管道陰極保護(hù)理論與實(shí)踐課件

管道陰極保護(hù)理論與實(shí)踐胡士信中國石油天然氣管道工程有限公司

第一節(jié)腐蝕與防護(hù)第二節(jié)陰極保護(hù)第三節(jié)犧牲陽極保護(hù)第四節(jié)強(qiáng)制電流第五節(jié)排流保護(hù)第六節(jié)陰極保護(hù)管道設(shè)計(jì)第七節(jié)陰極保護(hù)測試第八節(jié)運(yùn)行與管理第一節(jié)腐蝕與防護(hù)1.1腐蝕定義及防腐的意義定義

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(jī)械破壞以外的材料一切破壞；（3）冶金的逆過程。

ISO定義：金屬與環(huán)境間的物理-化學(xué)相互作用，其結(jié)果使金屬的性能發(fā)生變化,并?？蓪?dǎo)致金屬、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損傷。注：該相互作用通常為電化學(xué)性質(zhì)。（見GB/T10123-2001）1.2防蝕方法1選擇耐蝕材料(供應(yīng)、耐蝕、成本、強(qiáng)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(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4陰極保護(hù)5緩蝕劑6改變環(huán)境降溫、降速、除氧、改變濃度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(jì)美，簡易材料觀，李金桂，表面工程論

第二節(jié)陰極保護(hù)2.1陰極保護(hù)原理

1三電極理論2E-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(dǎo)線連接。

防腐蝕方法：陰極保護(hù)破壞（1），防腐層破壞（2）。

2.2

陰極保護(hù)參數(shù)

保護(hù)電位準(zhǔn)則（NACERP0169-96、SY/T0036）：（1）通電情況下-850mV；（2）極化電位-850mV；（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

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(biāo)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(shí)也用金屬電極（如Zn）。測量交流電壓時(shí)可使用金屬棒作參比電極。Voff斷電電位：斷開陰極保護(hù)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。Von通電電位：施加陰極保護(hù)電流情況下測得的管/地電位。因含有IR降，故不宜做為保護(hù)準(zhǔn)則用。若要用時(shí)，應(yīng)考慮排除其IR降成分。極化電位：施加保護(hù)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(duì)地電位。

保護(hù)電位密度覆蓋層的質(zhì)量環(huán)境條件（流速、污染、溫度）2.3

陰極保護(hù)方法

1犧牲陽極法

2強(qiáng)制電流法

3排流保護(hù)法方法比較見表6-1

CATHODICCORROSIONPROTECTION2.4

防腐層與陰極保護(hù)（1）防腐層的作用：隔絕電解質(zhì)（2）防腐層的種類石油瀝青：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(bǔ)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(qiáng)、但有陰極屏蔽作用

（3）防腐層質(zhì)量與陰極保護(hù)電流密度

2.5

陰極保護(hù)技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀（1）管道20000km長輸管道全施加保護(hù)

油田集輸管道基本施加了保護(hù)市政供氣、水管道有上保護(hù)和無保護(hù)的

（2）儲(chǔ)罐國內(nèi)大型儲(chǔ)罐基本都施加了保護(hù)城市加油站的小型儲(chǔ)罐有的上了保護(hù)

（3）標(biāo)準(zhǔn)與法律

中國石油天然氣管道保護(hù)條例國內(nèi)有一套陰極保護(hù)的待業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第三節(jié)犧牲陽極保護(hù)3.1犧牲陽極種類

基本要求：

（1）要有足夠的負(fù)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(dāng)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(jià)格便宜。鎂及鎂合金：（1）品種：高純鎂、高電位、標(biāo)準(zhǔn)；（2）性能：電位高、效率低；（1）品種：高純鋅、鋅-鋁-鎘、鋅-鋁；（2）性能：電位低、效率高；（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(diǎn)雜質(zhì)含量不能大，主要是鐵，合金成分合理.

3.2

犧牲陽極應(yīng)用

⑴依據(jù)環(huán)境條件選用（表8-13）

⑵依據(jù)保護(hù)對(duì)象選

⑶依據(jù)使用功能選3.3犧牲陽極設(shè)計(jì)

1陽極種類的選擇（表8-13）2計(jì)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

4施工（1）地床位置（2）陽極間隔（3）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(qiáng)電干擾接地柵（4）接地電池第四節(jié)強(qiáng)制電流4.1電源

要求（1）安全可靠；（2）電流電壓連續(xù)可調(diào)；（3）適應(yīng)當(dāng)?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(hù)簡單；價(jià)格合理。

（1）整流器

（2）太陽電池

（3）CCVT

（4）TEG

（5）風(fēng)力發(fā)電機(jī)

ALTERNATIVEDC-POWERSOURCESFORCATHODICPROTECTIONUNITS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)4.2輔助陽極

基本要求：（1）消耗率低，（2）陽極極化低；（3）導(dǎo)電性好；（4）可靠性高；（5）足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性；（6）耐磨蝕，抗侵蝕；（7）材料來源廣，價(jià)格便宜；（8）容易制造成各種形狀。

（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）柔性陽極。?；靥盍?/p>

（1）作用：降低陽極/土壤接觸電阻；良好導(dǎo)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3~15mm

(4)含碳量大于85%

（1）設(shè)計(jì)原則：接地電阻要適當(dāng)；干擾影響??；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。第五節(jié)排流保護(hù)5.1直流干擾危害及防護(hù)

DC雜散電流判據(jù)（1）管/地電位偏移+20mV或地電位梯度大于0.5mV/m確認(rèn)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。DC雜散電流的危害（1）電蝕：激烈、集中、量大，鐵9.1kg/A.a；

（2）實(shí)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(dá)500A，腐蝕率大于10-15mm/a；最快為3個(gè)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(hù)（城市管道）、直流用電設(shè)備。5.1.3防護(hù)

（1）直接排流；

（2）極性排流；

（3）強(qiáng)制排流；

（4）間接排流；(5）鎂陽極極性間接排流。5.2交流干擾危害及防護(hù)

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(shí)例：寶成線油庫管線、東北管道（兩線一地、哈大線)SIGNIFICANTPARAMETERSINANALYSISOFHVACINTERFERENCEONPIPELINESElectromagneticfieldSoilresistivityWxmCoatingqualityCoatingresistanceLengthofparallelismOffsetdistanceHIGHVOLTAGEINTERFERENCEINDUCEDPIPETOSOILVOLTAGEAC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(duì)于鋼鐵相當(dāng)DC的1%~2%兩性金屬不能忽略防護(hù)

（1）指標(biāo)：持續(xù)65V(德國Afk3）60V(中國GB6830、TB/T2832）；瞬間1000V（德國）430V（中國）

（2）防護(hù)：接地排流、極性排流、嵌位式排流、電容排流、絕緣隔斷、AT(自耦變壓器）BT(吸流變壓器）方式、絕緣接頭防護(hù)（3）國內(nèi)實(shí)踐：寶成線、哈大線、秦京線第六節(jié)陰極保護(hù)管道設(shè)計(jì)6.1陰極保護(hù)電絕緣

防腐層絕緣接頭

6.2電連續(xù)性跨接法蘭接處站外干線管道連接閥室外連接預(yù)應(yīng)力混凝土管道的環(huán)向筋的連接6.3測試系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)遙測系統(tǒng)6.4測試項(xiàng)目與管理（詳見第8節(jié)）犧牲陽極系統(tǒng)強(qiáng)制電流系統(tǒng)陰極保護(hù)管理的三大指標(biāo)測試項(xiàng)目6.5設(shè)計(jì)計(jì)算

強(qiáng)制電流系統(tǒng)

（1)所需保護(hù)總電流(2)單站保護(hù)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(dǎo)線、陽極導(dǎo)線）(8)電源功率犧牲陽極系統(tǒng)（1）所需保護(hù)電流（2）單支陽極電流（3）陽極數(shù)量（4）單支陽極保護(hù)范圍（5）陽極壽命第七節(jié)陰極保護(hù)測試7.1陰極保護(hù)電位測試

一般原則IR降影響及消除

7.2保護(hù)準(zhǔn)則測試

一般要求mVmVmV極化差——建立中——衰減中

7.3電流測試

犧牲陽極電流標(biāo)準(zhǔn)電阻法雙電流表法管內(nèi)電流

兩極法四極法

Js=(I1–I2)/S

7.4電阻測試

土壤電阻率現(xiàn)場四極法

土壤箱法

接地電阻

ZC8三極法兩極法

MEASUREMENTOFCURRENTDENSITYANDCOATINGRESISTANCECATHODICPROTECTIONOFPIPELINES7.5故障點(diǎn)測試

套管短路電位差法

覆蓋層漏點(diǎn)地面檢漏地電位梯度

與其它管道短路點(diǎn)地面電位梯度7.6覆蓋層面積電阻測試

方法簡介——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?！獑挝唬害竚2?！獪y量方法的區(qū)別——NACETM0102《地下管道保護(hù)性覆蓋層電導(dǎo)率的測量》方法——覆蓋層面電阻與保護(hù)電流密度的關(guān)系——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(hào)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(hào)好于電平信號(hào)。

NACETM0102簡介（1）一般方法（2）電位衰減法（3）用電導(dǎo)率來評(píng)價(jià)覆蓋層狀態(tài)第八節(jié)運(yùn)行與管理8.1概述

陰極保護(hù)工程應(yīng)與被保護(hù)構(gòu)筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)，一旦投入運(yùn)行，就應(yīng)確保陰極保護(hù)系統(tǒng)持續(xù)有效，任何異?，F(xiàn)象都應(yīng)及時(shí)處理，這是管理工作者的責(zé)任。

一般技術(shù)要求被保護(hù)構(gòu)筑物的電位

陰極保護(hù)的有效性判據(jù)是保護(hù)電位，因此電位參數(shù)測試的準(zhǔn)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(zhǔn)；(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(shí)間要求。管理工作中，被保護(hù)構(gòu)筑物的電位是必測項(xiàng)目，測量的時(shí)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。POTENTIALMEASUREMENTWITHPOLARIZATIONPROBE陰極保護(hù)準(zhǔn)則的練習(xí)自然電位通電電位斷電電位0.5500.9800.851A,B,C0.4500.8480.554C0.5010.899無IR降A(chǔ),B,C不知道0.9320.865A,BA=0.850V(通);B=0.850V(斷);C=100mV(極化差)犧牲陽極系統(tǒng)

在犧牲陽極設(shè)計(jì)時(shí)，陽極與被保護(hù)構(gòu)筑物的連接有兩種方式，一是直接焊到被保護(hù)體上，另一種是通過接線盒與被保護(hù)體相連。對(duì)于前一種情況，被保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(shí)檢驗(yàn)陽極表面腐蝕狀態(tài)；(4)犧牲陽極裝置系統(tǒng)完整性維護(hù)。

犧牲陽極故障分析有以下兩項(xiàng)：（1）陽極輸出電流減小，達(dá)不到保護(hù)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(dǎo)線接頭斷開；

d.陰極/導(dǎo)線接頭斷開；

e.陽極周圍土壤干燥；

f.環(huán)境污染對(duì)陽極性能的影響。

（2）陽極輸出電流增大，但保護(hù)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(hù)構(gòu)筑物所需電流過大,陽極輸出的電流遠(yuǎn)小于所需電流；

b.被保護(hù)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。

（3）犧牲陽極其它故障

a.陽極體腐蝕不嚴(yán)重，但陽極已不能工作。可能的原因?yàn)?，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(yán)重，造成陽極體斷裂。可能的原因是陽極合金化不均勻，造成局部腐恂。

c.未達(dá)設(shè)計(jì)壽命，陽極失效。可能的原因?yàn)?，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(shí)陽極會(huì)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，管理中，如有交流干擾要嚴(yán)密監(jiān)視。

強(qiáng)制電流系統(tǒng)

強(qiáng)制電流系統(tǒng)由電源和輔助陽極兩部分組成，其維護(hù)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(hù)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(hù)要求外，還要對(duì)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

通常要注意的有：電連接點(diǎn)牢固可靠；機(jī)體對(duì)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(zhǔn)儀器設(shè)備的工作點(diǎn)。

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(duì)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。對(duì)于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)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(fù)極接反了，必須立即更正，否則將會(huì)造成被保護(hù)體快速電解腐蝕，危險(xiǎn)性極大。(2)施加電壓正常，電流小但不為零，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。

(3)施加電壓正常，電流為零，可能的原因?yàn)殛帯㈥枠O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。

(6)施加的電壓、電流正常,但構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位負(fù)移不夠，可能的原因有：

a.電連接點(diǎn)斷開或接頭電阻過大；b.測試點(diǎn)處土壤干燥或土壤充氣過多；c.環(huán)境去極化作用過強(qiáng)，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(hù)裝置失效；g.防腐覆蓋層老化或損壞。

(7)施加的電壓、電流正常，但構(gòu)筑物/電解質(zhì)電位負(fù)得不正常，可能的原因有：a.在遠(yuǎn)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(dòng)，可能的原因是雜散電流干擾。管理測量由于陰極保護(hù)系統(tǒng)管理測量為現(xiàn)場測量，就測量的準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性和對(duì)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。8.2地下金屬構(gòu)筑物總則按SY/T5919－94標(biāo)準(zhǔn)要求，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)管理主要控制下面幾個(gè)指標(biāo)：(1)

保護(hù)率100％；(2)

運(yùn)行率95％；(3)

保護(hù)度85％；(4)保護(hù)電位：一般地區(qū)為-0.85V（CSE）或更負(fù)；當(dāng)土壤或水中含有硫酸鹽還原菌時(shí)，為-0.95V（CSE）或更負(fù)。

保護(hù)率反映管道施加有效陰極保護(hù)覆蓋范圍的程度，通常以保護(hù)管道的