陰極保護原理與維護

目錄一、陰極保護原理二、犧牲陽極陰極保護三、外加電流陰極保護四、陰極保護效果判斷五、陰極保護測試方法六、陰極保護日常維護七、雜散電流干擾腐蝕八、恒電位儀故障判斷第一頁，共49頁。一、陰極保護原理1.腐蝕的原因將金屬放入電解質后，金屬不同的部位，電極電位是不同的，從而形成腐蝕電池。電極電位的不同是金屬自身或環(huán)境狀況不同所引起的。-0.5V-0.6V電流e管道陽極陰極第二頁，共49頁。2.發(fā)生腐蝕的4個條件（1）陽極和陰極必須同時存在，（陽極、陰極組成腐蝕電池）；（2）陰、陽極之間必須有電位差；（3）陰、陽極之間必須有電氣連接；（4）陰、陽極必須處于電解質中。去除四個條件中的任何一個，腐蝕就會停止。3.防腐層從理論上講，如果防腐層是完整、無缺陷的，那么，防腐層自己就可以完成防腐任務。然而，要做到防腐層無缺陷，實際上是很困難或不經濟的。因此，防腐層與陰極保護的結合，99%的防腐任務由防腐層承擔、陰極保護對防腐層缺陷處進行保護，是最經濟、有效的防腐措施。第三頁，共49頁。4.陰極保護原理強制電流從周圍電介質中流向被保護結構表面，使金屬表面全部處于陰極狀態(tài)，就可抑制陰極區(qū)金屬表面電子釋放。施加的電流越大，產生的陰極極化越強。電流e管道陽極陰極-0.5V-0.6V第四頁，共49頁。4.陰極保護原理強制電流從周圍電介質中流向被保護結構表面，使金屬表面全部處于陰極狀態(tài)，就可抑制陰極區(qū)金屬表面電子釋放。施加的電流越大，產生的陰極極化越強。電流管道陽極陰極-0.6Ve-0.5V-0.6Ve第五頁，共49頁。4.陰極保護原理強制電流從周圍電介質中流向被保護結構表面，使金屬表面全部處于陰極狀態(tài)，就可抑制陰極區(qū)金屬表面電子釋放。施加的電流越大，產生的陰極極化越強。電流管道陽極陰極e-0.8V-0.8Ve第六頁，共49頁。5.陰極保護途徑實現陰極保護有兩個途徑，即：外加電流和犧牲陽極陰極保護。6.陰極保護須具備的條件從技術可行性上講，陰極保護必須具備三個使用條件：1.管道縱向連續(xù)導電，確保陰極保護電流暢通，是陰極保護的必要條件之一。法蘭、絲扣部位需要電纜跨接。2.具有足夠絕緣電阻的管道覆蓋層。覆蓋層的主要作用是隔離土壤介質，阻止形成腐蝕電池。覆蓋層絕緣電阻愈大，需要的陰極保護電流愈小。3.管道與其他非保護構筑物之間電絕緣。電絕緣可以防止陰極保護電流流失，減輕雜散電流干擾等。第七頁，共49頁。二、犧牲陽極陰極保護1.犧牲陽極陰極保護原理根據金屬在電動勢序列中相對位置的不同，當將兩種金屬連接在一起，并處于同一電解質中時，電流將從較活性的金屬流向較惰性的金屬，為較惰性的金屬提供保護。由于離子的溶解速度低于電子的移動速度,所以,陽極的電位正向偏移，管道電位負向偏移。第八頁，共49頁。2.犧牲陽極材料與埋設常用的犧牲陽極材料有三類：鎂和鎂合金、鋅和鋅合金、鋁和鋁合金。榆濟線設計時對于站內埋地管線采用鎂合金犧牲陽極保護。犧牲陽極可以單獨埋設，也可以成組埋設。3.犧牲陽極保護優(yōu)缺點優(yōu)點:不需外部電源，應用靈活、易于安裝、運行維護簡單.對附近非保護金屬構筑物無干擾。缺點:輸出電流小（一般小于1A)、僅用于保護電流需求小的場合。驅動電壓低，運行電位不可調，受環(huán)境因素影響較大，僅用于低土壤電阻率環(huán)境。第九頁，共49頁。4.犧牲陽極接線箱第十頁，共49頁。5.回填料如果直接將陽極埋設在土壤中，由于土壤成分的不同，會加劇陽極的自身腐蝕，并使陽極消耗不均勻。填料可以吸收、保持水分，降低陽極接地電阻，提高陽極效率，保證陽極表面均勻消耗。榆濟線設計時填包料厚度大于100mm，填包料配方是:石膏粉：膨潤土：工業(yè)硫酸鈉=75：20：5（質量百分比）第十一頁，共49頁。三、外加電流陰極保護1.外加電流陰極保護原理利用外部電源和輔助陽極地床迫使電流通過輔助陽極從周圍介質中流向被保護結構，從而消除腐蝕。管道陽極管道陽極第十二頁，共49頁。1.外加電流陰極保護原理榆濟線設計時，外部電源用的就是恒電位儀，輔助陽極用的深井陽極地床。陽極地床距被保護結構一定距離，恒電位儀的正極與陽極地床連接，負極與管道連接。電流通過陽極地床進入土壤，然后通過土壤到達管道。管道輔助陽極第十三頁，共49頁。2.恒電位儀榆濟線用的是IHF數控高頻開關恒電位儀，注意的幾點：（1）恒電位儀正常情況下應保持恒電位運行狀態(tài)，在出現故障后可暫時恒電流運行。（2）在恒電位出現故障時，自動切換到恒電流工作狀態(tài)，并恒定在預先設定的電流值上。（3）在恒電位輸出的狀態(tài)下，整流電源自動調節(jié)輸出電壓、電流，使管/地電位維持在設定值。（4）控制室一般二臺恒電位儀，一臺作為工作機，一臺為備用機。工作一段時間后（如一個月）更換運行，以延長儀器的使用壽命。第十四頁，共49頁。2.恒電位儀榆濟線用的是IHF數控高頻開關恒電位儀，注意的幾點：（5）電位超限報警：如果控制電位超過預置電位±50mV時，儀器顯示電位超限報警，液晶屏狀態(tài)欄顯示“R”。（6）電流超限報警：如果輸出電流超過額定電流的105％時，儀器顯示電流超限報警，液晶屏狀態(tài)欄顯示“C”。（7）電壓超限報警：如果輸出電壓超過額定電壓的105％時，儀器顯示電壓超限報警，液晶屏狀態(tài)欄顯示“V”。（8）溫度過高報警：如果機內溫度過高，系統(tǒng)將由于溫度保護而自動停機，停機同時，儀器顯示溫度過高報警，液晶屏狀態(tài)欄顯示“T”。第十五頁，共49頁。2.恒電位儀第十六頁，共49頁。3.陰極保護原理接線圖第十七頁，共49頁。4.匯流點接線箱第十八頁，共49頁。5.輔助陽極榆濟線輔助陽極用的是深井陽極地床，設計井深在50米。深井陽極用分段預制式陽極體，陽極體由貴金屬氧化物陽極、焦炭填料和套管組成。貴金屬氧化物陽極基體材料采用工業(yè)純鈦。一座陽極井安裝3支陽極體，1支陽極體長6m，內置3支貴金屬氧化物陽極，并填充焦炭填料，外用帶有網狀透水孔的鋼套管包裹。焦炭填料作用：（1）增大陽極與土壤的接觸面積，從而降低地床接地電阻;（2）將陽極電極反應轉移到填料與土壤之間進行，延長陽極的使用壽命;（3）填料可以消除氣體堵塞。第十九頁，共49頁。6.深井陽極地床設計圖第二十頁，共49頁。7.陽極接線盒第二十一頁，共49頁。8.絕緣法蘭作用：限制陰極保護電流在指定的范圍內，與其他金屬結構或環(huán)境進行電氣絕緣，防止陰極保護電流的散失，使系統(tǒng)得到有效陰極保護。場站、閥室進出站都裝有絕緣法蘭。由于絕緣法蘭兩側的電位差，會對管道產生干擾，加速腐蝕，所以絕緣法蘭兩側10m內，管道外表面作特別加強級防護。第二十二頁，共49頁。8.絕緣法蘭第二十三頁，共49頁。9.絕緣接頭測試箱第二十四頁，共49頁。9.絕緣接頭測試箱第二十五頁，共49頁。9.絕緣接頭測試箱第二十六頁，共49頁。10.接地電池為了防止高壓電涌及強電以外作用對絕緣接頭的損壞，在絕緣接頭處設置接地電池。榆濟線設計的為雙鋅棒接地電池。結構如下：第二十七頁，共49頁。四、陰極保護效果判斷1.陰極保護電位包括1.腐蝕電位（自然電位）：將金屬放入電解液中，金屬與參比電極之間的電位。2.陰極極化:由于電解液與電極之間電流的流動而導致的電極腐蝕電位的偏移。3.極化電位:結構與電解液接觸面之間的電位，它是腐蝕電位與陰極極化之和。4.通電電位：在陰極保護系統(tǒng)正常工作的情況下測量的管道/地電位，其中包括極化電位與IR降。IR降：由于陰極保護電流在土壤中流動，在土壤電阻上產生的電壓降。5.瞬時斷電電位：在切斷陰極保護電源1秒中之內測量的管/地電位。第二十八頁，共49頁。1.陰極保護電位包括V1:腐蝕電位(自然電位),V2：陰極極化；V1+V2:極化電位(瞬時斷電電位),V=V1+V2+IR：通電電位管道陽極V參比電極V1V2IR第二十九頁，共49頁。2.充分陰極保護的判斷指標GB/T21447-2008《鋼質管道外腐蝕控制規(guī)范》中規(guī)定正常情況下的陰極保護效果應達到下列任意一項或全部指標：a)在施加陰極保護時，測得的管道/電解質電位達到-850mV或更負（相對飽和硫酸銅參比電極，以下簡稱CSE）。測量電位時，必須考慮消除IR降的影響，以便對測量結果做出準確的評價。b)管道極化后電位達到-850mV或更負（相對CSE）。c)在陰極保護極化形成或衰減時，測取被保護管道表面與土壤接觸、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位差不應小于100mV第三十頁，共49頁。3.過保護防腐是否成功，取決于陰極保護電位，陰極保護電位過正，不能達到充分保護；陰極保護電位過負，將破壞防腐層：過量陰極保護會使涂層產生剝離。GB/T21448-2008要求，陰極保護狀態(tài)下管道的極限保護電位（即管地界面極化電位）不能比-1200mV（CSE）更負。第三十一頁，共49頁。五、陰極保護測試方法1.通電電位（1）

測量前，應確認陰極保護運行正常，管道已充分極化。（3）測量時，將硫酸銅電極放置在管頂正上方地表的潮濕土壤上，應保證硫酸銅電極底部與土接觸良好。（3）電壓表的負接線柱（COM）與硫酸銅電極連接，正接線柱（V）與管道連接。2.自然電位對已實施過陰極保護的管道宜在完全斷電24h后進行。新建管道自然電位一般在–0.5V至–0.7V,之間。第三十二頁，共49頁。3.斷電電位利用陰極保護設備固有同步通斷功能，使同一相關管段上所有陰極保護電源同步工作在12秒通、3秒斷狀態(tài)，人工在斷電周期內測量的管/地電位為瞬時斷電電位。讀數時間一般為斷電后0.5秒-1秒之間。第三十三頁，共49頁。4.極化探頭法1)將試片回填，試片埋深及回填狀態(tài)與管道相同。2)將試片與管道連通，試片充分極化。3)測量中，試片與數字萬用表的正極連接，硫酸銅電極與數字萬用表的負極連接。4)將試片與管道斷開，立即測量并記錄相對于對硫酸銅電極的斷電電位。此過程應盡可能快，以避免試片的去極化。管道試片V參比電極第三十四頁，共49頁。4.極化探頭法第三十五頁，共49頁。5.犧牲陽極開路電位1)測量前，應斷開犧牲陽極與管道的連接。2)測量中，按圖中的測量接線方式，將數字萬用表的正極與犧牲陽極連接，負極與硫酸銅電極連接。第三十六頁，共49頁。6.犧牲陽極保護電位管道保護電位的測量將犧牲陽極與管道連通，測量的管道電位為管道保護電位。GB/T21448-2008要求用遠參比法。將硫酸銅電極朝遠離犧牲陽極的方向逐次安放在地表上，第一個安放點距管道測試點不小于20m，以后逐次移動5m。將數字萬用表調至適宜的量程上，讀取數據，作好電位值和極性記錄，當相鄰兩個安放點測試的管地電位相差小于2.5mV時，參比電極不再往遠方移動，取最遠處的管地電位值作為該測試點的管道對遠方大地的電位值。第三十七頁，共49頁。7.陽極接地電阻的測量測量前，必須將犧牲陽極與管道斷開，然后按圖中所示的接線圖沿垂直于管道的一條直線布置電極，d13約40m，d12取20m左右，轉動接地電阻測量儀的手柄，使手搖發(fā)電機達到額定轉速，調節(jié)平衡旋鈕，直至電表指針停在黑線上，此時黑線指示的度盤值乘以倍率即為接地電阻值。第三十八頁，共49頁。8.土壤電阻率測量土壤電阻率的測量通常采用四極法，工具使用接地電阻測量儀，它是在地表面沿直線方向均布四支電極，電極間距一般為管道埋深。在外側兩個電極上輸入電流，在內側兩支電極上測量電壓降，記錄表顯電阻R值并計算土壤電阻率。土壤電阻率按下式計算：P=2x3.14xaxR:a:電極之間的距離R:儀表測得的電阻值P:深度為a地層土壤電阻率。第三十九頁，共49頁。8.土壤電阻率測量第四十頁，共49頁。六、陰極保護日常維護1.運行管理要求外防腐涂層和陰極保護聯合保護是管道防腐的主要手段，陰極保護系統(tǒng)一經運行，要確保陰極保護通電率98%，陰極保護達標率100%。恒電位儀通電電位設置應使管道保護電位達標：-0.85V～-1.15V(CSE)；上述電位均應為不包含IR降的真實管地電位。陰極保護電位的測量每月進行一次，通過管道沿線每公里埋設的電位測試樁，測量所轄管道的保護電位。1.運行管要求第四十一頁，共49頁。2.陰極保護參數測量在進行保護電位測量時，有時會發(fā)現，在離開匯流點一段距離的地方測量電位比匯流點處還要負。解釋如下：匯流點附近，有短路接地或防腐層有大漏點，造成在匯流點處測量時，電位較正。而離開匯流點一段距離后，接地、防腐層的漏點對電位的影響減弱。測量到的電位更負一些。1.運行管要求3.陽極地床維護如果深井陽極失效，修復的可能性很小。在有些情況下，由于氣阻造成的陽極地床接地電阻增大可以通過沿排氣管注入空氣和水的方式來解決。第四十二頁，共49頁。4.絕緣接頭的維護應當對絕緣接頭進行檢測，保證其具有良好的絕緣性?？梢酝ㄟ^測量絕緣接頭兩側的電位來判斷絕緣接頭的絕緣性能。非陰極保護側的電位要比保護側電位正許多。檢測時，要拆掉鋅接地電池。1.運行管要求5.測試樁、跨接線維護測試樁必須保證與管道完好的電氣連接及樁體、測試部位完好，對斷線等缺陷及時修復。如果電位測量時發(fā)現電位很正，多半是電纜與管道斷開，應當盡快修復?？缃泳€接線要正確，避免接線錯誤導致的短路情況。第四十三頁，共49頁。七、雜散電流干擾腐蝕1.雜散電流定義雜散電流是沿規(guī)定路徑之外的途徑流動的電流，它在土壤中流動，且與被保護管道系統(tǒng)無關。該電流從管道的某一部位進入，沿管道流動一段距離后，又從管道另一部位流入土壤，在電流流出的部位，管道發(fā)生腐蝕，我們稱之為雜散電流干擾腐蝕。雜散電流源包括：1.外加電流陰極保護系統(tǒng)；2.直流電車系統(tǒng)；3.礦山牽引系統(tǒng)、電解、焊接等直流用電設備；4.高壓直流輸電線路。1.運行管要求第四十四頁，共49頁。2.減小雜散電流方法減小雜散電流干擾首先要確定是否受到雜散電流干擾。將被保護管道的陰極保護電源按一定周期通斷，測量可能受干擾管道的管地電位，如果其電位隨被保護管道電源的通斷而變化，且電位正向偏移大于50mV時，可判斷，該管道受到雜散電流干擾。減小雜散電流干擾的方法有：將被保護管道和被干擾管道實施電氣連接(跨接均壓線)；受干擾管道增加犧牲陽極或外加電流陰極保護措施；受干擾管道保證外防腐涂層完好并增設屏蔽層等。第四十五頁，共49頁。八、恒電位儀故障判斷1.運行管理要求（1）恒電位儀開機無輸出，指示燈不亮，數字面板表不顯示。原因：a電源開路；b輸入保險管斷或穩(wěn)壓電源變壓器保險管斷。（2）恒電位儀輸出電流突然增大，甚至達到額定輸出電流，但恒電位儀正常。原因：a與未保護管線接觸，b絕緣接頭兩邊管道搭接導致保護端與非保端護短路，