陰極保護理論與實踐課件

陰極保護理論與實踐第一節(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。

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）1.1.2防蝕意義腐蝕損失UK，Hoar,1969為13.65億英鎊3.5%GDP；US1975，700億4.2%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

1.1.3腐蝕分類（1）高溫、低溫；（2）化學(xué)、電化學(xué)；（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)。1.2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(dāng)?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2.1陰極保護原理1三電極理論2EpH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破壞（1），防腐層破壞（2）。2.2

陰極保護參數(shù)

2.2.1保護電位準(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

第三節(jié)犧牲陽極保護(4)含碳量大于85%上部要有粗砂，利于排氣；NACETM0102簡介(5)

極化時間要求。（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：g.UK，Hoar,1969為13.陽極對電解質(zhì)的電阻穩(wěn)定不變；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(zhǔn)確性顯得十分重要，通常要注意：中國石油天然氣管道保護條例干擾影響??；d.（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：(1)

測量回路中的IR降影響；耐陽極產(chǎn)物。5陰極保護技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀(4)保護電位：一般地區(qū)為-0.

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。Von通電電位：施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(zhǔn)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）2.3

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

CATHODICCORROSIONPROTECTION2.4

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

2.5

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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(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）價格便宜。1陰極保護電絕緣(5)參比電極使用前應(yīng)校正。3極化電位-850mV可能的原因是陽極合金化不均勻，造成局部腐恂。深井可換式、a.寶成線、預(yù)應(yīng)力混凝土管道的環(huán)向筋的連接f.（2）性能：不能用于土壤中。f.5陰極保護技術(shù)國內(nèi)現(xiàn)狀環(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。⑵依據(jù)保護對象選（5)單支陽極電阻（1）要有足夠的負(fù)電位，且很穩(wěn)定；(7)回路電阻（陽極、陰極導(dǎo)線、陽極導(dǎo)線）（4）電化當(dāng)量高，單位重量的電容量大；3.1.1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；3.1.2鋅及鋅合金（1）品種：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.

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)保護對象選

⑶依據(jù)使用功能選3.3犧牲陽極設(shè)計

1陽極種類的選擇（表813）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

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）防強電干擾接地柵（4）接地電池第四節(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(dāng)?shù)丨h(huán)境；（4）有富裕電容量；（5）與系統(tǒng)電阻相配；（6）操作維護簡單；價格合理。

4.1.2電源種類

（1）整流器

（2）太陽電池

（3）CCVT

（4）TEG

（5）風(fēng)力發(fā)電機

ALTERNATIVEDC-POWERSOURCESFORCATHODICPROTECTIONUNITS4.1.3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)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。4.2.1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）柔性陽極。。4.2.2回填料

（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%4.2.3地床結(jié)構(gòu)及位置

（1）設(shè)計原則接地電阻要適當(dāng)；干擾影響?。浑娏鞣植季鶆颍唬?）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5.1直流干擾危害及防護

5.1.1DC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。可能的原因是陽極合金化不均勻，造成局部腐恂。環(huán)境改變引起迅速去極化或者水的含氧量增大；a.保護率計算公式為：T1—年度內(nèi)有效運行時間，h；（6）材料來源廣，加工容易；2AC雜散電流感應(yīng)影響危害d.（7）價格便宜。瞬間1000V（德國）430V（中國）(1)

定期檢測被保護構(gòu)筑物的電位；（2）防護接地排流、極性排流、嵌位式排流、電容排流、絕緣（2）性能：電位低、效率高；式中TN—陰極保護保護度；(3)

保護度85％；（3）所需陽極數(shù)量環(huán)境改變引起迅速去極化或者水的含氧量增大；(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，850V(通);B=0.(1)

定期檢測被保護構(gòu)筑物的電位；d.5.1.2DC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1015mm/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。5.1.3防護

（1）直接排流；

（2）極性排流；

（3）強制排流；

（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

5.2.1AC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)SIGNIFICANTPARAMETERSINANALYSISOFHVACINTERFERENCEONPIPELINESElectromagneticfieldSoilresistivityWxmCoatingqualityCoatingresistanceLengthofparallelismOffsetdistanceHIGHVOLTAGEINTERFERENCEINDUCEDPIPETOSOILVOLTAGE5.2.2AC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(dāng)DC的1%~2%

兩性金屬不能忽略5.2.3防護

（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（3）國內(nèi)實踐寶成線、哈大線、秦京線第六節(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)

6.2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(yù)應(yīng)力混凝土管道的環(huán)向筋的連接6.3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）6.4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(biāo)6.4.4測試項目6.5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(dǎo)線、陽極導(dǎo)線）(8)電源功率有200座，僅大北窯橋改造工程就花4000萬；(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，對于鋼鐵相當(dāng)DC的1%~2%陽極/陰極的連接斷開；陰極保護運行率反映在一年時間內(nèi)，陰極保護運行時間所占的比例。a.土壤環(huán)境中的陽極“氣阻”現(xiàn)象。（2）極化電位-850mV；可能的原因是陽極合金化不均勻，造成局部腐恂。（4）單支陽極保護范圍c.(4)管網(wǎng)及雜散電流干擾下,必須采用探頭法測4原電池理論原電池三要素未達設(shè)計壽命，陽極失效。HIGHVOLTAGEINTERFERENCEINDUCEDPIPETOSOILVOLTAGE2003年10月發(fā)表的《中國腐蝕調(diào)查報告》指出:未達設(shè)計壽命，陽極失效。陽極消耗，可能需要更換；6.5.2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）單支陽極保護范圍（5）陽極壽命第七節(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

7.2保護準(zhǔn)則測試

7.2.1一般要求7.2.2通電電位-850mV7.2.3極化電位-850mV7.2.4100mV極化差——建立中——衰減中

7.3電流測試

7.3.1犧牲陽極電流標(biāo)準(zhǔn)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)/S

7.4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

MEASUREMENTOFCURRENTDENSITYANDCOATINGRESISTANCECATHODICPROTECTIONOFPIPELINES7.5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7.6覆蓋層面積電阻測試

7.6.1方法簡介7.6.2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?！獑挝唬害竚2?！獪y量方法的區(qū)別——NACETM0102《地下管道保護性覆蓋層電導(dǎo)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。

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

陰極保護工程應(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，任何異常現(xiàn)象都應(yīng)及時處理，這是管理工作者的責(zé)任。

8.1.1一般技術(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(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。POTENTIALMEASUREMENTWITHPOLARIZATIONPROBE陰極保護準(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)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。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。

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(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)境污染對陽極性能的影響。

（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。

（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?？赡艿脑驗?，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?？赡艿脑蚴顷枠O合金化不均勻，造成局部腐恂。

c.未達設(shè)計壽命，陽極失效?？赡艿脑驗?，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(yán)密監(jiān)視。

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?xì)夤┙o系統(tǒng)進行維護保養(yǎng)。通常要注意的有：電連接點牢固可靠；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(zhǔn)儀器設(shè)備的工作點。

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。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(fù)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。

(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.電連接點斷開或接頭電阻過大；b.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。

(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