埋地管道及船舶阴极保护

电化学保护埋地管道及船舶的阴极保护江苏科技大学材料学院2015年10月21日教学内容§3-1概述§3-2强制电流法阴极保护§33牺牲阳极法阴极保护§1概述阴极保护简史阴极保护的方法（分类＞阴极保护参数阴极保护准则管道实施阴极保护的基本条件阴极保护发展简史■阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加■-个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。fl前阴极保护技术己经发展成熟，广泛应用到十壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金屈构筑物等的腐蚀控制。■1823年——英国学者汉.戴维研究对木质舰船的铜护套进行保护■1834^——法拉第奠定了阴极保护原理基础（i&CR^电化学理论）■1890年——爱迪生提出强制电流保护船舶■1902年——柯恩实现了爱迪生的设想■1905年——美国用于锅炉保护■1906年——德国建立第一个阴极保护厂■1913年一命名为电化学保护■1924年——地下管网阴极保护■1928年，柯恩在长输管线上安装第一台阴极保护整流器。■1936年，美国成立了巾部大陆的阴极保护协会。■1940年，英国应用了牺牲阳极保护，徳国和日本分别在195◦和1964年开始研究电化学理论，并开始了煤气管道的阴极保护。■1985年，我国开始在石油管道上应用阴极保护技术。■2009年11月，经第十一届全国人大常委会第十一次会议审议，通过了《中华人民共和国石油天然气管道保护法（草案）》,将我国石汕天然气管道保护从部门条例上升为国家法律。1、阴极保护分类4,痴牺牲阳极阴极保护外加电流阴极保护田1-31則ffi保护职理示意阌■外加电流法：将被保护的管道与直流电源的负极相连，把辅助阳极与电源正极相连，使管道成为阴极，如图a.■牺牲阳极法：在待保护的管道上连接一种电位更负的金属或合金，形成一个新的腐性原电池。接上的金属成为牺牲阳极，整个管道成为阴极受到保护，如图b.牺牲阳极与外加电流阴极保护对比牺牲阳极阴极保护外加电流阴极保护优1、不需要外部电源。2、对临近金属构筑物干扰小.3、管理维护工作量小4、工程费用与保护长度成正比1、输出电流连续可调，可满足较大的保护电流密度要求2、不受环境电阻率限制3、工程越大越经济4、对管道防腐覆盖层质量点5、保护电流分布均匀，利用率高，要求相对较低5、保护装置寿命长牺牲阳极与外加电流阴极保护对比牺牲阳极阴极保护外加电流阴极保护缺点1、牺牲阳极易丢失，寿命短2、高电阻环境不宜使用3、保护电流不可调，驱动电流4、对覆盖层质量要求高5、消耗有色金属，需定期更换6、杂散电流干扰大时不能使用1、需要可靠外部电源2、对临近金属构筑物干扰大，特别是铺助阳极附近3、需设阴极保护站，日常进行维护管理4、在需要较小电流时，无法减少最低限度的装置费用5、阳极地床不易维修，阳极产生气体不易排出，易产生气阻，增大地床电阻，影响地床寿命2、阴极保护基本参数■（一）自然电位Ee■定义：未加阴极保护时，钢管对地电位（管地电位）称自然电位，又称腐蚀电位。也即阴极极化前的管地屯位称自然电位。■总电位Eo■定义：加阴极保护后测出的管地电位称总电位，即阴极极化后的电位。■外加电位E■定义：又称偏移电位、极化电位。总电位与自然电位之差称外加电位。（二）保护电位■最小保护电位定义：对管路进行阴极保护时，加到管路上的、使管路腐蚀过程完全停止时的电位值、或者说，阴极极化电位达到EaQ时的电位。地下管路很长，电流流经管路时，要产生电压降，为保证管路沿线各点电位都高于最小保护电为（按绝对值）必须提高通电点的电位，通电点的电位越高，保护距离越长。为防止极化过分，绝缘层剥离、氢脆或氢鼓泡的现象，通电点的电位不能加得太高，最高不得超过最大保护电位，即通电点的电位受最大保护电位的限制。■最大保护电位定义：加到管路通电点的电位极限值。在此极限电位下，管路上的防腐绝缘层仍不致遭到破坏，此极限电位称为地下管路的最大保护电位。如果通电电位大于最大保护电位（绝对值），由于氢去极化作用及电滲现象，会使绝缘层发生分层而遭到破坏。并且氢原子有可能渗入钢管体内，导致钢管发生氢脆。（三）保护电流密度■最小保护电流密度定义：对管路外加某一数量的电流密度，使管路沿线任一点都没有腐蚀电流流入土壤，此时的电流密度称为鉍小电流密度或者说，使保护管路发生阴极极化，其极化电位达到EaD时，对应的电流密度为最小保护电流密度，最小保护电流密度随外界条件不同会有很大变化，如绝缘层质a、土壤含水暈、土壤温度、土壤电阻率等，因而最小保护电流密度有可能差几倍。因此对不同的管路，其至冋一管路的不冋段落所需的最小保护电流密度的数值也都是不同的，故最小保护电流密度参数对长距离管路不太实用，但较适用于作为袖磯、油轮等金属构筑物的阴极保护标准。基于以上原因，对于长输管路，采用的标准为最小保护电位。（四）阴极保护度保护度：按国标GB/I10123-88中的定义，保护度是“通过防蚀措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。这一参数可以直观地看出阴极保护的效果。它是通过试样在阴极保护状态下和非保护试样对比得来，在管道实践中通常用检查片来测定。设非保护状态下自然埋设的检查片原始质量为WQ，试样腐蚀后经清除腐蚀产物后的质量为W1,试样的表面积为S。，埋设时间为t,检查腐蚀前后的质量损失Gq=W^-W:俗称失重。由失重法计算检查片的腐蚀速率为：WW

=

Go§3-1槪述阴极保护准则美国腐性工程师协会(NACE)在《埋地和水下金属管道外防腐推荐规范》RP—01—69(1983年修订)的标准中，对阴极保护准则做了如下的规定，并已被世界各国采用20多年.(1)施加阴极保护时阴极的负电位至少为850mV,这一电位是相对于接触电解质的饱和Cu/CuSO4参比电极测量的，测量中必须排除IR降影响。(2)相对于饱和Cu/CuSO.参比电极负极化电位至少为850mV。(3)在构筑物表面与接触电解质的参比电极之间的阴极极化值最小为lOOniW这一数据的测定可以在极化的形成过程或是衰减过程中进行。-850mV(CSE)适用于各种土壤环境中钢轶构筑物的阴极保护，是世界公认的通用准则.对于有良好覆盖层的管道，这一准则很实际.但是覆盖层的质量太劣或是裸管,采用-850mV的准则就显得过保护和浪费，所以国外学者主张在这种条件下采用-1OOmV极化电位准则.§3-1槪述管道实施阴极保护的基本条件管道实施阴极保护的基本奈件：有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流；管道必须处于有电解质的环境中（如士壤、河流、海水等）；保持管道纵向电连续性:为确保管道系统阴极保护的有效性和提高保护效率，必须做好管道的兔絶缘，如选用高质量的管道覆盖层以及合理布局绝缘连接体.♦管道的电绝缘管道电绝缘的目的，是将被保护管道和不应受保护的金属体从导电性上分开.如杲没有此类装置，保护电流将会沿着金属导体流到不应受保护的管道、金属体或大地从而增大电源功率的输出，缩短保护长度。在杂散电流干扰区，绝缘装置还可用来分割干扰区和非干扰区，减少杂散电流的干扰区域。管道实施阴极保护的基本条件§3-丨槪述(1)绝缘接头管道的绝缘接头有法兰型、整体型(埋地)、活接头等各种型式。近几年开发的整体埋地型绝缘接头具有整体结构、直接埋地和高的绝缘性能，克服了绝缘法兰密封性能不好、装配影响绝缘质量、不能埋地、外缘盘易集尘等不良影响，是管道理想的绝缘连接装置.图3-2是整体型绝缘接头的结构图。第二极o迆密封_环氧/折青覆輦臣坏氣辦肪第一级033密封翮1---H---3&氯丁<二解>襟狡绝缘狄蚪1^3-2艄体甩绝缘技头结构4意旧§3-1槪述管道实施阴极保护的基本条件需要设置绝缘连接的场所有：管道与井、站、库的连接处；管道与设备所有权的分界处；支线管道与干线管道的连接处；不同材质、新旧管道及有防腐层与无防腐层管道间连接处；大型穿、跨越段的两端；杂散电流干扰段；使用不同阴极保护方法的交界处。(2)绝缘支墩(垫)当管道采用套管形式穿墙或穿越公路、铁路时，管道与套管必须电绝缘。通常采用绝缘支墩或绝缘垫.管道及支撑架、管桥、穿管隧道、桩、混凝土中的钢筋等必须电绝缘.若管段两端已装有绝缘接头，使架空管段与埋地管道相绝缘，则此时管道可以直接架设在支撑架上而无需电绝缘.(3)其他电绝缘管道穿越河流，采用加重块、固定锚、混凝土、加重覆盖层时，管道必须与混凝土钢筋电绝缘，安装时不得损坏管道原防腐层.管道与所有相遇的如电缆、管道等金属构筑物必须保持电绝缘、管道实施阴极保护的基本条件§3-1概述♦管道纵向电的连续性对于非焊接的管道连接头，应焊接跨接导线来保证管道纵向电的连续性，确保电流的流动.对于预应力混凝土管道，施加阴极保护时，每节管道的纵向钢筋必须首尾跨接，以保证阴极保护电流的纵向导通。有时还可平行敷设一条电缆，每节预应力管道与之相连来实现电的连续性。♦

阴极保护管道的附件(1)检查片：检查片材质应与被保护的管道相同，用于定量分析阴极保护的效果及土壤的腐蚀性，也有用于其他目的的检查片，如在牺牲阳极保护段，用于代表管道，测量自然电位用，检查片一般成对埋没，一片与管道相连〔施加电保护)；另一片不相连。经一定时间后开挖、称重、计算保护度，§3-1概述管道实施阴极保护的基本条件检查片的推荐尺寸为100mmx50mmx5mm,采用锯、气割方法制取。为不改变检亲片的冶金状态，气割边緣為去掉2030mmQ去i片為宥安装孔编号可用钢字模打印.保护度=x

100%式中＜^一无电保护检査片的失重，g»S,一无电保护&查片的面积，Gt-冇电保护K杏片的失盅，g*St一有电保护fe衣片的面识，cm*.检查片常规测试周期不得小于一年。推荐为1、2、5、10、20年。检查片埋设参见图3-3。管道实施阴极保护的基本条件§3-1概述阁3-3检在片安破乐黧<3）44保护的片，（Wx保护的片，COjEfi]®检查片之间相距300mm。一般检查片应埋设在有代奉意义的腐蚀性地段（环境中），如污染区、高盐碱地带、桑散电流严重地区以及管道阴极保护范围末端。在杂散电手>应把检i片埋在1流杂奴黾流众管道流山岛A占。§3-1槪述管道实施阴极保护的基本条件(2)测试桩：从埋地管道上引出，用于测量管道阴极保护参数的永久测试装置、测试桩也叫检查头，它沿管道安装，每隔一定距离焊接一组测试导线，引到测试装置上。测试导线可固定在水泥测试桩上，或置于保护钢管内，因此有水泥桩和钢管桩之分.测试桩有设置在地上的，有设置在地下的，长输管线一般设置在地上，城市管线因占地的限制有些设在地表下，结构都相同，测试桩的典型结构及导线连接见图3-4,测试桩设置原则为：①电位测试桩，一般每公里设一支，需要时可以加密或减少；②电流测试桩，每5-8km处设一支；③套管测试桩，套管穿越处一端或两端设置；④绝缘接头测试桩，每一绝缘接头处设一支；⑤跨接测试桩，与其他管道、电缆等构筑物相交处设一支；⑥站内测试桩，视需要而设；⑦牺牲阳极测试桩，一般设在两组阳极的中间部位、管道实施阴极保护的基本条件§3-1概述fflW试被纺均测试桩可以测取管道的保护电位、管道保护电流的大小和流向、电绝缘性能及千扰方面的参数。测试桩的功能主要区别在接线上，最简单的是电位测试桩，只需引接两根导线;测管道电流要接四根导线；测两者间的干扰或绝缘要在相邻构筑物上各引出两根导线。一般来说，测试桩的功能可以结合在一起使用，有时测试桩还可和里程桩相结合，§2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算强制电流法阴极保护系统的设计§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算强制电流阴极保护的计算包括保护长度的计算，阴极保护站数的确定，阳极装置的选取，电源和导线的设计等。管道阴极保护范围的制约因素是管道防腐层电阻和管径，它以最大保护电位和最小保护电位的临界点来划分。因此保护一条管道常常需要设一个或几个阴极保护站.因此，首先要知道一个站能保护多远，这样才能确定所需的站数。为了求得保护长度，必须知道当管道上通入阴极极化电流后所产生的极化电位的沿线分布，求取最大保护电位经过多少公里降低到最小保护电位，强制电流阴极保护的工艺计算（一）管道沿线外加电位与电流的分布规律如图，外加电流的电源正极接辅助阳极，负极接在被保护管段的中央，这一点称为汇流点或通电点，电流自电源正极流出，经阳极和大地流至汇流点两侧管道，在两侧金属管壁中流动的电流是流向汇流点的.因此，沿线电流密度和电位的分布是不均匀的，§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算■假设假定辅助阳极相对于整个大地是一个点电源，它通电后在地下所形成的是一个半球面的电场。理论上在汇流点处的管道沿线电位分布的基本公式是根据下列假设条件推出的：(1＞管道防腐层均匀一致，并具有良好的电绝缘性能，与土壤接触且土质均匀一致，因此管道沿线各点的单位面积过渡电阻相等。过渡1俚指电流从土壤沿径向流入管道时的电阻，其数值主要决定于防腐层电阻B(2)因土壤横截面积无穷大，土壤电阻可以忽略不计，§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算■边界条件：通常有三种情况(1)无限长管段的计算：即全线只有一个阴极保护站，线路上没用绝缘法兰.(2)有限长管段的计算：即全线有多个阴极保护站，两个相邻站之间的管道由两个站共同保护。(3)保护段终点有绝缘法兰的计算：一般设有阴极保护的管道在进入输油站或油库以前须装设绝缘法兰，以免保护电流向站内或库内流失。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算(二)保护范围的计算1.无限长管道的计算K:Eoe^r(3-10)/—/oe_u,

(3—11)由式(3-10)、(3-11)可解出沿线各处电位与电流的关系：在汇流点处，x=0,故汇流点一侧的电流为:(3—12)§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算汇流点处的总电流就是该保护装置的输出电流，它等于管道一侧流至汇流点电流的两倍，即I=2IU。方程式（3-10）和（3-11）物理意义：①当全线只有一个阴极保护站时，管道沿线的电位及电流值按对数曲线规律下降。②在汇流点附近的电位和电流值变化激烈，离汇流点愈远变化愈平缓。③曲线的陡度决定于衰减因数a=7^主要是防腐层过渡电阻1<,，的影响。由于最大保护电位是有限度的，故汇流点处的电位应小于或等于最大保护电位当沿线的管/地电位降至最小保护电位Emin处，就是保护段A末端，故一个阴极保护站所可能保护的一侧的最长距离，可由式（3-13）算出。1EmaxnF~minnvixmaxenuut(3—13)§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算由式（3-12）和式（343）可得结论：由于管材选定后，rT是一个常数而且很小，所以阴极保护管道所需保护电流的大小和可保护段落长度主要受防腐层电阻的影响。防腐层质量好，则电能消耗少，保护距离也长，根据国内经验，当沥青防腐层施工质量较好时，管道单位面积防腐层过渡电阻能达到10000n-m2以上，有的达20000〜30000n、m\故目前按标准规范要求，在设计计算中常取防腐层的Rl>=10000fi*m2,对于合成树脂类防腐层均会高出此值。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算计算中需要注意：式(3-13)中的Emax和Emin均为阴极极化值，即相对自然电位的偏移值，而前面成述最炎和最小保护电位系相对于硫酸铜电极测得的极化电位.在大多数土壤中，用硫酸铜电极测得的钢管的自然电位约在-0.50—0.60V之间，若实测平均值为-0.55V,则当取最大保护电位为-1.20V，最小保护电位为-0,85V时，其阴极极化值为：Einax=-1.20-(-0.55)=-0.65VEmin

=»0.85-(-0.55)=-030Vz对于长度超出一个站保护范围的长距离管道，常需在沿线设若干个阴极保护站，其保护段长度应按有限长管道计算。强制电流阴极保护的工艺计算2.有限长管道的计算有限长管道的保护段即指两个相邻的阴极保护站之间的管段，或两端设有绝缘接头的管段近似按有限长考虑，其极化电位和电流的变化受两个站的共同作用，由于两个站的相互影响，将使极化电位变化曲线抬高，如图3-4所示。因此，有限长管道比无限长管道的保护距离长，如图【2>Zp-站1^134有限民许道电位变化曲线§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算（三）电源功率的计算根据被保护系统所需要的总电流和总电压来选择直流电源的类型和规格，系统的总电流为1=210,系统的总电压为V

=/（ff.+Hi.+RJ+Vr式中/<-阳极接地电阻，n；=

对于有限长一阴极/丄壤界血的过渡电附（m,对T尤限长转道讓，齡一导线总电附.a；vt——阳极和阴极断路吋的反电动势（V），魚炭地床为2V。强制电流阴极保护系统的电源功乎nJ按式（3-21）i|算：P=(3—21)§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算V=/(Ra+Rl+Rc)

+Vr式中V——电源设备的输出电压，V；I—电源设备输出电流(A)，取P——电源功率，W；7——屯源效率，取0.7,根据经验，在一般条件下，阳极接地电阻约占回路总电阻的70%-80%,故阳极材料的选择及其埋置场所的处理，对节省电能消耗至关重要，值得注意的是，在选择电源设备和运行期间，应考虑阴极保护系统辅助阳极的接地电阻值与电源额定负载R#相匹配。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算K肿=3—式中V額——额定输出电压，V;1^-额定输出电流，A。注：因阳极与管道之间存在的自然电位差与外加电压的极性相反，故称反电压。当阳极采用石墨阳极或焦炭回填物时，这个电压通常为2V，钢铁阳极为零。阳极地床的接地电阻必须比额定负载小，才能保证所设计的保护电流的输出.同时，也要从技术经济角度分析，使该保护系统阳极地床的设计与电源设备的选择是经济合理的。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算（四）阳极接地装置的计算1、辅助阳极的接地电阻因地床结构不同而区别&各种结构接地电阻的计算公式可见有关手册。这里给出三种常用埋设方式的接地电阻计算公式。（1）单支立式阳极接地电阳•的计算：〜=2^L.In

'V477^（,》a）（3-22）补充：多支立式阳极接地电阻的计算：式中：Rv1——由公式（3-22）计算的到;n-阳极根数；n——屏蔽系数，查表得§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算（2）深埋式阳极接地电阻的计算：（f》L）（3—23）（3）单水平式阳极接地、电阻的计算：Wh-•ln

b（/《乙）（3一24）上三式中Rvl——单支立式阳极接地电阻，Q;Rv2——深埋式阳极接地电阻，fi;Rh——单支水平式阳极接地电阻，Q;L——阳极长度（含填料），m;d——阳极直径（含填料），m;t-埋深，m;p-土壤电阻率，fbm。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算补充：多支水平式阳极接地电阻的计算，式中Rn——由公式(3-24)计算的到；n-阳极根数；I],-屏蔽系数，查表得。(4)多支立式阳极并联敷设阳极接地电阻的计算:U=F-(3-25)式中Rg——阳极组接地电阻，O;n——阳极支数；F——爹正系数（查图3-7）;Rv-单支阳极接地电阻，Q。薄顧/=O.il~ImKAT■■I.2I.frmF_■4~iI■-躍*to-擊立式_l_L-1.2-f■硿‘dm§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算4SK§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算2、辅助阳极寿命的计算辅助阳极的工作寿命是指阳极工作到因阳极消耗致阳极电阻上升使电源设备输出不匹配，而不能正常工作的时间.当然，这里的寿命计算不包括地床设计不合理造成的“气阻”，施工质量不可靠造成的阳极电缆断线等因素引起的阳极报废。通常阳极的工作寿命由式(3-26)计算：式中T——阳极工作寿命，a;K——阳极利用系数，常取0,7-0*85;G-阳极重量，kg;g-阳极消耗率，kg/(A*a)，查表3-6;I-阳极工作电流，A.§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算表3-6常用精助陬的性K阳後舴允许电汰紐，A/nr消耗車，kg/(A*«)t壞本中土壤水中S钢铁5.45.410.0後错铁5.45.4--6.032-■----——32'43<040.11121.50.250.5磁性耽铁10堋约0.1约0J10U06叫0*|6XW*§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算3、所需辅助阳极支数的计算：所需辅助阳极的支数由阳极的设计寿命及消耗率所决定。可按式（3-26）换算得到阳极的总重量G=Tgl/K，再从接地电阻和规格型号选取阳极的支数。一般阳极的设计寿命为15a或20a。但选择时候应综合考虑阳极寿命和经济性。§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算例题：阴极计算例题：甘某长输管道进行阴极保护设计，已知参数：＞125km，

管径多159x5.5，材质：低碳钢，a

防腐层过渡电阻^=2oooq.^,自然电位-0.55V，最大保护电位-1.20V，蕞小保护电位-0.85V。解：(1)计算保护长度：久去碰，Em„1.20-(-0.55)=-O.65r£n,n

=-0.85»(-0.55)=-03Kmaxn=2+=6+（1〜2）§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算带入公式得：L觀=12.5A7H(2)计算保护站数：L-1L2厶maxmax(3)计算汇流点一侧的电流：,-祕(a£max)=1，26?1WroI

=2/0

=2x1.26=2.52/4R=§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算4）计算阳极接地电阻：①阳极材料：废钢铁，消耗率②阳极规格：仲9x4應，，长3m，8.38kg/m③计算所需要阳极支数：所需阳极总重量：==164^所需阳极总长度：'所需阳极支数：^=6.53,7只④计算单支阳极的接地电阻埋设方式：立式，埋深t=2.2m，P=m)=」2_(ln^^+Xln4xl2+3)=4扁2^x30.089/24x2.2-32竺也2nLdV4f+£⑤阳极总电阻R4.84一对阳极间距：6m,==0886cin§3-2强制电流法阴极保护强制电流阴极保护的工艺计算(5)电源功率的计算P上nI

=2/0

=2.56/1V=KRt+R{

+久）+匕导线电阻：导线规格：LGT-35铝胶线，0.00085Q/m导线长度：500m，Rl=500x0.00085=042502th{aL^）机了r

叫品醐）hRc=Emax2/0¥=證=_V

=2.52X(0.886+0.425+0.258)+2=5,95VnIV2.52x5.95r=-—-70.7=2\W深井阳极工有关照片阴极保护恒电位仪§3-3牺牲阳极法阴极保护牺牲阳极材料牺牲阳极的设计牺牲阳极的施工牺牲阳极的测试与管理牺牲阳极的特殊应用概述牺牲阳极法是最早应用的阴极保护方法。它简单易行，不需电源，不用专人管理，不干扰邻近设备和装置，仅消耗少量有色金属材料，就可以使金属构筑物获得完全的阴极保护，同时，牺牲阳极还是抗干扰腐蚀的一种手段，具有泄流、防腐以及防雷、防静电接地等各种功能，有外加电流法无法相比的优点，可以说，在油、气管道阴极保护中，牺牲阳极法与外加电流法居同等重要的地位。它们互相配合，相辅相成，共同促进阴极保护技术的发展。只有这两方面工作都做好，才能使阴极保护这种先进的防腐技术，在管道防腐工程中充分发挥作用。对牺牲阳极树科的要求：由于牺牲阳极法是通过阳极自身的消耗给被保护金属体提供保护电流，对牺牲阳极材料就产生了性能要求：概述(1)电位：要有足够负的电位，在长期放电过程中很少极化，(2)腐蚀产物：腐蚀产物应不粘附于阳极表面，疏松易脱落、不可形成高电阻的硬壳且无污染。(3)电化当量：电化当量高，即单位重量的电容量大，且输出电流均匀。(4)电流效率：自腐性小，电流效率高。即实际电容量和理论电容量之比的百分数要大.(5)机械性能：有较好的机械性能，价格便宜、来源方便、加工容易、牺牲阳极材料牺牲阳极材料的选择主要是看合金的性能及其化学成分，特别是合金元素的含量和杂质的含量。合金的金相组织对阳极性能也有着重要的影响，1■镆及镁合金镁是周期表中第二族化学元素。原子序数为12,熔点65VC，密度为1.74g/cm<镁及镁合金是理想的牺牲阳极材料，它的优点是密度小，电位负，极化率低，单位质量发生电量大；不足之处是电流效率低（约50%）。*镁的表面不易极化，腐蚀产物疏松易脱落。因此，镁是应用最广的常用的牺牲阳极材料。牺牲阳极材料作为牺牲阳极应用的镁及镁合金有三大系列：高纯Mg、Mg-MiuMg-Al-Zn-Mn。它们的性能列在表3-12中。（1）高纯镁。牺牲阳极用的镁材料应是高纯镁（含镁大于99.95%）.它具有电位负、机械加工性好的优点。因其负电位大，故有时又称为高电位镁阳极。它适合于加工成带状阳极，在电阻率较高的土壤和水中使用.高纯镁中的杂质含量对其阳极性能影响很大，主要的杂质有Fe、Cu.Ni.Co，特别是Fe的含量较高。由于这些金属在电位序中有较正的电位，引起自腐性而使镁阳极效率降低。锰的加入可以抑制铁的影响，因为锰可以使铁在熔铸过程中沉淀出来.留在合金中的铁元素，则被锰包围起来，使铁不能产生阴极性杂质的有索作用、影响较小的看Cd、Mn、Na、Si、ZnAl、Pb、Ca、Ag等，§3-3牺牲阳极法阴极保护牺牲阳极材料(2)Mg-Mn合金*加入锰时，镁合金的耐蚀性提高，这是因为锰易于发生偏析，而与沉积在坩锅底的铁生成化合物的缘故，镁猛合金的强度极限随着温度的升高而显著降低，而延伸率则大大增加.当Mg-Mn合金作为牺牲阳极用时，其电流效率的高低取决于Mg原料纯度，越纯电流效率越高，电位也越负。镁锰也是高电位阳极，它适合于铸造和挤压两种加工方式，主要用于高电阻率环境中。(3)Mg-Al-Zn-Mn合金。这类合金有Mg-6A1-3Zn-Mn、Mg-3A1~Zn一Mn、Mg-8A1_Zn-Mn几种。其中性能较好，广泛使用的牺牲阳极是Mg-6A1-3Zn-Mn合金。牺牲阳极材料§3-3牺牲阳极法阴极保护2.锌及锌合金锌是一种很普通的金属，原子量65.4，相对密度7J4,化合价为2，熔点420'C。锌阳极的种类主要有高纯锌、Zn-AEZn-Al-Cd。锌的电极电位比铁负，表面不易极化，是理想的牺牲阳极材料。锌阳极的性能列于表3-13中，*锌合金阳极在海水中和在土壤中都具有较高的电流效率，其电位稳定，阳极输出电流能随被保护金属的状态，环境的变化而自动调节，它不仅能用于低电阻率土壤中，还可用于海洋中，锌合金阳极的生产也已标准化，如ASTMB418及我国国标GB4950等。*锌阳极的不足之处在于相对钢铁的有效电位差小，只有0.20—0.25伏，因此只能用于土壤电阻率小于15Q（GB4950中规定）的土壤中。当土壤润湿时，可扩大到30Q。牺牲阳极材料§3-3牺牲阳极法阴极保护3.铝合金铝在电动序中位于镁和锌之间，原子量27.0,化合价为3,相对密度2.7,熔点660°C;理论电容量980A，h/kg，是锌的3-6倍，镁的1.35倍。原料来源容易，制造工艺简单，价格低廉。但无论是金属铝还是铝合金，表面都极易钝化，只能通过合金化来限制和阻止表面形成连续性氧化膜，促进表面活化，使合金具有较负的电位和较高的电流效率。常用的铝合金阳极的电化学性能列在表3-14中，*铝合金阳极的缺点是电流效率和溶解性比锌阳极低，且随阳极成分不同而异w与钢结构撞击有诱发火花的可能性，在电阻車高的介质中电流效率低，牺牲阳极材料§3-3牺牲阳极法阴极保护*铝在土壤中使用效果不佳，大部分用于海水，海泥中的金属结构物防护。对铝阳极的改进工作从50年代开始，60年代以来，铝阳极发展很快。常见的铝阳极有二元系列：A1—Zn，Al—Sn，Al-In;三元系列：Al—Zn—Hg、Al—Zn—Sn、Al—Zn—In.Al—Zn—cd.AL—Zn—Mg系列。这些阳极在海洋环境中使用日益广泛，己逐渐取代镁阳极和锌阳极。近年来，又根据环境保护的要求，对阳极中含有的Hg、Cd等有毒重金属元素进行了限制，选定了以A1—Zn—In为主体，再加入第四或第五元素来进一步改善铝阳极的性能、牺牲阳极的设计1.阳极种类的选择牺牲阳极种类的选择主要根据土壤电阻率、土壤含盐类型及被保护管道覆盖层状态来进行，表3-16列出了不同电阻率的水和土壤中阳极种类的选择。一般来说，镁阳极适用于各种土壤环境中；锌阳极适用于电阻率低的潮湿环境；而铝阳极还没有统一的认识，国内已有不少实践推荐用于低电阻率、潮湿和氣化物的环境中。表3-16埔性阳极种类的应用选择水中_.敵串,0•麵电匯寧_fl*m-----------<150帝状>100鑣(-I.7V)60-100<500供(-l,5V<*1.7V)40-60U(-I.5V)<40錤>500tt(-J.5V),”<15AJZn-ln-S<5(含Ct>牺牲阳极的设计2.牺牲阳极的工艺计算（1）牺牲阳极接地电阻的计算；（2）阳极输出电流的计算；（3）阳极支数的计算；（4）阳极寿命的计算；（5）牺牲阳极埋没间距及数量的确定。管道牺牲阳极保护需要解决两个主要问题，一是埋设多少支牺牲阳极二是阳极埋设间距应多大，当牺牲阳极种类确定后，为使阳极输出较多电流，尽量发挥一组阳极的效能，需要将阳极埋没在土壤电阻率低的地方，同时，还需考虑管道条件，涂层电阻，施工方便等因素.在管道工程实际中，在平原或土壤性质较为均一的环境，牺牲阳极可呈等距分布.在丘陵，山区应呈不等距分布。至于阳极间距，则在一个较大的数值内变动。但是，不论阳极是等距或不等距安装，阳极保护范围或长或短，都应首先去现场测定阳极埋没点的土壤电阻率，再根据现场条件确定出牺牲阳极的埋设位置，由此计算出所需的牺针阳极数量。牺牲阳极的设计3.牺牲阳极地床(1)地床的构造.化学填包料的作用:使阳极与填料相邻，改善了阳极工作环境；降低阳极接地电阻，增大阳极输出电流；填料的化学成分有利于阳极产物的溶解，不结痂，减少不必要的阳极极化；维持阳极地床长期湿润.化学填包料的基本要求：电阻率低；渗透性好；不易流失;保湿性好。牺牲阳极填包料用袋装和现场钻孔中填装.注意袋装用的袋子必须是天然纤维织品，严禁使用化纤织物，现场钻孔填装效果虽好，但填料用量大，稍不注意易把土粒带人填料中，影响填包质量，填料厚度应在各个方向均保持5~10cm为好。表3U7为目前常用牺牲阳极填包料的化学配方。牺牲阳极的设计§3-3牺牲阳极法阴极保护（2）阳极形状。针对不同的保护对象和应用环境，牺牲阳极的几何形状也各不相同.主要有棒形、块（板）形、带状、镯式等几种。在土壤环境中多用棒形牺牲阳极，阳极多作成梯形截面或U形截面，阳极接地电阻主要决定于阳极长度，也就决定了阳极输出功率，其截面的大小才决定阳极的寿命。带状阳极主要应用在高电阻率土壤环境中，有时也用于某些特殊场合，如临时性保护、套管内管道的保护、高压干扰的均压栅（环）等。镯形阳极只适用于水下或海底管道的保护。块（板）状阳极多用于船壳、水下构筑物、容器内保护等.§3-3牺牲阳极法阴极保护牺牲阳极的设计(3)阳极地床的布置.牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种式；阳极埋设分为立式、水平式两种；埋设方向有轴向和径向.阳极埋设位置一般距管道外壁3~5m，最小不宜小于0.3m,埋设深度以阳极顶部距地面不小于Im为宜a对于北方地区，必须在冻土层以下.成组埋设时，阳极间距以2-3m为宜。L32*-3fn[2-*3m|1T-~—1-IU314柄枓阳极埤设示石围牺牲阳极的设计§3-3牺牲阳极法阴极保护在地下水位低于3m的于燥地带，牺牲阳极应当加深埋设;对河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽量埋设在河床（湖底）的安全部位，以防洪水冲刷和挖泥清淤时损坏。在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极和被保护构筑物之间不应有其他金属构筑物，如电缆、水、气管道等。阳极组的间距，对于长输管道为1-2组/km,对于城市管道及站内管网以200-300m—组为宜,牺牲阳极的施工牺牲阳极的施工除了上面地床结构中提到的阳极埋深、阳极与管道的相对位置、阳极间距及阳极地床处的地下水位之外，还要注意的有如下几个方面：1.阳极表面准备阳极表面应无氧化皮、无油污、无尘土，施工前应用钢丝刷或砂纸打磨.2.电缆焊接阳极电缆和钢芯可采用铜焊或锡焊连接。焊接后未剥皮的电缆端应与钢芯用尼龙绳捆扎结实，阳极焊接端和底端两个面应采用环氧树脂绝缘，以减轻阳极的端部效应，牺牲阳极的施工3.填包料的施工一般填包料可在室内准备，按重量调配好之后，根据用量干调、湿调均可.湿调的阳极装袋后应在当天埋入地下。不管干调还是湿调均要保证填包料的用量足够，并保证回填密实.阳极就位后，先回填部分细土，然后往阳极坑中浇一定量的水，然后再大回填土，4.电缆的施工阳极电缆可以直接和管道连接，也可通过测试桩中接线盒连接。电缆和管道采用铝热焊接方式连接。连接处应采用和管道防腐层相融的材料防腐绝缘。电缆要留有一定的裕量，以适应回填松土的下沉。牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护补充：注意事项：(1)使用条件牺牲阳极适用于短管线和油气田内部集输管网的阴极保护，具有不需外部电源，安装简便，价格低廉，对邻近的地下金属构筑物不造成干扰等优点、技术经济性是明显的。但将具有良好性能的牺牲阳校正确地使用到埋地管道的阴极保护中却非易事，因为牺牲阳极长期有效输出保护电流，受环境因素影响甚大，它决定于被保护构筑物的涂层质量，土壤介质的理化性质等外部条件。若使用不当，其防腐效果往往并不理想，合理使用管道牺牲阳极的条件如下。牺牲阳极的施工①低的土壤电阻率及适宜的阳极埋设点牺牲阳极与被保护钢铁管道之间的电位差较小，若保护系统的回路电阻过大，将限制阳极电流输出，有资料指出：土壤电阻率大于100欧.米时，使用牺性阳极是不适宜的，因此，将牺牲阳极置于电阻率低的土壤环境中，是正确使用管道牺牲阳极的首要条件.在土壤中，镁、锌阳极适用的土壤电阻率不是某一固定的数值。因为就阳极本身来讲，重量决定使用寿命，长度决定电流输出.当管道涂层电阻一定时，对于土壤电阻率较高的阳极埋设点，可用增加阳极支数或增加单位重量的阳极表面积（如条状阳极，加大填包料几何尺寸等）的办法降低接地电阻，提高阳极电流产率来达到阴极保护效果。这可从四川气田大量锌阳极埋设实践中得到证明.牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护我国管道防腐规程指出：“当土壤电阻率小于30欧•米时，宜选用锌阳极；土壤电阻率小于100欧•米时，宜选用镁阳极，”这对在土壤中正确使用镁、锌阳极是必要的。因为有了这一数据的指示，便于工程实际应用。为选取合适的阳极埋设点，要坚持现场工作。必须沿管道进行土壤电阻率的测定，电测点的密度以满足管道获得完全的阴极保护为准，埋设点环境除了考虑土壤电阻率低外，还要选择在地势低洼、潮湿、透气性差、土层厚、无化学污染、施工方便的地方，牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护②质量良好的管道防腐涂层裸管或涂层质量差的长输管道，由于所需保护电流大，使用牺牲阳极是不经济的。因此，对于采用牺牲阳极保护的长输管道来讲，其涂层质量必须良好.而且与外部地下金属管道或构筑物，不能有电气连接。这是保证用好牺牲阳极的必要条件。但对短、小管道则可不受此限制，③正确使用填包料在土壤中应用的牺牲阳极必须使用填包料，每种牺牲阳极都有与其性能适宜的一种或几种填包料配方。如果选用不当，将恶化阳极电化学性能，必须正确选用，其数量随土壤电阻率增减，土绍电阻率高的地方，填包料的外径要大一些，牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护(2)合理选用牺牲阳极种类对阳极种类的选择，各国由于资源条件和管道所处环境的不同，常常各有侧重。例如在土壤中，欧美各国多选用镁阳极。我们则应根据我国资源特点来选择管道牺牲阳极材料。镁阳极开路电位高，发生电量大，适用范围广。这在镁资源丰富的国家无疑是应该首先选用的材料。但镁阳极冶炼工艺复杂、效率低，会产生过保护，存在着不足之处。镆同时又是战略资源，在大规模使用前必须考虑镁材料的来源。§3-3牺牲阳极法阴极保护牺牲阳极的施工钢质海船外壳表面牺牲阳极法阴极保护设计举例：已知219x7输油管道敷设于山区环境.全长14公里，外涂沥青防腐层，其凃层电阻，^=10000Qm2管道自然电Eo=-0,55V（硫酸铜电破测定，下同）。管遣起、末两端均装有绝缘法兰。欲采用牺牲阳极进行阴极保护，最小保护电位Ep要求在-0.95伏以下。求所需牺牲阳极的规格及数量。解：（1＞经现场勘察及沿线土壤电阻率测量，结合管道参数条件，确定选用二组婷合金阳极，一组镁合金阳极砰管i进行阴极保护，ZA型8公斤锌合金阳极开路电位Ea^-1.10伏棒型8公斤镁合金阳极开路电位Ea=-1.60伏第一组锌阳极埋设点土壤电阻率p15=15欧■米，预计保护范围L15=5公里。第二组锌阳极埋设点土壤电阻率p20=20欧■米，预计保护范围L20=4公里，牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护第三组镁阳极埋设点土壤电阻率p40=40gt*米，预计保护范围L4Q=5公里。(2)用公式Rph=E邐一E‘prjSTLIA=土L土?_Rth+^E计算出各管段需要的牺牲阳极发生电流及阳极接地电阻。列于表5-2-2。§3-3牺牲阳极法阴极保护牺牲阳极的施工袠&-2-Z计算结果表参数W快帘二组《铒三祖玥阳後安O.1S00.1100.13»Klfl,欧1.081.3574,的(3)若要求牺牲阳极使用寿命为2◦年，用公式(3-36)算出各组阳极的总重量列于表5-2-30§3-3牺牲阳极法阴极保护*5-2-3牺牲阳极的施工埋》餐

*点数第一*祖锌扱I第二组锌阳扱第三组钗®极T.年20i2020WF公斤5S.2S46.0834.44（4）求各组需要的牺牲阳极支数1）单支阳极接地电阻ZA型8公斤锌阳极选用（3-30）简化公式的已知条件进行埋设。牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护第一组锌阳极单支接地电阻:=0.43^=0.43x15=6.450第二组锌阳极单支接地电阻:〜=0,43/?=0.43x20=8-6Q第三组棒型8公斤镁阳极选用(3-31)简化公式的己知条件进行埋设。则单支阳极接地电阻为^^032p=032x40=!2.8Q2)求各P曰极组中单支阳极数量①第一组锌阳极数量ZA型锌阳极单支重量Wf8公斤，代入公式得:58.23T取n=8支牺牲阳极的施工§3-3牺牲阳极法阴极保护当阳极间距为3米，查表5-2-1得k=1.2745代入公式进行校核，”山，xL2745=7611.08所以，第一组ZA型8公斤锌阳极的数量为8支。②用上列步骤计算取：第二组ZA型8公斤锌阳极的数量为7支.第二组棒型8公斤镁阳极的数量为5支.船舶的阴极保护■1概述船舶在海水中的腐蚀现象严重：海水是典型的电解质溶液,含有大量的溶解氧和CI•离子，具有较强的腐蚀性；裸钢在海水中有较高的腐蚀速度，达到0.1-0.15mm/a,且随着船舶航行速度加快而增大；船体内部压载舱腐蚀更为严重、防护效果不佳。2对船舶采用阴极保护时必须考虑的因素(1)

船舶是定期进坞的，只有在船舶进坞时才能方便地安装或修理保护系统，牺牲阳极的寿命应与进坞周期相当。(2)在船壳上安装牺牲阳极或辅助阳极都会增大船体表面的阻力。(3)船的尾部腐蚀速度较高，因为螺旋桨附近的湍流较大，而且青铜螺旋桨与钢船壳会形成腐蚀电池。所以这一部位的保护需要更大的电流。2对船舶采用阴极保护时必须考虑的因素(4)螺旋桨与船壳的电接触是间歇性的，若要保护螺旋桨，应将其轴与船壳之间实行电连接。(5)船壳阴极保护所需的电流是变化的，与船的航行速度有关。(6)船舶液体舱与石油产品接触，有着火危险,W此不能采用外加屯流阴极保护。3船体外部的牺牲阳极法阴极保护■早在1823年英国化学家Davy用铸铁和纯锌保护木质舰船的铜包皮，是首例船舶阴极保护。■在20世纪五六十年代及七十年代初期，船体外部的保护绝大部分采用牺牲阳极系统。■在牺牲阳极系统中，首先要确定牺牲阳极材料，然后选取阴极保护参数，进行设计计兑，最后要作出牺牲阳极的安装及布K方案。3.1牺牲阳极材料■牺牲阳极材料共有3大类，即铝合金、锌合金和镁合金叩极，在船舶保护上通常采用铝合金和锌合金牺牲阳极，而不采用镆合金牺牲阳极。■在20世纪60年代前主要采用锌合金阳极。铝合金阳极是60年代发展起來的，与锌合金阳极相比，它具有重量轻、电容量大、价格较便宜，施工安装较方便等优点。3.2牺牲阳极的阴极保护参数选取保护电流密度船体各部位的保护电流密度和保护电位部位参数tris300-400100-250mA*m'*保护电位V(vsSCE)-08卜1■00

*05卜1165

"Q85^°95涂漆船体钢板什铜螺旋桨保护电流密度3.3牺牲阳极法阴极保护设计计算①计算保护面积船体浸水面积可按近似公式计算：Si=1.JTLwl+▽/T式中s'——船体浸水Ifii积(H?)T

—船舶满我吃水(m)Awl——船舶满载水线长On)V——船舶满载排水体积fa?)螺旋桨衣而积按以F公式ir算：TT・

n»S2-n7l/i•L式中—螺旋桨表面积(m2)H—螺旋桨数虽d，—螺旋桨直径(H1)n一螺旋桨展幵盘面比di-轴毂S径(m)L——轴毂长度舵板、海底阀箱面积h按实际尺寸计算。3.3牺牲阳极法阴极保护设计计算②计算牺牲阳极用量按下式分别计算船体、螺旋桨、舵、海底阀箱等被保护结构所需要的牺牲阳极数s式中N、——波保护结构所需的牺牲阳极块数S

—被保护结构的浸水面积(m2)h——牺牲阳极发生电流(mA)全船所需的柄牲阳极数呈为hN——全船所需的柄牲阳极总数3.3牺牲阳极法阴极保护设计计算③选择牺牲阳极材料及规格型号規格长X宽x^An质辑kfi发生电流mA通用范围船ft抟水昆/lAH-I800X140X60171500^104Afl-2800X140X50151500AH-3ROOX140X40121500^10*AH-4600X120X5010980^5X|0JAH-5500X140X35558505X!0、L5X|Q4AH-6400X100X40456504X10^5X1O3AH-7250X100X40255002X10^IX|(FZll*l390X120X50IS6610>IXio4ZH-250