阴极保护技术在油气田中的应用

1、1阴极保护技术在油气田中的应用阴极保护技术在油气田中的应用采油工程技术研究院防腐中心采油工程技术研究院防腐中心王树涛王树涛2提提 纲纲一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理二、管道的阴极保护技术二、管道的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术五、应用标准和规范五、应用标准和规范3（一）腐蚀控制的基本原理（一）腐蚀控制的基本原理 腐蚀是材料与环境反应引起的材料破坏与变质，它存在于各行各腐蚀是材料与环境反应引起的材料破坏与变质，它存在于各行各业，引起经济损失也是引人注目的。业，引起经济损失也

2、是引人注目的。 腐蚀造成的直接经济损失约占腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济生产总值的国民经济生产总值的5%5%左右左右，每年，每年由于腐蚀使由于腐蚀使钢铁产量的钢铁产量的101020%20%变为锈，约有变为锈，约有30%30%的钢铁设备报废。的钢铁设备报废。 腐蚀是造成腐蚀是造成石油工业石油工业中金属设施破坏的主要原因之一，经济、生中金属设施破坏的主要原因之一，经济、生态环境、人员生命健康均受严重影响。态环境、人员生命健康均受严重影响。4 腐蚀从本质上讲是一个腐蚀从本质上讲是一个自发的过程自发的过程。虽然不能杜绝之，却可采取。虽然不能杜绝之，却可采取某些措施来某些措施来减轻或防止减轻或防止。

3、 采取有效的防腐措施和科学管理，采取有效的防腐措施和科学管理，30%30%的腐蚀的腐蚀是可以预防的。是可以预防的。 防腐措施：防腐措施：合理的设计、正确选用金属材料、改变腐蚀环境、采合理的设计、正确选用金属材料、改变腐蚀环境、采用耐腐蚀覆盖层、用耐腐蚀覆盖层、阴极保护技术阴极保护技术、阳极保护技术、用耐腐蚀非金属材、阳极保护技术、用耐腐蚀非金属材料代替金属材料。料代替金属材料。阳极反应：阳极反应：阴极反应：阴极反应：腐蚀反应过程：腐蚀反应过程：5（二）阴极保护技术的基本原理（二）阴极保护技术的基本原理 由外电路向由外电路向金属通入电子金属通入电子，被保护结构物成为阴极，从而使金属腐蚀，被保护结

4、构物成为阴极，从而使金属腐蚀反应反应( (失电子反应失电子反应) )受到抑制，受到抑制，避免或减弱腐蚀避免或减弱腐蚀的发生。的发生。 阴极保护技术有阴极保护技术有两种：两种：u牺牲阳极阴极保护技术；牺牲阳极阴极保护技术；u强制电流（外加电流）阴极保护技术。强制电流（外加电流）阴极保护技术。6 目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。属构筑物等的腐蚀控制。 u18341834年

5、年法拉第：阴极保护原理奠定基础。法拉第：阴极保护原理奠定基础。u18901890年年爱迪生：提出强制电流保护船舶。爱迪生：提出强制电流保护船舶。u19021902年年柯恩：实现了爱迪生的设想。柯恩：实现了爱迪生的设想。u19051905年年美国用于锅炉保护。美国用于锅炉保护。u19061906年年德国建立第一个阴极保护厂。德国建立第一个阴极保护厂。u19131913年年命名为电化学保护。命名为电化学保护。u19241924年年地下管网阴极保护。地下管网阴极保护。 国内做阴极保护设计过硬的的设计院：廊坊管道局设计院、中国石国内做阴极保护设计过硬的的设计院：廊坊管道局设计院、中国石油西南设计院、胜

6、利油田设计院、华北设计院等。油西南设计院、胜利油田设计院、华北设计院等。 国内知名度较高的阴极保护厂家：洛阳的七二五所、福建三明无线国内知名度较高的阴极保护厂家：洛阳的七二五所、福建三明无线电二厂、山东奥科防腐、河南第一防腐、天津管道防腐等。电二厂、山东奥科防腐、河南第一防腐、天津管道防腐等。7（三）两种阴极保护方法的优缺点比较（三）两种阴极保护方法的优缺点比较 根据实施阴极保护工程的现场条件，有时亦可考虑对同一结构同时根据实施阴极保护工程的现场条件，有时亦可考虑对同一结构同时采用两种阴极保护法。采用两种阴极保护法。 阴极保护具有投资少（只占工程投资总额的阴极保护具有投资少（只占工程投资总额的

7、1%，工程大时，所占比，工程大时，所占比重相应减少），管理简单，可有效地延长管道寿命达重相应减少），管理简单，可有效地延长管道寿命达20年以上。年以上。8（四）阴极保护的应用条件：（四）阴极保护的应用条件：u腐蚀介质必须是导电的，以便建立连续电路；腐蚀介质必须是导电的，以便建立连续电路；u被保护的金属材料在所处的介质中要容易进行极化；被保护的金属材料在所处的介质中要容易进行极化；u对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑其几何上的对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑其几何上的“屏蔽作用屏蔽作用”，防，防止保护电流的不均匀；止保护电流的不均匀；u电绝缘是必须的；电绝缘是必须的；u被保护物系统的连续也是必

8、须的；被保护物系统的连续也是必须的；u一些不安全因素必须考虑，如：罐内析出氢气的爆炸，有可燃气体，一些不安全因素必须考虑，如：罐内析出氢气的爆炸，有可燃气体，不能用镁等。不能用镁等。9（五）阴极保护的主要参数（五）阴极保护的主要参数 1 1、阴极保护电位、阴极保护电位 保护电位是指阴极保护时使保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电时所需的电位。此项参数是借助参比电极来测量，实践中容易实现，是阴极保护最位。此项参数是借助参比电极来测量，实践中容易实现，是阴极保护最基本的参数；必须指明所用的参比电极。基本的参数；必须指明所用的参比电极。102 2、阴极保

9、护电流密度、阴极保护电流密度 是指被保护构筑物是指被保护构筑物单位面积上所需的保护电流单位面积上所需的保护电流，是阴极保护设计中，是阴极保护设计中必不可少的又一重要参数，受被保护构筑物的表面状况、环境条件和被必不可少的又一重要参数，受被保护构筑物的表面状况、环境条件和被保护金属种类的影响。保护金属种类的影响。 根据所得到资料便可估算出所需电流，估算出单站保护长度、确定根据所得到资料便可估算出所需电流，估算出单站保护长度、确定保护方案。保护方案。 所需电流所需电流= =防蚀电流密度防蚀电流密度(mA/m(mA/m2 2) )防蚀表面积。防蚀表面积。113 3、最佳保护状态、最佳保护状态 衡量阴极

10、保护的效果有两个参数：保护度衡量阴极保护的效果有两个参数：保护度P P 和保护效率和保护效率Z Z12（六）牺牲阳极法（六）牺牲阳极法 利用利用电位比被保护金属结构低的金属或合金电位比被保护金属结构低的金属或合金（替死鬼）作为阳极，牺牲阳极因（替死鬼）作为阳极，牺牲阳极因较活泼而优先溶解较活泼而优先溶解，释放出，释放出电流供被保护金属阴极极化电流供被保护金属阴极极化，实现保护。在阴极（被保，实现保护。在阴极（被保护结构）得到保护的同时，阳极不断地被消耗，故称为牺牲阳极。护结构）得到保护的同时，阳极不断地被消耗，故称为牺牲阳极。 1 1、作为牺牲阳极材料，必须能满足以下要求：、作为牺牲阳极材料，

11、必须能满足以下要求：u 要有足够负的稳定电位；要有足够负的稳定电位；u 自腐蚀速率小且腐蚀均匀，要有高而稳定的电流效率；自腐蚀速率小且腐蚀均匀，要有高而稳定的电流效率；u 电化学当量高，即单位重量产生的电流量大；电化学当量高，即单位重量产生的电流量大；u 工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；u 腐蚀产物不污染环境，无公害；腐蚀产物不污染环境，无公害；u 材料来源广，加工容易，价格低廉。材料来源广，加工容易，价格低廉。 132 2、常用的牺牲阳极材料：镁基、锌基、铝基，性能对比、常用的牺牲阳极材料：镁基、锌基、铝基，性能对比143 3、牺牲阳极的安

12、装方式、牺牲阳极的安装方式 （1 1）土壤环境）土壤环境u为保证牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充适当的化学填包料。为保证牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充适当的化学填包料。u牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式，阳极埋设分为立式、水牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式，阳极埋设分为立式、水平两种方式，埋设方向有轴向、径向。平两种方式，埋设方向有轴向、径向。 （2 2）水环境）水环境 主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。 （3 3）容器内）容器内u一般布设在平面上，均匀布置，同时照顾边角位置上的电流分布。一般布设在平面上，均匀布置，同时照顾边

13、角位置上的电流分布。u主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。15（七）强制电流法（外加电流法）（七）强制电流法（外加电流法） 给被保护结构给被保护结构加一阴极电流加一阴极电流，而给，而给辅助阳极辅助阳极（替死鬼）加一阳极电流，构成（替死鬼）加一阳极电流，构成一个腐蚀电池。一个腐蚀电池。 由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。 辅助阳极的功能：把保护电流送入电解质流到保护体上；分为：可溶性阳极辅助阳极的功能：把保护电流送入电解质流到保护体上；分为：可溶性阳极（如钢、铝）、微溶性阳极（如高硅铸铁、石墨）

14、、不溶性阳极（如铂、镀铂、金（如钢、铝）、微溶性阳极（如高硅铸铁、石墨）、不溶性阳极（如铂、镀铂、金属氧化物）属氧化物）3 3大类。大类。16（八）阴极保护技术的管理要求（八）阴极保护技术的管理要求1 1、保护率、保护率 是反应被保护管道实现有效阴极保护的范围，要求是反应被保护管道实现有效阴极保护的范围，要求100%100%。2 2、运行率、运行率 是反应一年内阴极保护投入运行的时间比率，要求高于是反应一年内阴极保护投入运行的时间比率，要求高于98%98%。3 3、保护度、保护度 是衡量阴极保护效果的指标，要求高于是衡量阴极保护效果的指标，要求高于98%98%。17提纲提纲一、腐蚀控制和阴极保

15、护技术基本原理一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理二、管道的阴极保护技术二、管道的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术五、应用标准和规范五、应用标准和规范18 地下管道的地下管道的腐蚀穿孔腐蚀穿孔将会造成油气的漏损，严重时还会引起火灾、爆炸事故等，将会造成油气的漏损，严重时还会引起火灾、爆炸事故等，直接危及人民的生命财产安全。另外，由此而引起的油气停输使有关企业停土停产，直接危及人民的生命财产安全。另外，由此而引起的油气停输使有关企业停土停产，又给国民经济造成间接的损失，因此又给国民经济造成间接的损失，因此防止油气管

16、道的腐蚀防止油气管道的腐蚀，在油气管道的设计、施，在油气管道的设计、施工与管理工作中是一项极其重要的内容。工与管理工作中是一项极其重要的内容。 多年的实践证明，若多年的实践证明，若阴极保护阴极保护管理得当，管理得当，管道寿命可延长一倍以上管道寿命可延长一倍以上。也就是说，。也就是说，无形中又给国家建设了一条管线。无形中又给国家建设了一条管线。阴极保护与防腐涂层阴极保护与防腐涂层配合使用是当前控制地下金配合使用是当前控制地下金属腐蚀的最有效、最经济的方法。属腐蚀的最有效、最经济的方法。 阴极保护通常有两种方法，即牺牲阳极法阴极保护通常有两种方法，即牺牲阳极法( (图图1)1)和外加电流法和外加电

17、流法( (图图2)2)。19（一）基本参数（一）基本参数1 1、电位、电位u埋地钢管道的阴极保护标准，通常采取埋地钢管道的阴极保护标准，通常采取管道对地电位管道对地电位的测量，一般情况下取的测量，一般情况下取-0.85(CSE)-0.85(CSE)。在有硫酸盐还原菌活动的沼泽地带取。在有硫酸盐还原菌活动的沼泽地带取-0.95-0.95（CSECSE）。）。u这一标准也可用另一方式即这一标准也可用另一方式即电位偏移法电位偏移法表达，在一般情况下可采用比自然电表达，在一般情况下可采用比自然电位向负偏移位向负偏移0.25-0.3V0.25-0.3V。在硫酸盐还原菌居动地带取向负偏移。在硫酸盐还原菌居

18、动地带取向负偏移0.4V0.4V。u最高保护电位与防腐层性能最高保护电位与防腐层性能有关的一个参数，一般都规定在析氢电位以下，有关的一个参数，一般都规定在析氢电位以下，如对沥青防腐层的最高保护电位可取如对沥青防腐层的最高保护电位可取-0.125V-0.125V，特殊地区也有选，特殊地区也有选-1.5V-1.5V的。的。202 2、电流密度、电流密度u阴极保护阴极保护所需电流密度的大小与防腐涂层的种类及性能所需电流密度的大小与防腐涂层的种类及性能有很大关有很大关系，质量差的涂层所需电流密度大。系，质量差的涂层所需电流密度大。u阴极保护可很好鉴别防腐涤层的质量，阴极保护电流密度与涂层阴极保护可很好

19、鉴别防腐涤层的质量，阴极保护电流密度与涂层的关系列于表的关系列于表4 4、表、表5 5。213 3、施加阴极保护的管道必须满足的条件、施加阴极保护的管道必须满足的条件 管道纵向管道纵向连续导电连续导电、具有足够电阻的、具有足够电阻的管道覆盖层管道覆盖层、管道和其他低、管道和其他低电阻接地装置的电阻接地装置的电绝缘电绝缘。4 4、测试桩、测试桩 用于用于阴极保护参数阴极保护参数的检测，是管道管理维护中必不可少的装置，的检测，是管道管理维护中必不可少的装置，按测试功能沿线分设，可用于管道电位、电流、绝缘性能的检测，也按测试功能沿线分设，可用于管道电位、电流、绝缘性能的检测，也可以用于覆盖层检漏及交

20、直流干扰的测试。可以用于覆盖层检漏及交直流干扰的测试。u电位测试桩：汇流点及每公里处设一支；电位测试桩：汇流点及每公里处设一支；u电流测试桩：每电流测试桩：每5-8km5-8km处设一支；处设一支；u绝缘测试桩：每一绝缘连接处设一支。绝缘测试桩：每一绝缘连接处设一支。22（二）阴极保护设计准备（二）阴极保护设计准备1 1、保护参数的选择、保护参数的选择u参数参数尽量实地测量尽量实地测量，无法测量的只能根据经验及标准规范提供的参数进行，无法测量的只能根据经验及标准规范提供的参数进行设计，然后根据情况在调整。设计，然后根据情况在调整。u在在埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范埋地钢制管道强制电流阴

21、极保护设计规范中，给出下列常规参数：中，给出下列常规参数：自然电位：自然电位：-0.55V-0.55V（CSECSE）；）；保护电位：保护电位：-0.85V-0.85V（CSECSE）；）；汇流点电位：汇流点电位： -1.25V-1.25V（CSECSE）；）；覆盖层电阻：覆盖层电阻：1000010000mm2 2；钢管电阻率：低碳钢钢管电阻率：低碳钢0.1350.135mmmm2 2/m/m，16Mn16Mn钢钢0.1350.135mmmm2 2/m/m，高强度钢，高强度钢0.1660.166mmmm2 2/m/m；电源效率：电源效率：70%70%；电流密度：电流密度：30305050A/m

22、A/m2 2，新型环氧粉末、，新型环氧粉末、3 3层层PEPE覆盖层的取覆盖层的取1 1 A/mA/m2 2 ；土壤电阻率：实测。土壤电阻率：实测。232 2、设计资料的获取、设计资料的获取（1 1）要收集的资料：）要收集的资料：u管道平面路线图管道平面路线图u管道参数（管径、壁厚、管材）管道参数（管径、壁厚、管材）u连接方式（焊接、螺纹或机械）连接方式（焊接、螺纹或机械）u覆盖层的类型及性能覆盖层的类型及性能u套管的位置及结构套管的位置及结构u电绝缘的位置及结构电绝缘的位置及结构u架空管及河流穿越的位置及结构。架空管及河流穿越的位置及结构。（2 2）通过现场勘测获取的资料：）通过现场勘测获取

23、的资料：u现存和规划中的阴极保护系统现存和规划中的阴极保护系统u可能的地上、地下交直流干扰源可能的地上、地下交直流干扰源u特殊的环境条件（永冻土、岩石、沼泽）特殊的环境条件（永冻土、岩石、沼泽）u邻近的金属构筑物邻近的金属构筑物u可供利用的电源可供利用的电源u沿线土壤电阻率沿线土壤电阻率u对已建管道作馈电试验，测取所需电流对已建管道作馈电试验，测取所需电流u必要的气象资料。必要的气象资料。243 3、阴极保护方法的选择、阴极保护方法的选择 根据以下因素选择使用牺牲阳极法、强制电流法。根据以下因素选择使用牺牲阳极法、强制电流法。（1 1）管道覆盖层状况）管道覆盖层状况 因为牺牲阳极输出电流优先，

24、仅为因为牺牲阳极输出电流优先，仅为mAmA级，所以当管道覆盖层很差时，采级，所以当管道覆盖层很差时，采用牺牲阳极不经济而不宜选用。用牺牲阳极不经济而不宜选用。（2 2）工程规模大小）工程规模大小 被保护的管道如果太短，建一座阴极保护站，保护的方位富裕太多，不被保护的管道如果太短，建一座阴极保护站，保护的方位富裕太多，不宜采用强制电流法，而牺牲阳极就比较合适。宜采用强制电流法，而牺牲阳极就比较合适。（3 3）环境条件）环境条件 如果土壤电阻率过高，牺牲阳极要满足保护要求则要消耗大量的材料，如果土壤电阻率过高，牺牲阳极要满足保护要求则要消耗大量的材料，经济上不合理。经济上不合理。 当周围金属构筑物

25、密集时，不宜采用强制电流法。当周围金属构筑物密集时，不宜采用强制电流法。（4 4）有无可利用电源）有无可利用电源 有些场合，没有电源可能也会制约强制电流的应用。有些场合，没有电源可能也会制约强制电流的应用。25（三）外加电流阴极保护设计（三）外加电流阴极保护设计 主要包括：主要包括：阴极保护站数目阴极保护站数目的确定、的确定、电源设备功率电源设备功率的确定、的确定、辅助阳极辅助阳极类型和重量类型和重量的确定。的确定。1 1、阴极保护站数目的确定、阴极保护站数目的确定 首先应该确定保护电流密度和保护长度。首先应该确定保护电流密度和保护长度。 （1 1）保护电流密度的确定）保护电流密度的确定 一般

26、可根据埋地管道所使用的一般可根据埋地管道所使用的防腐层的绝缘层电阻防腐层的绝缘层电阻确定。确定。对于已建管道，以实测值为准。对于已建管道，以实测值为准。如果一时找不到对应得的推荐值，也可以用下列简化公式计算：如果一时找不到对应得的推荐值，也可以用下列简化公式计算：26（2 2）保护长度的确定）保护长度的确定 由下公式计算：由下公式计算：27（3 3）保护站数目的确定）保护站数目的确定282 2、电源设备功率的确定、电源设备功率的确定 外加电流阴极保护系统的电源功率计算公式：外加电流阴极保护系统的电源功率计算公式：29电源设备：电源设备：u可靠性高，寿命长，能满足长期不间断供电；可靠性高，寿命长

27、，能满足长期不间断供电；u优先考虑稳定可靠地交流电源，也可以使用：太阳能、风能等；优先考虑稳定可靠地交流电源，也可以使用：太阳能、风能等；u维护保养简单，对环境适应性强；维护保养简单，对环境适应性强；u输出电流、电压可调；输出电流、电压可调；u应具备抗过载、防雷、抗干扰、故障保护功能等。应具备抗过载、防雷、抗干扰、故障保护功能等。303 3、辅助阳极寿命计算，一般设计寿命为、辅助阳极寿命计算，一般设计寿命为15-2015-20年年4 4、所需辅助阳极支数的计算、所需辅助阳极支数的计算 所需辅助阳极的支数是由所需辅助阳极的支数是由阳极的设计寿命及消耗率阳极的设计寿命及消耗率所决定，可按式所决定，

28、可按式（12-1212-12）换算得到阳极的总重量：）换算得到阳极的总重量：G=TgI/KG=TgI/K，再从接地电阻和规格型号，再从接地电阻和规格型号选取阳极的支数。选取阳极的支数。315 5、辅助阳极的位置和种类的选择、辅助阳极的位置和种类的选择（1 1）位置选择应符合下列要求）位置选择应符合下列要求u地下水位较高或潮湿低洼处；地下水位较高或潮湿低洼处；u土壤电阻率土壤电阻率5050mm以下的地点；以下的地点；u土层厚，无石块，便于施工处；土层厚，无石块，便于施工处；u对邻近的地下金属构筑物干扰小；对邻近的地下金属构筑物干扰小；u阳极位置与管道的垂直距离不宜小于阳极位置与管道的垂直距离不宜

29、小于50m50m，柔性阳极对于裸管道的最佳位置是管道的十，柔性阳极对于裸管道的最佳位置是管道的十倍管径处，对良好覆盖层的管道可同沟埋设，但最近距离为倍管径处，对良好覆盖层的管道可同沟埋设，但最近距离为0.3m0.3m。（2 2）阳极的选择原则：）阳极的选择原则：u一般土壤中可采用高硅铸铁、石墨、钢铁阳极；一般土壤中可采用高硅铸铁、石墨、钢铁阳极；u在盐土、海滨土或酸性和含硫酸根离子较高的环境中，宜采用含铬高硅铸铁阳极；在盐土、海滨土或酸性和含硫酸根离子较高的环境中，宜采用含铬高硅铸铁阳极；u高电阻率的地方宜采用钢铁阳极；高电阻率的地方宜采用钢铁阳极；u覆盖层质量较差管道及位于复杂管网或多地下金

30、属构筑物区域内的管道可采用柔性阳极，覆盖层质量较差管道及位于复杂管网或多地下金属构筑物区域内的管道可采用柔性阳极，但不宜在含油污水和盐水中使用。但不宜在含油污水和盐水中使用。326 6、辅助阳极地床结构、辅助阳极地床结构（1 1）辅助阳极埋设方式应符合下列要求：）辅助阳极埋设方式应符合下列要求：u阳极可采用浅埋和深埋两种方式。浅埋阳极应置于冻土层以下，埋深一般不宜小于阳极可采用浅埋和深埋两种方式。浅埋阳极应置于冻土层以下，埋深一般不宜小于1m1m；深埋阳极埋深宜为深埋阳极埋深宜为1515300m300m。u阳极通常采用立式埋设；在沙质土、地下水位高、沼泽地可采用水平式浅埋；在环境复阳极通常采用

31、立式埋设；在沙质土、地下水位高、沼泽地可采用水平式浅埋；在环境复杂或地表土壤电阻率高的情况下可采用深埋阳极。杂或地表土壤电阻率高的情况下可采用深埋阳极。（2 2）辅助阳极地床还应满足下列要求：）辅助阳极地床还应满足下列要求：u阳极地电场的电位梯度不应大于阳极地电场的电位梯度不应大于5V/m5V/m，设有护栏装置时不受此限制。，设有护栏装置时不受此限制。u阳极填充料顶部应放置粒径为阳极填充料顶部应放置粒径为5 510mm10mm左右的砾石或粗砂，砾石层宜加厚至地面以下左右的砾石或粗砂，砾石层宜加厚至地面以下500m500m或在砾石层上部加装排气管至地面以上。或在砾石层上部加装排气管至地面以上。u

32、阳极的引出导线和并联母线应为铜芯电缆，并适用于地下（或水中）敷设。阳极的引出导线和并联母线应为铜芯电缆，并适用于地下（或水中）敷设。u阳极的并联母线与直流电源输出阳极导线连接可通过接线箱连接，若阳极导线为铝线，阳极的并联母线与直流电源输出阳极导线连接可通过接线箱连接，若阳极导线为铝线，则应采用铜铝过渡接头连接。则应采用铜铝过渡接头连接。33u填充料的含碳量宜大于填充料的含碳量宜大于85%85%，最大粒径宜，最大粒径宜小于小于15mm15mm，填充料厚度一般为，填充料厚度一般为100mm100mm；当；当采用柔性阳极时，填充料粒径宜小于采用柔性阳极时，填充料粒径宜小于3.2mm3.2mm，填充料

33、厚度为，填充料厚度为45mm45mm；预包覆焦炭；预包覆焦炭粒的柔性阳极可直接埋设，不必采用填粒的柔性阳极可直接埋设，不必采用填充料。充料。（3 3）辅助阳极地床填充料的使用符合下列要求：）辅助阳极地床填充料的使用符合下列要求： 为便于阳极气体产物的释放；等效增大阳极体积，降低阳极接地电阻；减少阳极为便于阳极气体产物的释放；等效增大阳极体积，降低阳极接地电阻；减少阳极消耗，延长阳极寿命消耗，延长阳极寿命。通常辅助阳极应在焦炭回填料地床中，还应填一些粗砂或砾石；。通常辅助阳极应在焦炭回填料地床中，还应填一些粗砂或砾石；还可以将多孔塑料管插到阳极地床中心，便于排气和必要时浇水。还可以将多孔塑料管插

34、到阳极地床中心，便于排气和必要时浇水。u阳极常用的填充料有焦炭粒、石油焦炭粒。阳极常用的填充料有焦炭粒、石油焦炭粒。u石墨阳极应加填充料；高硅铸铁阳极宜加填充料，在沼泽地、流沙层可不加天聪料；石墨阳极应加填充料；高硅铸铁阳极宜加填充料，在沼泽地、流沙层可不加天聪料；柔性阳极宜加填充料；钢铁阳极可不加填充料。柔性阳极宜加填充料；钢铁阳极可不加填充料。34（1 1）立式阳极地床）立式阳极地床35（2 2）水平式阳极地床）水平式阳极地床36（3 3）深埋式阳极地床：）深埋式阳极地床： 地表土壤电阻率较高或地表金属构筑物地表土壤电阻率较高或地表金属构筑物太密，需要采用深埋式阳极地床，可减轻阳太密，需要

35、采用深埋式阳极地床，可减轻阳极埋设深度的极埋设深度的4 4倍范围内的阳极干扰程度。倍范围内的阳极干扰程度。37（4 4）浅井粗管阳极地床）浅井粗管阳极地床38（5 5）柔性阳极）柔性阳极397 7、阳极接地电阻计算、阳极接地电阻计算4041（四）牺牲阳极的阴极保护设计（四）牺牲阳极的阴极保护设计u牺牲阳极的牺牲阳极的设计寿命应与管道使用年限相匹配设计寿命应与管道使用年限相匹配，一般为，一般为10101515年。年。u临时性阴极保护牺牲阳极的设计寿命应满足用户要求，一般为临时性阴极保护牺牲阳极的设计寿命应满足用户要求，一般为2 2年。年。u被保护的管道应具有被保护的管道应具有质量良好的覆盖层质量

36、良好的覆盖层；新建管道的覆盖层电阻不得；新建管道的覆盖层电阻不得小于小于1000010000mm2 2，否则不宜采用牺牲阳极；对于旧管道，应根据具，否则不宜采用牺牲阳极；对于旧管道，应根据具体需要决定。体需要决定。u当土壤电阻率大于当土壤电阻率大于100100mm时，不宜采用牺牲阳极。时，不宜采用牺牲阳极。u所有被保护的埋地钢质管道应根据需要设置绝缘接头或绝缘法兰。所有被保护的埋地钢质管道应根据需要设置绝缘接头或绝缘法兰。421 1、牺牲阳极的选择、牺牲阳极的选择 根据根据介质的电阻率介质的电阻率来选择阳极；镁在碰撞时易产生火花，因而，一来选择阳极；镁在碰撞时易产生火花，因而，一般不能用于有防

37、爆要求的场合。般不能用于有防爆要求的场合。432 2、设计步骤、设计步骤 第第1 1步：计算所需电流步：计算所需电流44第第2 2步：选择合适的阳极步：选择合适的阳极45第第3 3步：计算总电流量步：计算总电流量4647第第4 4步步 计算阳极寿命计算阳极寿命也可以按下公式计算也可以按下公式计算48第第5 5步：所需阳极数量计算步：所需阳极数量计算49第第6 6步：阳极分布步：阳极分布u牺牲阳极在管道上的分布可采用牺牲阳极在管道上的分布可采用单支或集中成组单支或集中成组两种方法，同组阳极宜选用两种方法，同组阳极宜选用同一批号或开路电位相近的阳极。同一批号或开路电位相近的阳极。u牺牲阳极埋设分为

38、牺牲阳极埋设分为立式和水平式立式和水平式两种，埋设两种，埋设方向有轴向和径向方向有轴向和径向。阳极埋设位。阳极埋设位置一般距管道外壁置一般距管道外壁3-5mm3-5mm，最小不宜小于，最小不宜小于0.3mm0.3mm，埋设深度以阳极顶部距地，埋设深度以阳极顶部距地面不小于面不小于1m1m为宜，对于北方地区，必须在冻土层以下。成组埋设时，阳极间为宜，对于北方地区，必须在冻土层以下。成组埋设时，阳极间距以距以2-3m2-3m为宜。为宜。u在地下水位低于在地下水位低于3m3m的干燥地带，阳极应当加深埋设，对于河流、湖泊地带，的干燥地带，阳极应当加深埋设，对于河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽可能埋设在河床

39、（或湖底）的安全部位，以防洪水冲刷或挖泥牺牲阳极应尽可能埋设在河床（或湖底）的安全部位，以防洪水冲刷或挖泥清淤时损坏。清淤时损坏。u在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极和被保护的管道之间不应有其在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极和被保护的管道之间不应有其他金属构筑物，如电缆等。他金属构筑物，如电缆等。50（五）普光气田湿气集输管道（五）普光气田湿气集输管道外壁的外加电流保护技术外壁的外加电流保护技术 1 1、最佳保护电位优化、最佳保护电位优化 按照普光气田集输管道的外防腐层状况和沿线土壤的电阻率，首先室内模拟实按照普光气田集输管道的外防腐层状况和沿线土壤的电阻率，首先室内模拟实验。验

40、。 试验条件：普光气田集输管线沿线主要是山体和山谷，经现场实测，在山谷地试验条件：普光气田集输管线沿线主要是山体和山谷，经现场实测，在山谷地区，土壤电阻率在区，土壤电阻率在7.85.m7.85.m49.612.m49.612.m之间，山体段的土壤电阻率在之间，山体段的土壤电阻率在20.724.m20.724.m119.32.m119.32.m之间；本次实验选取土壤电阻率：山谷段：之间；本次实验选取土壤电阻率：山谷段：29.m29.m，山体，山体段：段：70.m70.m。 模拟用管线材质和外防腐层与普光气田集输管线相同。材质：模拟用管线材质和外防腐层与普光气田集输管线相同。材质：L360QCSL

41、360QCS；外防腐；外防腐保温层：无溶剂环氧防腐涂层保温层：无溶剂环氧防腐涂层+ +聚氨酯泡沫保温层；外防腐保温层破损率取聚氨酯泡沫保温层；外防腐保温层破损率取5%5%，实验，实验用管段规格：用管段规格：100100，厚度，厚度2mm2mm，管长，管长1500mm1500mm。 实验设备和材料：恒电位仪（实验设备和材料：恒电位仪（5V5V，5A5A），含铬高硅铸铁阳极：），含铬高硅铸铁阳极：2020300 mm300 mm，硫酸铜参比电极，硫酸铜参比电极，DT9806DT9806型数字万用表，试片（材质与管道相同）型数字万用表，试片（材质与管道相同）757512121mm1mm。51模拟实验

42、装置结构图模拟实验装置结构图 在断电电位为在断电电位为-0.85V -0.85V 、-0.95V-0.95V（CSECSE）时，试片形貌和数据如下。）时，试片形貌和数据如下。当模拟管的断电电位负于当模拟管的断电电位负于-0.85V-0.85V（CSECSE），用试片计算出的保护度均在），用试片计算出的保护度均在85%85%以上；当模拟管以上；当模拟管的断电电位负于的断电电位负于-0.95V-0.95V（CSECSE），大部分大于），大部分大于90%90%。 根据模拟试验，在全线无法实现断电测试的情况下，通电电位在根据模拟试验，在全线无法实现断电测试的情况下，通电电位在-0.95V-0.95V以

43、上是合适的。以上是合适的。当管地电位值当管地电位值 -1.25 V-1.15V-1.15V。522 2、辅助阳极地床优化技术、辅助阳极地床优化技术采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，当阴极保护距离较采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，当阴极保护距离较长时，辅助阳极地床与管道的距离越近，管道阴极保护电位在远端衰减越明显。长时，辅助阳极地床与管道的距离越近，管道阴极保护电位在远端衰减越明显。采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，数据如下表。采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，数据如下表。故设置辅助阳极地床时应确保其与管道

44、的相对位置至少在故设置辅助阳极地床时应确保其与管道的相对位置至少在5050米以上。米以上。533 3、阴极保护站设置、阴极保护站设置 优化保护站布局，设置安全装置和自动控制系统，实现阴极保护系统有效正常运行。优化保护站布局，设置安全装置和自动控制系统，实现阴极保护系统有效正常运行。普光集气集输管道采用强制电流阴极，共设普光集气集输管道采用强制电流阴极，共设6 6座阴极保护站，分别位于集气末站、座阴极保护站，分别位于集气末站、P301P301、P304P304、P202P202、P102P102、P104P104集气站。管线进出站处设置绝缘法兰和氧化锌电涌保护器。各阴极保集气站。管线进出站处设置

45、绝缘法兰和氧化锌电涌保护器。各阴极保护站设备输出信号及管道沿线保护电位，接入站控室护站设备输出信号及管道沿线保护电位，接入站控室PLCPLC和线路截断阀室和线路截断阀室RTURTU，再上传至净化厂，再上传至净化厂阴极保护智能监测系统服务器，进行数据处理、分析、报警。阴极保护智能监测系统服务器，进行数据处理、分析、报警。阴极保护站设置阴极保护站设置54（六）海洋油气管线（六）海洋油气管线外壁的牺牲阳极阴极保护技术外壁的牺牲阳极阴极保护技术u海洋管线外防腐采书涂层防腐和阴极保护相结合的方法是最经济有效的，采用阴极保护海洋管线外防腐采书涂层防腐和阴极保护相结合的方法是最经济有效的，采用阴极保护的费用

46、约为全部管线造价的的费用约为全部管线造价的1%1%。u海洋管线的电防腐与陆上的不同，它多是海洋管线的电防腐与陆上的不同，它多是采用牺牲阳极的方法采用牺牲阳极的方法。虽然也采用外加电流法，。虽然也采用外加电流法，但只限于接近陆地的短管线或小管径平行管线。海洋管线的阴极保护设计应在管道敷设但只限于接近陆地的短管线或小管径平行管线。海洋管线的阴极保护设计应在管道敷设之前完成。设计参数视各地区及各公司有所不同。目前，总的趋势是采用锌镯牺牲阳极之前完成。设计参数视各地区及各公司有所不同。目前，总的趋势是采用锌镯牺牲阳极结构。管线上阳极环的间距设计趋于缩小，在北海管线阳极环间距大约为结构。管线上阳极环的间

47、距设计趋于缩小，在北海管线阳极环间距大约为100-15Om100-15Om，目，目前对于前对于800mm800mm以下管径，阳极环间距为以下管径，阳极环间距为15Om15Om或或1212根管接头设置一个阳极环。根管接头设置一个阳极环。u保护电流密度在各海域相差很大，有微生物腐蚀的海底管线，腐蚀速度可增加保护电流密度在各海域相差很大，有微生物腐蚀的海底管线，腐蚀速度可增加1515倍。海倍。海洋结构物的保护电流密度参考值列于表洋结构物的保护电流密度参考值列于表1 1、表、表2 2。551 1、海洋管线阴极保护的设计步骤：、海洋管线阴极保护的设计步骤：第第1 1步：钢管裸露面积。对于设计寿命为步：钢

48、管裸露面积。对于设计寿命为2525年的海底管线，涂层破坏的裸露管面面积按年的海底管线，涂层破坏的裸露管面面积按10-10- 50% 50%考虑。对于有混凝土加重层的管线按考虑。对于有混凝土加重层的管线按10%10%考虑。实际上这已超过结构设计的使用寿命。考虑。实际上这已超过结构设计的使用寿命。第第2 2步：阴极保护电流密度。根据具休环境，试验确定。步：阴极保护电流密度。根据具休环境，试验确定。第第3 3步：由第步：由第1 1和第和第2 2步，求出管线保护所需的总电量。步，求出管线保护所需的总电量。第第4 4步：计算牺牲阳极材料的总重量。步：计算牺牲阳极材料的总重量。第第5 5步：计算各单支阳极

49、输出电流。步：计算各单支阳极输出电流。562 2、牺牲阳极的材料和结构形式、牺牲阳极的材料和结构形式u海洋管线牺牲阳极的材料有锌、镁、铝及其合金。海洋管线牺牲阳极的材料有锌、镁、铝及其合金。u在在北海海泥中多使用铝基合金北海海泥中多使用铝基合金，但，但海洋管线阴极保护中仍以锌基合金海洋管线阴极保护中仍以锌基合金为主。为主。u锌合金阳极不适用于热立管锌合金阳极不适用于热立管，因为在高温下锌阳极会产生晶间腐蚀而加速锌的消耗，因为在高温下锌阳极会产生晶间腐蚀而加速锌的消耗，所以对于管壁温度所以对于管壁温度高于高于5050的热管线使用铝合金阳极为宜的热管线使用铝合金阳极为宜。u尽管铝的电量损耗较大，但

50、驱动电位可保持不变。尽管铝的电量损耗较大，但驱动电位可保持不变。u几种牺牲阳极材料的电化学比能列于表几种牺牲阳极材料的电化学比能列于表4 4。u关于海底管线牺牲阳极的结构形式多设计成管镯式，即关于海底管线牺牲阳极的结构形式多设计成管镯式，即阳极环阳极环。u阳极环带有钢衬套，一般尽可能焊接于管道上。阳极环带有钢衬套，一般尽可能焊接于管道上。u阳极与管线之间的接线多采用聚氯乙烯绝缘的铜电缆短线，用铝热剂焊接在管线上或阳极与管线之间的接线多采用聚氯乙烯绝缘的铜电缆短线，用铝热剂焊接在管线上或采用抽头连接方法迸行连接。采用抽头连接方法迸行连接。57阳极环形状可设计成两腑、四瓣或多瓣式，两端头呈平滑准面

51、，可防止管线敷设时损伤。阳极环厚度阳极环形状可设计成两腑、四瓣或多瓣式，两端头呈平滑准面，可防止管线敷设时损伤。阳极环厚度一般呆持外环面与混凝土加重层外不表面取平。几种阳极环式样见图一般呆持外环面与混凝土加重层外不表面取平。几种阳极环式样见图3 3、4 4、5 5、6 6。 为了便于阳极环的俭查和维修，在阳极环内嵌入不易腐蚀为锥订，锥汀沿阳极环呈辐射形分布。当阳极为了便于阳极环的俭查和维修，在阳极环内嵌入不易腐蚀为锥订，锥汀沿阳极环呈辐射形分布。当阳极材料腐蚀后，锥钉突露，潜水员可直观地俭查阳极腐蚀情况，即使在视线极弱的深海也可触摸出锥钉高度，材料腐蚀后，锥钉突露，潜水员可直观地俭查阳极腐蚀情

52、况，即使在视线极弱的深海也可触摸出锥钉高度，从而判断腐蚀情况。锥钉可用不锈钢、塑料及陶瓷等材抖制作。具有锥钉的阳极环结构形式见图从而判断腐蚀情况。锥钉可用不锈钢、塑料及陶瓷等材抖制作。具有锥钉的阳极环结构形式见图7(7(美国专利美国专利4370211)4370211)。58（七）油田地面集输管道的（七）油田地面集输管道的内壁牺牲阳极阴极保护技术技术内壁牺牲阳极阴极保护技术技术 油田地面管网的腐蚀以油田地面管网的腐蚀以污水管线和高含水油气集输管线污水管线和高含水油气集输管线最为严重。最为严重。 实践证明，采用内涂层或衬里使金属与电解质隔开是解决管道内腐蚀的有效途径之一，实践证明，采用内涂层或衬里

53、使金属与电解质隔开是解决管道内腐蚀的有效途径之一，但内涂层有其一定的局限性：但内涂层有其一定的局限性：u金属内表面处理难度大，在表面除锈不彻底、局部不平滑、涂料不均质、搬运或安装金属内表面处理难度大，在表面除锈不彻底、局部不平滑、涂料不均质、搬运或安装碰撞等情况下，都可能导致涂层粘结力下降，出现针孔和漏点。碰撞等情况下，都可能导致涂层粘结力下降，出现针孔和漏点。u涂层和金属弹性模量不一致，当管线工作温差大、压力波动时，会加速对涂层的损害，涂层和金属弹性模量不一致，当管线工作温差大、压力波动时，会加速对涂层的损害，甚至产生裂纹，从而降低使用寿命。甚至产生裂纹，从而降低使用寿命。1.1.管线涂层漏

54、点造成的集中点蚀比裸管的面腐蚀后果更加严重；如有一条污水干线采用管线涂层漏点造成的集中点蚀比裸管的面腐蚀后果更加严重；如有一条污水干线采用环氧煤沥青玻璃鳞片内挤涂防护，设计寿命为环氧煤沥青玻璃鳞片内挤涂防护，设计寿命为1010年，但投产半年即出现内腐蚀穿孔，年，但投产半年即出现内腐蚀穿孔，一年内在一年内在20m20m管段就穿孔管段就穿孔7 7次，这是由于涂层局部漏点加速腐蚀引起的。次，这是由于涂层局部漏点加速腐蚀引起的。59 将阴极保护和内涂层保护结合使用，无疑是一种比较完善的内防腐蚀方法将阴极保护和内涂层保护结合使用，无疑是一种比较完善的内防腐蚀方法。u曾对某油田一条腐蚀严重的回水干线。做现

55、场试验，分涂层管和裸管二种，内装线状环形阳曾对某油田一条腐蚀严重的回水干线。做现场试验，分涂层管和裸管二种，内装线状环形阳极，裸管阳极间距极，裸管阳极间距100mm100mm，涂层管阳极间距，涂层管阳极间距500mm500mm。线状阳极用钢丝绳连接，两端固定在管线。线状阳极用钢丝绳连接，两端固定在管线两端底部。通过一年试验运行，管内保护电位达两端底部。通过一年试验运行，管内保护电位达-0.93-0.93-1.06V(vsCSE)-1.06V(vsCSE)。u现场腐蚀挂片测试结果：现场腐蚀挂片测试结果：未加保护的裸管平均腐蚀速率为未加保护的裸管平均腐蚀速率为0.17mm/a0.17mm/a，加牺

56、牲阳极管段平均腐，加牺牲阳极管段平均腐蚀速率为蚀速率为0.00540.00540.015mm/a0.015mm/a，保护度达，保护度达98%98%左右左右。 将被保护和未保护的管子剖开，观察局部腐蚀情况如下：将被保护和未保护的管子剖开，观察局部腐蚀情况如下：未加阴极保护的裸管底部腐蚀严重，呈连片沟槽状，贯穿全管段，深度达未加阴极保护的裸管底部腐蚀严重，呈连片沟槽状，贯穿全管段，深度达0.4-1.8mm0.4-1.8mm，最深，最深处达处达2.0mm2.0mm以上。以上。锌阳极保护的涂层管和裸管内表面均光滑如初，肉眼观察不到任何腐蚀，说明阳极电力线在锌阳极保护的涂层管和裸管内表面均光滑如初，肉眼

57、观察不到任何腐蚀，说明阳极电力线在管内分布均匀，内壁全部得到有效保护，利用线状阳极保护管内壁的方法是完全可行的。管内分布均匀，内壁全部得到有效保护，利用线状阳极保护管内壁的方法是完全可行的。 经去除阳极腐蚀产物，折算阳极寿命，裸管内阳极寿命可达经去除阳极腐蚀产物，折算阳极寿命，裸管内阳极寿命可达1212年，涂层管内阳极寿命年，涂层管内阳极寿命1818年。年。60（八）管道（八）管道内壁强制电流阴极保护技术内壁强制电流阴极保护技术 由于管道内部空间狭长，在管道内壁采用强制电流阴极保护时，由于管道内部空间狭长，在管道内壁采用强制电流阴极保护时，首先要解决阳极安装问题首先要解决阳极安装问题，辅助阳极

58、的安装主要应解决下列问题：辅助阳极的安装主要应解决下列问题：u阳极与管道如何绝缘。阳极与管道如何绝缘。u如何延长管道内壁保护距离。如何延长管道内壁保护距离。u阳极的安装要方便，且不影响输送介质的流动，其价格要经济合理。阳极的安装要方便，且不影响输送介质的流动，其价格要经济合理。1 1、安装方式、安装方式目前，管道内壁强制电流阴极保护的辅助阳极安装主要有下列目前，管道内壁强制电流阴极保护的辅助阳极安装主要有下列3 3种方式。种方式。安装方式安装方式1 1：仅适用于大口径管道，每只阳极保护距：仅适用于大口径管道，每只阳极保护距离短，需在管道上开很多孔，安装复杂，费用高，离短，需在管道上开很多孔，安

59、装复杂，费用高，且需用多根阳极电缆将电流分配到各个阳极上。且需用多根阳极电缆将电流分配到各个阳极上。61 安装方式安装方式2 2：也仅适用于大口径管道。虽然相对安装：也仅适用于大口径管道。虽然相对安装方式一增加了单只阳极的保护距离，但保护长度还是较短，方式一增加了单只阳极的保护距离，但保护长度还是较短，而且为了解决阳极与管壁绝缘问题，增加了安装难度。而且为了解决阳极与管壁绝缘问题，增加了安装难度。 安装方式安装方式3 3：在线型阳极材料外部套上带孔的塑料管直接安放在管道内，在管道上开孔，将：在线型阳极材料外部套上带孔的塑料管直接安放在管道内，在管道上开孔，将阳极接头引出接直流电源，开口处密封，

60、详见图阳极接头引出接直流电源，开口处密封，详见图3 3。塑料管很好地将阳极与管道内壁绝缘开，阳。塑料管很好地将阳极与管道内壁绝缘开，阳极输出电流从塑料管孔中流出，对管道内壁实施保护。极输出电流从塑料管孔中流出，对管道内壁实施保护。622 2、模拟试验、模拟试验u采用塑料套管阳极采用塑料套管阳极安装方式安装方式3 3在管径为在管径为D89mmD89mm的管道中进行模拟试验。阳极为管道局管道科学的管道中进行模拟试验。阳极为管道局管道科学研究院生产的柔性阳极，介质为王一站污水。研究院生产的柔性阳极，介质为王一站污水。u管道长管道长50m50m，无内涂层，在管道上每隔，无内涂层，在管道上每隔7m7m安