)節(jié)省電能消耗至關(guān)重要。值得注意的是，在選擇電源設(shè)備和運(yùn)行期間，應(yīng)考慮陰極保護(hù)系統(tǒng)輔助陽(yáng)極的接地電阻值與電源額定負(fù)載（R額）相匹配。第68頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所70

式中V額——額定輸出電壓，V；

I額——額定輸出電流，A。陽(yáng)極地床的接地電阻必須比額定負(fù)載小，才能保證所設(shè)計(jì)的保護(hù)電流的輸出。同時(shí)，也要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，使該保護(hù)系統(tǒng)陽(yáng)極地床的設(shè)計(jì)與電源設(shè)備的選擇是經(jīng)濟(jì)合理的。第69頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所71

4.陽(yáng)極接地裝置的計(jì)算

1)接地電阻的計(jì)算輔助陽(yáng)極的接地電阻，因地床結(jié)構(gòu)不同而有所區(qū)別。各種結(jié)構(gòu)的接地電阻的計(jì)算公式可參見有關(guān)手冊(cè)。這里給出三種常用埋設(shè)方式的陽(yáng)極接地電阻計(jì)算公式。

(1)單支立式陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算：第70頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所72(2)深埋式陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算：

(3)單水平武陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算：

上三式中RV1——單支立式陽(yáng)極接地電阻，Ω；

RV2——深埋式陽(yáng)極接地電阻，Ω；第71頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所73RH——單支水平式陽(yáng)極接地電阻，Ω；

L——陽(yáng)極長(zhǎng)度（含填料），m；

d——陽(yáng)極直徑（含填料），m；

t——埋深，m；

p——土壤電阻率，Ω·m。(4)組合陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算：式中Rg——陽(yáng)極組接地電阻，Ω；

n——陽(yáng)極支數(shù)；

F——修正系數(shù)（查圖3-7）；

Rv——單支陽(yáng)極接地電阻，Ω。第72頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所74第73頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所752)輔助陽(yáng)極壽命的計(jì)算

輔助陽(yáng)極的工作壽命是指陽(yáng)極工作到因陽(yáng)極消耗的時(shí)間致陽(yáng)極電阻上升使電源設(shè)備輸出不匹配，而不能正常工作。當(dāng)然，這里的壽命計(jì)算不包括地床設(shè)計(jì)不合理造成的“氣阻”，施工質(zhì)量不可靠造成的陽(yáng)極電纜斷線等因素引起的陽(yáng)極報(bào)廢。

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通常陽(yáng)極的工作壽命由式（3-26）計(jì)算：

式中T——陽(yáng)極工作壽命，a；

K——陽(yáng)極利用系數(shù)，常取0.7～

0.85；

G——陽(yáng)極重量，kg；

g——陽(yáng)極消耗率，kg/(A·a)，查表3-6。

I——陽(yáng)極工作電流，A。第75頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所773)所需輔助陽(yáng)極支數(shù)的計(jì)算所需輔助陽(yáng)極的支數(shù)由陽(yáng)極的設(shè)計(jì)壽命及消耗率所決定。可按式（3-26）換算得到陽(yáng)極的總重量G=TgI/K，再?gòu)慕拥仉娮韬鸵?guī)格型號(hào)選取陽(yáng)極的支數(shù)。一般陽(yáng)極的設(shè)計(jì)壽命為15a或20a。

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例如，當(dāng)計(jì)算陽(yáng)極的總重量為200kg時(shí)，可選擇40kg/支的5支，或20kg/支的10支。前者接地電阻大，所耗電費(fèi)比后者要多而不經(jīng)濟(jì)；但前者的壽命要比后者長(zhǎng)，當(dāng)耗電量大時(shí)，這一經(jīng)濟(jì)因素更為重要。例如：70年代在華北地區(qū)某輸水管道，管徑1200mm，防腐層質(zhì)量極差，所以單站耗電量達(dá)70～100A。假定回路總電阻為1Ω，陽(yáng)極接地電阻為0.8Ω，則儀器輸出電壓為第77頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所79有效功率為:102V×l00A=10200W取整流效率為0.7，則實(shí)耗功率為:10200W÷0.7=14600W每年耗電為:14600×8760=127900kw·h按當(dāng)時(shí)電價(jià)0.08元/(kw·h)計(jì)，每年電費(fèi)為:0.08×l27900=10232元/a陽(yáng)極壽命按20年計(jì)，則20年電費(fèi)總計(jì)為:10232×20=204640元第78頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所80

如果從設(shè)計(jì)考慮，將陽(yáng)極接地電阻從0.8Ω降至0.5Ω，則這筆費(fèi)用就變成了7218元/a，20年電費(fèi)為144365元，節(jié)約了60275元。而降低接地電阻所需的一次投資僅為2000元左右（當(dāng)時(shí)價(jià)格），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)約下來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)于陽(yáng)極數(shù)量的最經(jīng)濟(jì)選擇，可由式（3-27）計(jì)算：第79頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所81

將式（3-27）微分求解得

式中y——陽(yáng)極系統(tǒng)總年均費(fèi)用；

n——陽(yáng)極支數(shù)；

c——不依賴刀的一個(gè)常數(shù)；

a——單支陽(yáng)極資金年回收混合利息系數(shù)；

b——單支陽(yáng)極年運(yùn)行電費(fèi)。

第80頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所82

例：對(duì)于在50Ω·m土壤中用焦炭回填的立式陽(yáng)極地床φ300mm×2000mm，排流量為10A，求其最佳陽(yáng)極數(shù)量n。已知：(1)單支陽(yáng)極接地電阻力11.26Ω；(2)單支陽(yáng)極費(fèi)用250元；(3)整流器效率為0.7；(4)電費(fèi)0.10元/(kw·h)；(5)折舊系數(shù)10%；(6)利用系數(shù)取l.3；(7)陽(yáng)極設(shè)計(jì)壽命20a；(8)CRF(20a壽命10%折舊下綜合投資回收的計(jì)算及年均費(fèi)用的系數(shù))取0.11。第81頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所83解：

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二、強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)程序強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求，實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)，避免對(duì)鄰近構(gòu)筑物的干擾，并給系統(tǒng)提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計(jì)壽命。第83頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所85

必須收集和勘測(cè)的設(shè)計(jì)資料和參數(shù)通常有：（1）要收集的資料，包括管道平面線路圖，管道參數(shù)（管徑、壁厚、管材），連接方式（焊接、螺紋或機(jī)械），覆蓋層的類型及性能，套管的位置及結(jié)構(gòu)，電絕緣的位置及結(jié)構(gòu)，架空管及水下穿越的位置及結(jié)構(gòu)；（2）通過(guò)勘測(cè)得到的資料，包括現(xiàn)存和規(guī)劃中的陰極保護(hù)系統(tǒng)，可能的地上、地下干擾源，特殊的環(huán)境條件，鄰近的金屬構(gòu)筑物，可供利用的電源，沿線土壤電阻率。對(duì)于已建管道作饋電試驗(yàn)，測(cè)取所需電流。另外還要收集必要的氣象資料。

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對(duì)于已建的管道，往往需做一些實(shí)際參數(shù)的測(cè)量，如土壤電阻率、干擾的測(cè)試。饋電試驗(yàn)、覆蓋層電阻的測(cè)試、縱向?qū)щ娺B續(xù)性的測(cè)試及電絕緣性能的測(cè)試，根據(jù)測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而新建管道，有些參數(shù)是實(shí)測(cè)不了的，只能根據(jù)假設(shè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在SYJ36-89《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的常規(guī)參數(shù)有：

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自然電位：-0.55V（相對(duì)CU/CuSO4，下同）保護(hù)電位：-0.85V

匯流點(diǎn)電位：-1.25V

覆蓋層電阻：10000Ω·m2

鋼管電阻率：低碳鋼，0.135Ω·mm2/m；16Mn鋼，0.224Ω·mm2/m；高強(qiáng)度鋼，0.166Ω·mm2/m

電源效率：70％電流密度：30～50μA/m2。第86頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所88

有了這些參數(shù)，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，選定陰極保護(hù)站，繪制必要的設(shè)計(jì)圖紙，提出所選設(shè)備、材料的技術(shù)說(shuō)明。通常陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)圖紙有：全線陰極保護(hù)系統(tǒng)平面布置圖；電源安裝圖；地床結(jié)構(gòu)及安裝圖；電纜連接及敷設(shè)圖；陰極保護(hù)站平面圖；配電系統(tǒng)圖；測(cè)試系統(tǒng)的組成及分布圖；若有干擾，需要有排流保護(hù)設(shè)計(jì)圖；防強(qiáng)電沖擊的保護(hù)設(shè)計(jì)圖。

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2.電源設(shè)備對(duì)有交流市電并能滿足長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定供電的地方及長(zhǎng)輸管道各中間站有可靠交流電源的地方，優(yōu)先考慮使用交流電通過(guò)整流來(lái)提供極化電源。對(duì)于單獨(dú)建站，無(wú)市電地區(qū)可選用其他第二電源。不管采用什么型式的電源，其基本要求是：可靠性高；維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)便；壽命長(zhǎng)；對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；輸出電流。電壓可調(diào)；應(yīng)具有過(guò)載、防雷、故障保護(hù)。

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一般交流供電情況下應(yīng)選用整流器或恒電位儀。在管地電位或回路電阻有經(jīng)常性較大變化時(shí)，必須使用恒電位儀。

1）整流器陰極保護(hù)用整流器宜采用橋式全波整流電路。其紋波系數(shù)應(yīng)滿足單相不大于50％，三相不大于5％的要求，最大溫升不得超過(guò)85℃。在交流輸入端和直流輸出端應(yīng)裝有過(guò)流。防沖擊等保護(hù)環(huán)節(jié)。戶外型整流器應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)厮幍臍夂颦h(huán)境，可裝在房頂、墻上或電桿上。通常采用油冷式整流器。第89頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所91

2）恒電位儀恒電位儀通常應(yīng)在室內(nèi)工作。其技術(shù)要求有：給定電位連續(xù)可調(diào)：-0.500～-2.000V

電位控制精度：＜±20mV

輸入阻抗：≥1MΩ

抗交流干擾能力：≥12V（AC）耐電壓：≥750V（AC）負(fù)載波紋系數(shù)：?jiǎn)蜗?，?％；三相，≤8％恒電位儀印刷電路板一般采取防潮。防鹽霧、防細(xì)菌的三防措施。

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3）太陽(yáng)能陰極保護(hù)裝置太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。普通的太陽(yáng)能電池是由兩種不同導(dǎo)電類型，即電子型（N）和空穴型（P）的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。由于光照產(chǎn)生一個(gè)與PN結(jié)廠內(nèi)電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，有了光生電動(dòng)勢(shì)，接入外電路便可產(chǎn)生電流。第91頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所93

太陽(yáng)能電池開始是作為人造衛(wèi)星的特殊電源發(fā)展起來(lái)的。由于它不要燃料、無(wú)污染、自動(dòng)供電、無(wú)入管理、安全可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，隨著它的價(jià)格下降而迅速進(jìn)入地面應(yīng)用。目前世界已建成的太陽(yáng)能陰極保護(hù)站有上千座，是油氣管道的一種廉價(jià)的電源。國(guó)內(nèi)已建設(shè)了六座太陽(yáng)能陰極保護(hù)站。就太陽(yáng)能資源而言，除了四川、西南地區(qū)之外，全國(guó)都有豐富的太陽(yáng)能可供利用。尤其是新疆西北地區(qū)，年日照平均在3000h左右，是世界上少有的一類太陽(yáng)能資源地區(qū)。

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4）CCVT電源系統(tǒng)

CCVT是英文ClosedCycleVaporTurbogenerator的縮寫，直譯為密閉循環(huán)蒸汽透平發(fā)電機(jī)。CCVT是一種工質(zhì)進(jìn)行朗肯循環(huán)，具有一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)部件的密封式小型渦輪發(fā)電裝置，輸出功率范圍在200～5000W之間。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)電邊遠(yuǎn)地區(qū)的電信和陰極保護(hù)電源。它將以往用于飛機(jī)設(shè)計(jì)的熱力學(xué)理論和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，使之達(dá)到前所未有的可靠程度。第93頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所95

CCVT的主要特點(diǎn)是：高可靠性，無(wú)需定期維修，可連續(xù)工作20a；便于無(wú)人值守，可通過(guò)遙控指揮裝置工作，一年內(nèi)只需幾次清除燃燒系統(tǒng)煙灰積炭和冷凝系統(tǒng)的積塵；適用多種燃料，常規(guī)的液體、氣體燃料均可應(yīng)用；安裝方便。

5）熱電發(fā)生器熱電發(fā)生器（TEG）是由三部分組成的：熱源、熱電偶陣和冷卻片。工作原理如圖3-8所示。第94頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所96第95頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所97

目前加拿大環(huán)球熱電發(fā)生器已在世界各個(gè)國(guó)家，各種不同氣候條件下，推廣應(yīng)用了10000多臺(tái)，主要用于管道的陰極保護(hù)和通訊。熱電發(fā)生器可以用丙烷、丁烷、天然氣或柴油作燃料。它的特點(diǎn)是：高可靠性；維護(hù)要求低；噪音低，污染??；壽命長(zhǎng)，年度保養(yǎng)費(fèi)用低；燃料來(lái)源廣泛。

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6）風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能是自然能源的一種形式，是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的。據(jù)估計(jì)全球的風(fēng)能儲(chǔ)量約為1014MW

。假定其中的一千萬(wàn)分之一可為人類所利用，即有107MW為可利用風(fēng)力。這個(gè)數(shù)量也就相當(dāng)于當(dāng)今世界能源的總需求量。風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣，取之不盡，用之不竭；不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)；周而復(fù)始，可以再生。但在利用上有兩大弊端：能量密度低；能量不穩(wěn)定。

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我國(guó)風(fēng)力資源十分豐富，在石油開發(fā)的邊遠(yuǎn)地帶，充分利用風(fēng)力發(fā)電，也是國(guó)家的新能源政策之一。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)擁有量估計(jì)在10萬(wàn)臺(tái)左右，居世界之首。利用廉價(jià)的風(fēng)力為管道陰極保護(hù)服務(wù)是我們的目標(biāo)之一。風(fēng)力發(fā)電的不足之處是可靠性差，風(fēng)力大時(shí)易造成機(jī)械損壞。但它的價(jià)格低，可把它作為其他能源的補(bǔ)充方式來(lái)降低整個(gè)電源系統(tǒng)的造價(jià)。

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7）蓄電池能直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為化學(xué)電源。它有蓄電池（可以重復(fù)使用）和原電池（不能重復(fù)使用）之分。以酸性溶液（常用硫酸溶液）作為電解質(zhì)的蓄電池，稱為酸性蓄電池；以堿性溶液作為電解質(zhì)的，稱為堿性蓄電池。它是不連續(xù)供電的第二電源的重要儲(chǔ)能裝置。在太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電中都離不開蓄電池。

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8）第二電源的綜合選擇在科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，可供選擇的第二電源很多。選擇時(shí)主要考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、長(zhǎng)壽命、易管理。表3-7列出了各種電源的性能比較。

第100頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所102第101頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所103第102頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所104

在許多條件下，有時(shí)幾種能源綜合利用可以達(dá)到可靠性。經(jīng)濟(jì)性的最佳效果。如風(fēng)電一光電混合發(fā)電系統(tǒng)，CCVT-光電混合系統(tǒng)等。在新疆輪庫(kù)輸油管道上，曾就兩個(gè)中間站分別采用光電和風(fēng)一光互補(bǔ)混合供電作了比較，采用風(fēng)一光互補(bǔ)形式供電比只用光電節(jié)約投資三分之一，是無(wú)電地區(qū)陰極保護(hù)電源的發(fā)展方向第103頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所105

3.輔助陽(yáng)極

1）陽(yáng)極地床的結(jié)構(gòu)由于輔助陽(yáng)極工作性質(zhì)決定了陽(yáng)極是處于電解狀態(tài)，這就要求在設(shè)計(jì)輔助陽(yáng)極地床時(shí)，應(yīng)考慮兩個(gè)問題，一是陽(yáng)極材料的消耗，二是陽(yáng)極氣體產(chǎn)物的逸放。前者是材料本身的性能，后者則取決于地床結(jié)構(gòu)。

第104頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所106

一般陽(yáng)極應(yīng)在焦炭回填料地床中工作。這種結(jié)構(gòu)的作用是：等效地增大了陽(yáng)極體積，降低陽(yáng)極接地電阻；把陽(yáng)極土壤的工作界面轉(zhuǎn)移到填料/土壤界面上，減小陽(yáng)極消耗，延長(zhǎng)陽(yáng)極壽命；利于陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體（O2，CO，CO2等）逸出，防止“氣阻”。圖3-9所示為焦炭作用的實(shí)例。第105頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所107第106頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所108

為利于氣體的逸出，在焦炭地床的上部還要填放一些粗砂或礫石，有些地方還要用多孔塑料管插至陽(yáng)極地床中心，一是用于排氣，二是必要時(shí)可以往里注水。典型的立式和水平式陽(yáng)極地床結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。

第107頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所109第108頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所110

2）陽(yáng)極材料①高硅鑄鐵。早在1912年就研制成功了耐蝕的高硅鑄鐵，直到1954年才把它引入強(qiáng)制電流陰極保護(hù)中。1959年，含Cr4.5％的高硅鑄鐵問世，極大地提高了材料抗氯離子腐蝕的能力，擴(kuò)大了高硅鑄鐵陽(yáng)極的應(yīng)用范圍。第109頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所111

高硅鑄鐵是在鐵中加入了大量的硅，才提高了其耐蝕性能。圖3-11所示為硅的含量對(duì)腐蝕率的影響。從圖中可以看出，含Si量不小于14.5％，又不大于18％時(shí)，能保持較低的腐蝕率。增加Si含量對(duì)耐蝕性改善不大，反倒導(dǎo)致機(jī)械性能變壞，強(qiáng)度下降，硬度升高，工藝性能差。表3-8列出了YJ型高硅鑄鐵陽(yáng)極的規(guī)格尺寸。

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目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的雙端接頭陽(yáng)極是兩端都有導(dǎo)線，使用時(shí)分別引接在兩根匯流母線上，這樣既降低了端部效應(yīng)，又提高了陽(yáng)極接頭的可靠性。在70年代又發(fā)展了一種新型的管狀硅鐵陽(yáng)極，其特點(diǎn)是電纜接頭放在陽(yáng)極中間部位，可提高陽(yáng)極利用率25％。第111頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所113第112頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所114②石墨陽(yáng)極。石墨陽(yáng)極是用石油焦和瀝青兩種材料按一定比例加工焙燒而成，并經(jīng)過(guò)2800℃的石墨化工藝把焦炭和瀝青轉(zhuǎn)變成石墨。為了提高石墨陽(yáng)極的耐蝕性能，陽(yáng)極棒體要進(jìn)行浸漬工藝，即用石蠟或亞麻子油浸漬。浸漬可以降低氣孔，抑制可能引起陽(yáng)極脹裂或過(guò)早失效的表面氣體的析出或碳的氧化。表3－9、表3－10所列是常用石墨陽(yáng)極性能及規(guī)格。第113頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所115第114頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所116

③磁性氧化鐵陽(yáng)極。磁性氧化鐵陽(yáng)極是用磁性氧化鐵粉末鑄造成中空有底的圓筒形，厚度約為5～10mm。主要成分：Fe3O4，92％～93％（FeO約占30％，F(xiàn)e2O3約占62％～63％）；SiO2，4％～6％；而CaO、MgO、A12O3分別是0.1％～l％。磁性氧化鐵電阻率是0.1～0.42Ω·cm，是石墨電阻率的100倍，壁厚比石墨薄，所以，要在圓筒內(nèi)鍍銅來(lái)提高導(dǎo)電性。由于鑄件中含有氣孔，當(dāng)水浸入時(shí)，電纜接頭易斷裂，所以必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，排除次品。此外，磁性氧化鐵陽(yáng)極有硬和脆的缺點(diǎn)。

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磁性氧化鐵陽(yáng)極制造工藝較為困難，使得目前世界只有為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家可以生產(chǎn)。④鋼鐵陽(yáng)極。廢鋼鐵是我國(guó)早期管道陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極的主體材料。其特點(diǎn)是：材料來(lái)源廣，施工方便，價(jià)格低，沒有氣阻現(xiàn)象。因其管狀體積大，增大了和土壤的接觸面積，特別適用高電阻率環(huán)境中。這一點(diǎn)對(duì)于西部石油開發(fā)有著實(shí)際意義，因那里有時(shí)方圓幾百公里就找不到100Ω·m以下的土壤環(huán)境。鋼鐵陽(yáng)極消耗率在9.l～10kg/(A·a)間，屬可溶性陽(yáng)極，需要定期更換。第116頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所118⑤柔性陽(yáng)極。

1984美國(guó)Raychem公司研制出一種新產(chǎn)品——導(dǎo)電聚合物陽(yáng)極。它是將導(dǎo)電性聚合物擠塑在銅芯上，作為輔助陽(yáng)極用，外形和塑料電纜差不多，柔性很好，施工起來(lái)也類似于電纜敷設(shè)，所以是一種很受歡迎的輔助們極材料。它特別適用于高電阻率環(huán)境、管道覆蓋層質(zhì)量劣化的場(chǎng)合；它可以平行管道敷設(shè)，改善了沿線的電流分布。故對(duì)于站內(nèi)管網(wǎng)、幾何形狀不規(guī)則的管道特別有益。目前國(guó)內(nèi)已研制出這類產(chǎn)品。表3－11列出柔性陽(yáng)極的性能。第117頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所119⑥碳類回填料。通常使用的填料有三種，即煤焦油焦炭、搬燒的石油焦和天然及人造的石墨渣。冶金焦炭渣也是常選填料之一。回填用的焦炭渣對(duì)組分要求是；灰分低于10％，含碳量高于85％，顆粒度在3～15mm。

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⑦其他。在工程實(shí)踐中，國(guó)外還有一種鈦基金屬氧化物線性陽(yáng)極。在深井中使用，有施工方便、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；在罐底布置成網(wǎng)格狀的線形金屬氧化物陽(yáng)極，有電流分布均勻的特點(diǎn)。

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3）陽(yáng)極地床位置的選擇輔助陽(yáng)極地床位置（簡(jiǎn)稱陽(yáng)極區(qū)）的選擇要考慮以下因素：①陽(yáng)極區(qū)距管道的垂直距離。距離愈大，電位分布愈均勻。但無(wú)限拉大距離將會(huì)增加陽(yáng)極引線的電阻，并增加建設(shè)投資。按SYJ36－89推薦，這一距離以100m為宜。②土壤電阻率。陽(yáng)極區(qū)盡量選在土壤電阻率低的地方，因?yàn)榈碗娮杪士墒龟?yáng)極接地電阻變小，減少電能的消耗。第120頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所122

③土壤濕度。土壤濕度大有利于陽(yáng)極工作，防止氣阻現(xiàn)象，故在實(shí)際中常把陽(yáng)極區(qū)選在河邊、溝底等低洼地帶。④土地的利用。不占或少占耕地。⑤干擾影響。陽(yáng)極區(qū)周圍盡量避開金屬構(gòu)筑物。⑥地域規(guī)劃。不得在近期規(guī)劃區(qū)內(nèi)建立陽(yáng)極地床。⑦安裝的難易。根據(jù)施工機(jī)具和地上、地下環(huán)境情況確定，以求安裝費(fèi)用最低。第121頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所123⑧生態(tài)環(huán)境。這是近些年來(lái)提出的新問題，以不破壞生態(tài)環(huán)境為好。在西部石油工程建設(shè)中；遇到一個(gè)新的問題，即在近百公里范圍內(nèi)，土壤電阻率都在200Ω·m以上，地下深層又都是巖層，電阻率也很高。此時(shí)常規(guī)設(shè)計(jì)的方法不能滿足要求，柔性陽(yáng)極敷設(shè)是可選用的方法之一。

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陽(yáng)極地床通常有兩種形式，即淺埋地床和深埋地床。在淺埋地床中又可分為立式和水平式（圖3－10）兩種。當(dāng)周圍設(shè)施多或地表層土壤電阻率太高，不宜埋設(shè)地床時(shí)，就應(yīng)考慮深井地床。深井地床一般埋深在地下15～150m，施工費(fèi)用較高。典型結(jié)構(gòu)見圖3－12。第123頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所125第三節(jié)犧牲陽(yáng)極法陰極保護(hù)一、犧牲陽(yáng)極材料犧牲陽(yáng)極材料的選擇主要是看合金的性能及其化學(xué)成分，特別是合金元素的含量和雜質(zhì)的含量。合金的金相組織對(duì)陽(yáng)極性能也有著重要的影響。第124頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所126

1.鎂及鎂合金鎂是周期表中第二族化學(xué)元素。原子序數(shù)為12，熔點(diǎn)651℃，密度為1.74g/cm3。鎂及鎂合金是理想的犧牲陽(yáng)極材料。它的優(yōu)點(diǎn)是密度小，電位負(fù)，極化率低，單位質(zhì)量發(fā)生電量大；不足之處是電流效率低（約50％）。作為犧牲陽(yáng)極應(yīng)用的鎂及鎂合金有三大系列：高純Mg、Mg－Mn、Mg－A1－Zn－Mn。它們的性能列在表3－12中。

第125頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所127第126頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所128

1）高純鎂作為犧牲陽(yáng)極用的鎂材料應(yīng)是高純鎂（含鎂大于99.95％）。它具有電位負(fù)、機(jī)械加工性好的優(yōu)點(diǎn)。因其負(fù)電位大，故有時(shí)又稱為高電位鎂陽(yáng)極。它適合于加工成帶狀陽(yáng)極，在電阻率較高的土壤和水中使用。第127頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所129

高純鎂中的雜質(zhì)含量對(duì)其陽(yáng)極性能影響很大。主要的雜質(zhì)有Fe、Cu、Ni、CO，特別是Fe的含量較高。由于這些金屬在電位序中有較正的電位，引起自腐蝕而使鎂陽(yáng)極效率降低。錳的加入可以抑制鐵的影響，因?yàn)殄i可以使鐵在熔鑄過(guò)程中沉淀出來(lái)。留在合金中的鐵元素，則被錳包圍起來(lái)，使鐵不能產(chǎn)生陰極性雜質(zhì)的有害作用、影響較小的有Cd、Mn、Na、Si、Zn、A1、Pb．Ca、Ag等。第128頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所130

2）Mg－Mn合金加入錳時(shí)，鎂合金的耐蝕性提高，這是因?yàn)殄i易于發(fā)生偏析，而與沉積在浴鍋底的鐵生成化合物的緣故。鎂錳合金的強(qiáng)度極限隨著溫度的升高而顯著降低，而延伸率則大大增加。當(dāng)Mg－Mn合金作為犧牲陽(yáng)極用時(shí)，其電流效率的高低取決于Mg原料純度，越純電流效率越高，電位也越負(fù)。鎂錳也是高電位陽(yáng)極，它適合于鑄造和擠壓兩種加工方式，主要用于高電阻率環(huán)境中。

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3）Mg－A1－Zn－Mn合金這類合金有Mg－6A1－3Zn－Mn、Mg－3A1－Zn－Mn、Mg－8A1－Zn－Mn幾種。其中性能較好，廣泛使用的犧牲陽(yáng)極是Mg－6A1－3Zn－Mn合金。

Mg－6A1－3Zn－0.15Mn合金陽(yáng)極的開路電位為-1500mV（SCE），在試驗(yàn)室試驗(yàn)的電流效率為60％左右，表面溶解均勻，是土壤中應(yīng)用最廣泛的陽(yáng)極材料。

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影響這類陽(yáng)極電流效率的是含鐵量，標(biāo)準(zhǔn)SY/T0019－97中要求Fe含量小于0.005％。若用普通的電解鎂錠作原料是不合適的，必須要用高純的蒸餾鎂，因此制造的成本較高。近年來(lái)全國(guó)各地陸續(xù)誕生了一些小鎂廠，采用硅熱法生產(chǎn)鎂，此法又叫皮江法（Pid－geon）。用硅鐵在真空和高溫的條件下還原般燒白云石，直接制取金屬鎂，此法生產(chǎn)的鎂是鎂蒸餾后結(jié)晶得來(lái)，所以所含雜質(zhì)很少，非常適合用來(lái)制造鎂合金陽(yáng)極。第131頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所133

對(duì)于上述三種鎂陽(yáng)極，習(xí)慣上稱前兩種叫高電位鎂陽(yáng)極，后一種為標(biāo)準(zhǔn)鎂陽(yáng)極。按陽(yáng)極形狀又可分為塊狀（棒形）鎂陽(yáng)極和帶狀鎂陽(yáng)極。因帶狀鎂陽(yáng)極局限在高電阻率環(huán)境中應(yīng)用，所以一般只能用高電位材料來(lái)制造，目前多以高純鎂制造。第132頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所1342.鋅及鋅合金鋅是一種很普通的金屬，原子量65.4，相對(duì)密度7.14，化合價(jià)為2，熔點(diǎn)420℃。鋅陽(yáng)極的種類主要有高純鋅、Zn－AI、Zn－A1－Cd。鋅的電極電位比鐵負(fù)，表面不易極化，是理想的犧牲陽(yáng)極材料。鋅不僅可以用于低電阻率土壤中，還可廣泛用于海洋中。鋅陽(yáng)極的性能列于表3－13中。第133頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所135第134頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所136

1）高純鋅鋅的標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.76V（SHE），在海水中高純鋅的穩(wěn)定電位是向負(fù)向偏移，為-1.06V（SCE）。在pH值約為6～12范圍內(nèi)，鋅的自溶性不大；在pH值為7～9的海水中，熱力學(xué)上唯一可能的過(guò)程是鋅溶解形成不溶性的Zn(OH)2。Zn(OH)2不溶于海水中，而積聚在鋅的表面上，阻正了它的自溶。鋅表面上形成碳酸鹽，也使鋅在海水中易鈍化。

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雜質(zhì)對(duì)陽(yáng)極行為和自溶性有很大影響。當(dāng)雜質(zhì)存在時(shí)，微電池的作用使金屬表面上堅(jiān)固的氫氧化物和氫氧化物一碳酸鹽沉淀物的形成速度上升。這些沉淀物阻止鋅的進(jìn)一步溶解。世界各國(guó)對(duì)鋅陽(yáng)極的開發(fā)通過(guò)兩個(gè)途徑：一是采用未合金化的鋅，但限制雜質(zhì)含量，如ASTMB418－73中Ⅱ型陽(yáng)極，其Fe含量＜0.0014％；二是采用低合金化的合金，同時(shí)減少其雜質(zhì)，如Zn－A1-Cd、Zn-A1合金。第136頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所138

2）Zn-A1-Cd三元鋅合金

Zn-A1-Cd溶解性能好，電流效率高，制造容易，價(jià)格低廉，所以得到廣泛應(yīng)用。添加元素Al和Cd的作用有：使晶粒細(xì)化；消除雜質(zhì)的不利影響。添加0.l％的Al，可與0.003％的Fe形成固溶體。這種固溶體的電位比純鐵負(fù)，減弱了鋅合金的自腐蝕作用。添加0.3％的Al，形成的腐蝕產(chǎn)物變得疏松并容易脫落。第137頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所139

在鋅內(nèi)添加0.3％的A1和0.06％的Cd，可使鋅內(nèi)Fe和Pb的允許含量分別為0.003％和0.006％，使得陽(yáng)極生產(chǎn)變得容易些。當(dāng)Fe的含量大于0.005％時(shí)，會(huì)使陽(yáng)極表面的均勻溶解受到影響，而且陽(yáng)極的工作電位正向偏移，陽(yáng)極效率也明顯下降。

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3）Zn－A1二元鋅合金和其他鋅合金一樣，對(duì)于Zn－A1合金的研究也是從合金元素Al的作用及雜質(zhì)Fe的含量對(duì)陽(yáng)極的電化學(xué)性能的影響兩個(gè)方面進(jìn)行。研究結(jié)果表明，含有0.3％～0.6％A1和0.001％～0.005％Fe時(shí)，Zn-A1合金具有良好的電化學(xué)性能。

Zn-A1合金在共晶溫度時(shí)，鋁在鋅中最大溶解度是1.02％；隨著溫度的降低，溶解度下降，在室溫時(shí)為0.05％～0.08％。

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合金的電位隨著含A1量從0到0.4％～0.6％，電位從-690mV變化到-740mV；進(jìn)一步增加含Al量，合金的負(fù)電位就下降，含A1為3.0％時(shí)，電位值為-690mV。合金的電流效率隨著含A1量從0到0.4％～0.6％變化，其值從91.3％增加到96.5％；當(dāng)含山量大于1％時(shí)，電流效率急劇下降，在3.0％A1時(shí)，電流效率為81.3％。鐵雜質(zhì)對(duì)Zn－A1合金的電流效率影響非常明顯。當(dāng)鐵含量從0.004％提高到0.01％時(shí)，含有0.6％A1的Zn－A1合金的電流效率從88.5％降到76.0％。第140頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所142

目前，這三種鋅陽(yáng)極在國(guó)內(nèi)均已商品化，且廣泛應(yīng)用在海水和土壤中。由于鋅陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電壓只有0.2－0.25V，所以產(chǎn)生的電流只有鎂陽(yáng)極的三分之一。國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)均對(duì)鋅陽(yáng)極在土壤中的應(yīng)用加以限制：國(guó)標(biāo)GB/T4950-1985限制為15Ω·m以下，SY/T0019-97指出在多水的環(huán)境下可提高到30Ω·m以下使用，還有不少文獻(xiàn)把鋅陽(yáng)極限制在10Ω·m以下。這主要考慮的是經(jīng)濟(jì)性。

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3.鋁合金鋁在電動(dòng)序中位于鎂和鋅之間，原子量27.0，化合價(jià)為3，相對(duì)密度2.7，熔點(diǎn)660℃；理論電容量2980A·h/kg，是鋅的3.6倍，鎂的1.35倍。原料來(lái)源容易，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。但無(wú)論是金屬鋁還是鋁合金，表面都極易鈍化，只能通過(guò)合金化來(lái)限制和阻止表面形成連續(xù)性氧化膜，促進(jìn)表面活化，使合金具有較負(fù)的電位和較高的電流效率。常用的鋁合金陽(yáng)極的電化學(xué)性能列在表3-14中。第142頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所144

鋁陽(yáng)極材料來(lái)源豐富，且在海水中有良好的電化學(xué)性能，所以在船舶、港口碼頭。鉆井平臺(tái)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。但在土壤中到目前為止還未有成功的報(bào)道，主要是陽(yáng)極的腐蝕產(chǎn)物氫氧化鋁膠體在土壤中無(wú)法疏散，使陽(yáng)極鈍化而失效。即使在海泥中，其性能也不如鋅陽(yáng)極。第143頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所145

在70年代，美國(guó)DOW化學(xué)公司研制的GalvalumⅢ型A1-3Zn-0.015In-0.1Si合金，把鋁陽(yáng)極的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到海泥、熱鹽水及電阻率較高的淡鹽水里，保護(hù)海灣和河口的鋼構(gòu)筑物。這種陽(yáng)極的性能列在表3-15中。第144頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所146

從國(guó)內(nèi)的實(shí)踐看，當(dāng)在土壤電阻率小于5Ω·n。時(shí)，氯離于含量高的海邊灘地，鋁陽(yáng)極還有一定的應(yīng)用價(jià)值。

pH值對(duì)鋁的腐蝕速度和電位影響很大：pH值在3～9的范圍時(shí)，鋁的溶解在其表面形成含水氧化物（A12O3·H2O），從而形成高電阻膜引起鋁的鈍化，電位較高，溶解速度很慢；當(dāng)pH＞9時(shí)，鋁的溶解部分形成鋁酸鹽，含水氧化物開始溶解，這時(shí)鋁的溶解速度增加，電位急劇地向負(fù)向移動(dòng)。第145頁(yè)/共221頁(yè)2023/1/14西南石油學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)研究所147

在實(shí)用中，無(wú)論海水、淡水，還是土壤中PH值都很少大于9，因此鋁具有相當(dāng)?shù)拟g化性。以上介