区域阴极保护

1、区域阴极保护第一页，共56页。主要内容区域性阴极保护技术的特点区域性阴极保护技术的特点 系统的设计 施工与运行调试 干扰控制第二页，共56页。管道干线阴极保护管道干线阴极保护区域性阴极保护区域性阴极保护保护对象保护对象多为单一管线多为单一管线管网、储罐底板等管网、储罐底板等保护回路保护回路简单简单非常复杂非常复杂接地系统接地系统管道本身管道本身除管道、罐底板及混凝土基础除管道、罐底板及混凝土基础外，还有避雷防静电接地系统外，还有避雷防静电接地系统安全要求安全要求管道通常在野外埋地，安全要求相对较低易燃易爆场所，属一级防火区，安全要求高保护电流保护电流需需 求求保护电流主要消耗于涂层针孔或破损处

2、，一般只需较小电流（几安培）即可达到充分保护大部分电流通过设备底座、接地系统漏失，只有小部分电流消耗在管网、罐底板上，通常保护电流需求较大，几十乃至数百个安培阴极保护站阴极保护站设设 置置沿管线分散布置，相距数十甚至上百千米在站场内，相对集中阳极地床阳极地床设设 计计多采用浅埋阳极床，相对简单，安装位置选择余地较大一般采用多组阳极，安装位置在一定程度上受到限制，要达到理想的阳极床设计非常困难对外部结构对外部结构干干 扰扰较少且容易控制较少且容易控制较多且难以控制较多且难以控制屏蔽影响屏蔽影响短路套管、剥离涂层等导致管道保护屏蔽金属结构密集排布导致区域内屏蔽运行调试及运行调试及后期整改后期整改运

3、行调试简单容易，一般不需后期整改保护回路复杂，需经过反复调试，后期调整必不可少第三页，共56页。图1 长输管道干线阴极保护站场设施站场设施站外管道干线绝缘接头阴极保护电源辅助阳极地床第四页，共56页。阳极阳极阳极管网储罐图2站场区域阴极保护第五页，共56页。 对于在相对狭窄区域内有众多金属结构如管网、储罐、设备底座以及接地系统等的结构密集区实施阴极保护，以尽可能小的保护电流使区域内的结构获得充分而尽可能均匀的保护、并且排除或有效控制干扰、减缓屏蔽是关键，特别是对于已建结构区第六页，共56页。主要内容区域性阴极保护技术的特点区域性阴极保护技术的特点 系统的设计系统的设计 施工与运行调试 干扰控制

4、第七页，共56页。阴极保护系统的设计一般原则 在系统要求的寿命期内提供完全保护： 达到保护准则要求的保护水平 符合有关法规要求 不会对外部结构产生有害的阴、阳极干扰 不会产生对结构及其涂层有害的过负电位 有适当的监测系统评价达到的保护水平 在通讯或信息技术电路中不会引起过多电噪声 保护系统各保护对象之间应设电流调控设施 在杂散电流干扰区，设计应考虑减缓措施第八页，共56页。阴极保护系统的设计安全要求 出于人身安全，阴极保护电源的开路电压不宜超过50Vd.c.（超过时采取适当的安全措施）； 下列情况下，应考虑出现意外的可能性： 邻近高压线导致感应电压和地电位升高； 因电力系统故障产生电涌影响，包

5、括击穿绝缘接头； 雷击影响； 运载易燃或可形成爆炸性空气气体混合物的结构上产生电火花； 土壤土壤电位梯度5V/m（水中3V/m）超出时应设置警示装置并防止进入第九页，共56页。采用下述准则之一作为保护水平的判据： a) 外加电流阴极保护时，测得的构筑物对地极化电位为-850mV或更负相对CuCuS04电极，以下同，测试中应注意排除土壤中正、负电场以及IR降的影响； b) 对于透气性差的粘土中的钢构筑物的保护电位为-950mV或更负； c) 对于高电阻率（500m）的砂石质环境中的钢构筑物保护电位为-750mV或更负。最负保护电位应根据防腐层状态及环境确定，以不损坏防腐层粘结力及不造成邻近非保护

6、体的干扰为原则，消除IR降后的最负保护电位通常不宜比-1.25V更负；储罐底板中心外保护电位应为-850mV或更负，周边保护电位在消除IR降后，应相同或略负于锌合金的电位阴极保护准则第十页，共56页。设计前期工作设计前期工作 由于密集金属结构区的复杂性，特别是已建站厂往往经过多次改造，因此设设计之前的资料调研和现场勘测必不可少计之前的资料调研和现场勘测必不可少。详细了解保护区内金属结构的布局、功能、接地面积、绝缘状况及环境的腐蚀性等。要考虑采用深井阳极或深埋阳极的可能性，必须掌握地下的地质结构、水文资料及不同深度地层的土壤电阻率等，必要时可钻试验孔实际勘测第十一页，共56页。阴极保护设计应收集

7、的资料a)保护区域平面布置图； b) 保护对象种类、数量、建造日期、腐蚀历史现状、 整改大修历史及相关图纸、资料； c) 保护对象电连续性、与外围结构的电隔离； d) 拟保护埋地管道的防腐类型级别、技术现状； e) 拟保护储罐容量、储存介质工作温度、进出罐频 次、罐底沉积水高度； f) 拟保护储罐避雷防静电接地型式、材质及数量； g) 保护区内机、泵、炉等设备接地型式、材质及数量；h)保护区外围金属结构的类型、数量； 第十二页，共56页。阴极保护设计应收集的资料I) 现有邻近阴极保护系统的布局及其运行参数； j) 可能存在的其它电干扰源； k) 危险区边界； l) 地层结构、不同深度的土壤类型

8、及电阻率； m) 保护区地下水位、冰冻线深度、基岩深度； n) 保护区内管道地、储罐地自然电位； o) 可供选择的供电电源; p) 保护电流需求、杂散电流干扰及其它相关测试数据 第十三页，共56页。阴极保护系统的设计根据设计参数预测保护电流需求影响阴极保护电流需求的参数结构表面氧的可获得性； 涂层的氧及水渗透率； 结构金属表面的有效裸露面积有些情况下，依据经验综合考虑上述参数估计一个电流密度（以mA/m2表示），该估计数字应包括考虑涂层劣化的裕量；估计电流密度乘以结构的总埋地面积即得出近似的电流总需求；实际上，环境特征以及结构电流密度的不确定性可能会限制该方法的应用，除非有以往类似结构的经验第

9、十四页，共56页。阴极保护系统的设计阴极保护系统的设计根据现场试验确定保护电流需求 对已建结构施加临时阴极保护对已建结构施加临时阴极保护：测量通电点和结构上一定距离上的至少另外一点，根据结构的电位变化和所施加的电流，可以计算结构对地电阻并确定施加电流沿结构的分布和永久阴极保护装置的电流需求必要时，对于大型结构如罐区，沿整个结构测试，获得整个结构的极化电位值第十五页，共56页。阴极保护系统的设计保护方式第十六页，共56页。辅助阳极地床辅助阳极地床管道截面管道截面涂层涂层电源电源强制电流阴极保护主要保护方式有可靠的电源；能对周围金属构筑物及外部干线造成干扰腐蚀；合理的选择辅助阳极地床的位置及埋设方

10、式；符合防爆安全规定；在地质条件允许情况下，应优 先考虑采用深阳极地床；采用多组阳极地床时，控制点 的选择应有利于各组阳极的均 衡排流，单组辅助阳极地床的 工作电流不宜过大，在地面形 成的跨步电压应m ；第十七页，共56页。牺牲阳极牺牲阳极管道管道牺牲阳极保护小型储罐局部热点保护储罐内保护第十八页，共56页。阴极保护系统的设计强制电流阳极地床设计 所有地下结构均极化到要求的保护电位可能需要非常高的电流，高电流输出以及由此导致的阳极系统周围的土壤电位升高和结构阴极附近土壤的电位降低，会对外部结构产生杂散电流干扰； 结构密集区，通常情况下的远阳极不足以对整个区域内的所有金属结构提供充分保护，区域中

11、央的金属结构通常会由于外围接地系统或邻近结构的屏蔽而保护不足；第十九页，共56页。区域阴极保护屏蔽 结构密集区阴极保护常见的问题之一是地下金属结构紧密邻近所造成的屏蔽。管道与接地系统、钢筋混凝土基础、电力系统、罐群及水管等有金属接触，流向该区域的总电流足够在土壤中产生电位梯度，导致屏蔽效应。在结构密集区的中央，屏蔽影响将达到最大。第二十页，共56页。管网管网电电源源地床远地点参比电极密集结构区中央参比电极区域阴极保护屏蔽由远阳极地床提供保护的密集区管网，似乎将整个结构极化到完全保护所要求电位（相对于远参比电极），如1.5V，但是如果在远地点和密集区中间测试，在该区域中的地电位差可能会有高达0.

12、8V，这样在管道和近地之间的电位可能会相当低（0.7V），低于完全保护所规定的-0.85V（CSE）。第二十一页，共56页。屏蔽的减缓 当出现密集区屏蔽时，仅依靠远阳极阴极保护系统是不行的，可采用近阳极进行补充保护，使阳极周围的影响区相互充分叠加，改善整个区域内结构的保护电位,采用牺牲阳极作为接地牺牲阳极作为接地系统有助于减轻密集区的屏蔽效应第二十二页，共56页。钢筋混凝土结构变压整流器变压整流器阳极阳极阳极阳极阳极阳极管道热点阴极保护消除屏蔽第二十三页，共56页。近阳极主要用于局部热点保护，特别是密集结构区中央屏蔽第二十四页，共56页。阴极保护系统的设计强制电流阳极地床设计 选择性安装单阳极

13、（局部热点保护）可在无需同时大幅极化其它部件的情况下，对屏蔽区提供充分保护，但对于复杂场区需要大量阳极，且开挖费用也相当高； 在实际应用时，一般采用多组阳极分散布置、多组阳极分散布置、远阳极与近阳极相结合远阳极与近阳极相结合。通常主体电流由一个或多个远阳极系统提供，附加少量阳极安装于涂层缺陷保护不足的热点。这样可以较低的电流输出获得充分且尽可能均匀的保护，同时也可降低对外部结构的干扰第二十五页，共56页。区域阴极保护案例区域阴极保护案例第二十六页，共56页。阴极保护系统的设计强制电流阳极地床设计 合理的选择辅助阳极地床的位置及埋设方式是区域阴极保护成功与否的关键，在地质条件允许情况下，应优先考

14、虑采用深阳极地床；采用多组阳极地床时，控制点的选择应有利于各组阳极的均衡排流，单组辅助阳极地床的工作电流不宜过大，在地面形成的跨步电压应5Vm ；第二十七页，共56页。阴极保护系统的设计阳极布置的影响因素应能使被保护结构获得要求的保护，而对其它结构的干扰最小，取决于下列因素： 场地的可接近性及可获得性； 土壤电阻率，包括季节性变化因素； 结构的总体布局及位置，是否有外部结构； 结构的涂层； 结构对地电阻第二十八页，共56页。阴极保护系统的设计深阳极床深井阳极安装于竖直孔内（直径300400mm,并采用适当的材料回填），可接近低电阻土壤、减少场地及通行权要求、降低对外部结构干扰；阳极实际位置（埋

15、设深度）需要综合考虑费用、地层情况、阳极段长度等因素权衡确定深井阳极孔可采用钢质或塑料衬管（阳极位置需打孔）以控制井孔塌陷、方便安装；深井上部非阳极段采用非金属套管或绝缘处理；阳极选用低消耗性如高硅铸铁、混合金属氧化物，可能需要机械支撑机械支撑及中心定位装置中心定位装置，应有排气管（钻孔或切口）排气管（钻孔或切口）供气体逸出；地面设接线箱并考虑电流输出调节第二十九页，共56页。第三十页，共56页。立式深埋阳极立式深埋阳极碳渣回填（流体或颗粒）强制电流阳极排气管接整流器或接线箱洪水水面以上粗砂回填一般 15m第三十一页，共56页。高硅铸铁阳极高硅铸铁阳极第三十二页，共56页。混合金属氧化物阳极（

16、管状）混合金属氧化物阳极（管状）第三十三页，共56页。阴极保护系统的设计浅阳极床 集中式集中式：成组水平安装于13m深、带回填料的沟内，或浅竖直孔内用填料包围； 分布式：单支或多支沿被保护结构安装，用于克服屏蔽、确保结构最大面积保护及或流向外部结构电流最小的地下结构，由于需要较多电缆且通常需要对单个阳极输出进行调节，分布阳极费用较集中式阳极费用更高第三十四页，共56页。带绝缘的汇流电缆接电源带绝缘的汇流电缆接电源和地床中的其它阳极和地床中的其它阳极汇流电缆与阳极引出线汇流电缆与阳极引出线之间的连接（绝缘）之间的连接（绝缘）完成连接后用完成连接后用土回填电缆沟土回填电缆沟及阳极螺旋钻及阳极螺旋钻

17、孔顶部并夯实孔顶部并夯实阳极配备的绝缘电缆阳极配备的绝缘电缆阳极阳极高硅铸铁或石墨高硅铸铁或石墨碳质回填材料回填压实碳质回填材料回填压实用于安装阳极及回填材料用于安装阳极及回填材料的螺旋钻孔的螺旋钻孔立式浅埋阳极立式浅埋阳极第三十五页，共56页。带绝缘的汇流电缆接电源带绝缘的汇流电缆接电源和地床中的其它阳极和地床中的其它阳极汇流电缆与阳极引出线汇流电缆与阳极引出线之间的连接（绝缘）之间的连接（绝缘）回填土夯实回填土夯实阳极配备的绝缘电缆阳极配备的绝缘电缆阳极阳极高硅铸铁或石墨高硅铸铁或石墨阳极位于夯实的阳极位于夯实的回填料中央回填料中央单支水平式单支水平式第三十六页，共56页。阴极保护系统设计

18、牺牲阳极 阳极布置阳极布置：用于管道：沿管道均匀分布，单支或成组使用均可，距离管道一般2m3m，埋深不小于1m且在冰冻线以下,长期湿润的土壤中，否则应定期浇水润湿 用于储罐内保护：安装在罐内底板上并按放射状均匀布设，阳极体距罐底板至少50mm，且阳极体正对罐底板的一面、支架、钢筋芯及与罐内底板连接处做好绝缘处理 第三十七页，共56页。牺牲阳极牺牲阳极接管道带预包装带预包装回填料的回填料的阳极阳极螺旋钻孔回填混合物回填混合物阳极：锌或镁阳极：锌或镁接管道牺牲阳极安装形式立式安装第三十八页，共56页。测试系统 应采用测试点检测结构电位，并且需要足够数量的测试点评价阴极保护效果； 测试点位置：绝缘接

19、头附近及结构末端、可能的杂散电流源及杂散电流排出点、空气/电解质界面附近、邻近外部结构、邻近阳极位置； 可能要求测试点位于危险区外，如在危险区内则应安装于安全箱内 测试终端箱应耐用且易于识别 现场参比电极：应安装，特别是杂散电流影响区及硬面层区第三十九页，共56页。阴极保护系统的设计测试系统 参比电极参比电极： 测试桩测试桩：长寿命埋地型长寿命埋地型便携式便携式第四十页，共56页。主要内容区域性阴极保护技术的特点区域性阴极保护技术的特点 系统的设计系统的设计 施工与运行调试施工与运行调试 干扰控制第四十一页，共56页。施工及运行调试 分步施工 首先进行主保护回路施工及接地系统改造； 通电试运行

20、； 近阳极布置； 系统调试过程中的调整 系统调试投运通电前测试 系统运行并调试到满足准则要求（包括干扰测试） 通电后测试第四十二页，共56页。 土壤电阻率 自然电位 阳极接地电阻； 电源输出电流、输出电压 保护电流流向 地面阳极电场、阴极电场分布及电位梯度、阴阳极电场分界线 保护电位 干扰测试强制电流阴极保护系统测试项目第四十三页，共56页。电位电位： 牺牲阳极开路电位、闭路电位 阴极自然电位、保护电位电流电流： 单支阳极输出电流 组合阳极联合输出电流电阻电阻： 单支阳极接地电阻 组合阳极接地电阻土壤电阻率土壤电阻率：牺牲阳极埋设位置牺牲阳极阴极保护系统的测试项目第四十四页，共56页。管道测试

21、导线管道测试导线数数 字字万用表万用表参比电极参比电极电极电位不变化管道电位是变化的管地电位测量管地电位测量管地电位测试第四十五页，共56页。沿管道以一定沿管道以一定间隔设置测试桩间隔设置测试桩高阻直流电压表埋地涂覆管道涂覆管道参比电极保护电流通过长测试导线，参比电极通过长测试导线，参比电极可在管道正上方地表逐点移可在管道正上方地表逐点移动，测定每一点的保护状况动，测定每一点的保护状况地面管道电位测试第四十六页，共56页。bb接地电阻测试仪器土壤电阻率测试第四十七页，共56页。 浅层土壤电阻率测试 Wenner 四极法：a=b（等距）,测深 t=a 深层电阻率测试 Schlumberger：a

22、b(不等距)，测深t=(a+2b)/2 abbR2aR2土壤电阻率测试第四十八页，共56页。主要内容区域性阴极保护技术的特点区域性阴极保护技术的特点 系统的设计系统的设计 施工与运行调试施工与运行调试 干扰控制干扰控制第四十九页，共56页。对其它外部结构的干扰 干扰是杂散电流的一种特殊形式，施加到主结构上的阴极保护电流流到外部结构上并通过改变其电位而引起腐蚀； 当系统电流中断时，通过外部结构电位变化可以探测到干扰，这个步骤可以提供量化结果，表明对外部结构腐蚀危险的大小第五十页，共56页。对干线的干扰站场保护站场保护绝缘接头绝缘接头管道干线管道干线阳极阳极远端流入，近端流出近端流入，远端流出 由于管道干线均施加了阴极保护，一般对管道的干扰腐蚀基本上得到抑制第五十一页，共56页。对恒电位控制的站外阴极保护系统的干扰 由于我国大多数管道干