阴极保护培训基础知识及主要设备培训

阴极保护基础知识及主要设备2023年4月目

录一、阴保必要理论二、阴保主要设备后文所有电位默认为结构物相对于饱和硫酸铜参比测得汇报内容阴保必要理论第一部分汇报内容一、阴保必要理论1.金属电化学腐蚀金属（单质）材料失电子，由金属原子状态变为金属离子脱离金属结构物表面的现象。离子脱离金属结构物表面金属的腐蚀是指金属与周围介质发生化学作用而引起的变质和破坏。若金属和周围介质（主要是指电解质水溶液）接触时，在金属和介质的界面发生有电子转移的氧化还原反应，从而使金属受到破坏，过程伴随电流产生，称为金属的电化学腐蚀。管道碳钢在土壤电解质中发生的腐蚀就属于电化学腐蚀。2.电化学反应名词解释失电子-化合价上升-被氧化-发生氧化反应-阳极反应，金属通常不会得电子，只考虑失电子的阳极反应。得电子-化合价下降-被还原-发生还原反应-阴极反应，非金属通常在阴极金属表面得电子传递电化学反应电荷，发生阴极反应。如：Zn-2e-=Zn2+，Fe－2e－＝Fe2＋如：O2+2H2O+4e-=4OH-一、阴保必要理论2.电化学反应名词解释金属元素活动顺序表：钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、锡、铅、（氢）、铜、汞、银、铂、金。排名越靠前，金属越活泼，电位越负，越容易失电子。过程描述：锌比铜活泼，锌更容易失电子，被氧化成2价锌离子。铜得电子，但是金属不考虑发生得电子化合价变负的阴极反应，为了让反应电流从铜棒传递到电解质溶液，电解质溶液中的2价铜离子在阴极铜棒表面进行得电子反应，被还原成铜沉积在铜棒表面。结构组成：有活泼性不相同的两个金属，产生驱动电压差；有导线连接两金属的电子路径；有电解质溶液连通的离子路径；有参与阴阳极反应的物质介绍一个经典实验案例：锌铜原电池一、阴保必要理论2.电化学反应名词解释思考：如果将铜棒换成铁棒，放置在水（PH中性、导电）中极性判断：活泼的，电位更负，失电子，做阳极，镁为阳极，铁为阴极。阳极反应：Mg-2e-=Mg2+阴极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-（溶解氧）（金属通常只考虑失电子，得电子由电解质中金属附近其余物质参与进行）反应结果：Mg溶解，Fe附近溶液显碱性，Fe被保护，溶解氧发生阴极反应。溶解Mg（阳极），保护Fe（阴极），这就叫牺牲阳极的阴极保护。拓展：如果电化学反应剧烈，电流产生量大，阴极极化程度高，阴极电位偏负，产生的OH-离子浓度较高，使阴极附近显足够碱性。多数防腐层的粘接剂在碱性环境中容易失效，导致防腐层剥离管道金属本体，即防腐层阴极剥离。一、阴保必要理论2.电化学反应名词解释思考：如果将铜棒换成铁棒，放置在水（PH中性、导电）中转化成阴保描述：Mg和Fe由于存在电位差，通过电子路径和离子路径导通电连接后，Mg失电子，发生阳极极化，电位正偏；Fe得电子，发生阴极极化，电位负偏；水中溶解氧消耗了电子，缓解了Fe的阴极极化，氧气在这被叫做去极化剂。后续反应中，Mg和Fe电位差会减少，极化速度放慢直至Mg完全消耗。回忆前面的金属元素活动顺序表，位置差距越大，连接产生的电压差就越大。Mg阳极电位-1.7VCSE，Zn阳极电位-1.1VCSE，Fe一般0.6VCSE。Mg和Fe相连，驱动电压大于，Zn和Fe相连。其结果就是，Mg阳极能给Fe提供较Zn阳极更负的阴极电位，但同等质量下，由于Mg阳极输出电流较Zn阳极大，消耗更快，也叫电流效率低。一、阴保必要理论3.钢铁的电化学腐蚀3.1吸氧腐蚀发生条件：钢铁表面水膜溶有O2

，极弱酸性或中性或碱性，O2

得电子成为OH-。阳极反应：2Fe－4e－＝2Fe2＋阴极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-（钢铁中一般含有碳，又叫碳钢，碳作为阴极导电，支持反应）总反应式：2Fe＋O2+2H2O=2Fe(OH)22价Fe在自然环境中极易被氧化成3价Fe，形成Fe2O3·xH2O(铁锈）一、阴保必要理论3.钢铁的电化学腐蚀3.2析氢腐蚀发生条件：钢铁表面水膜，呈较强酸性（H+浓度高）有

H2

析出。阳极反应：2Fe－4e－＝2Fe2＋阴极反应：2H++2e－=H2↑总反应式：Fe＋2H+=Fe2++H2↑2价Fe在自然环境中极易被氧化成3价Fe，形成Fe2O3·xH2O(铁锈）。拓展：如果碳钢中的氢离子变成氢气聚集在金属空穴中压力不断上升，会导致氢脆。一、阴保必要理论4.各种电位（默认相对于饱和硫酸铜参比电极测得）极化：电流从结构物表面流入或流出导致结构物电位变化的现象。极化电位：结构物受极化后的电位。管道的极化电位就是管道自然电位+负向极化偏移量。极化偏移量：结构物初始电位和极化电位之间的差值，一般带上方向说偏移绝对值，如负向极化100mV，正向极化250mV。方向性：电流从电解质流入结构物，结构物电位负偏，负向（阴极）极化；电流从电解质流出结构物，结构物电位正偏，正向（阳极）极化。对管道来说，需要负电位，简说负向极化就为极化，正向极化就是去极化，比如从-0.6V的自然电位极化0.25V到-0.85V，而从-0.85V去极化0.15V到-0.7V。影响来源：结构物受阳极电场（阳极干扰）影响，吸收电流（阳极干扰源电势高于结构物电势，电场方向由阳极干扰源指向结构物），电位负向极化；结构物受阴极电场（阴极干扰）影响，排放电流（阴极干扰源电势低于结构物电势，电场方向由结构物指向阴极干扰源），电位正向极化。联合描述：管道受阳极干扰、吸收电流、发生极化、电位负偏；管道受阴极干扰、释放电流、发生去极化、电位正偏。这不就是直流杂散的影响方式么？一、阴保必要理论4.各种电位（默认相对于饱和硫酸铜参比电极测得）电极电位：是金属/电解质界面的电势差，要点是金属与电解质接触的界面，也就是防腐层漏点，也是阴保的对象。电极电位的不同是金属自身或环境状况不同所引起的。电位就是电势，其值取决于参考对象，电位差或者叫电势差就是电压。自然电位：金属处于自然状态下，未受到外界电流干扰时的电位。处于自然状态下的金属会发生腐蚀，所以又叫自腐蚀电位。无锈层的碳钢，自然电位在-0.5V到-0.8V之间，咱们公司常见的是-0.6V到-0.7V。带锈层的碳钢电位会更正。公司每年年中会进行自然电位测试，需要同一条管道所有阴保机关机24小时后进行测试。若自然电位不在正常区间，就表示管道受到杂散电流干扰。断电电位：关了阴保瞬间测得的电位，约等于极化电位。牺牲阳极开路电位：阳极在无任何连接独立状态下的电位，与阳极输出电流、阳极接地电阻、土壤电阻率一起，评估阳极的工作状态。通电电位：开了阴保电流测得的电位，是附近管道所有漏点的综合电极电位。通电电位=自然电位+极化偏移量+IR降的矢量和。在我们公司，又叫管道保护电位，管地电位。例：在管道吸电流（最常见）的情况下，极化偏移量和IR降都是负值，如-1150mV(通电电位)=-650mV(自然电位)-350mV(负向极化偏移量)-150mV(IR降)。思考：那么管道排流时候？一、阴保必要理论5.IR降5.1什么是IR降？IR降：由于阴极保护电流在土壤中流动，在土壤电阻上产生的电压降。一、阴保必要理论要弄清IR降，首先要弄清管道电位测试回路回顾下相对差值的管道电位：测试电位时，黑表笔接参比电极，红表笔接管道，万用表打到直流电压档，测试得电压数值为负。换句话说，测试时电压表是反接，电流从参比电极流出，经过电压表，再到管道，经土壤再回流至参比电极。参比电极电位相对管道电极电位正，反过来，管道电极电位相对于参比电极电位负。测试电路由参比与管道的低电位差（电压）驱动，串接电压表，由于电压表大电阻的存在，测试电流微乎其微。5.IR降在参比电极和结构物的测试回路中，存在两类电阻，一类归为土壤类电阻，包括参比接地电阻、管道接地电阻和土壤电解质电阻；另一类归为导线电阻，几乎忽略不计。存在两股电流，一股是参比和结构物的电位差产生的测试电流，该电流几乎忽略不计，因为驱动电压小，大电阻电压表串联在测试回路中；另一股是外界电流I（通常是阴保电流Icp），该电流和土壤电阻R会产生出在参比电极和结构物间的电压偏差IR。一、阴保必要理论5.2电位测试回路假设管地电位-1000mVCSE5.IR降那么消除IR降，就要消除I和R。消除I：所以测试管道真实保护电位就是极化电位时，需要关闭阴保机，在阴保机关闭的瞬间进行极化电位测试，关闭时间长会使管道去极化，导致极化电位测试偏正。消除R：主要就是消除土壤电解质电阻，最方便的是近参比法测电位。一、阴保必要理论5.3如何消除IR降思考：恒电位仪背板上的阴极线和零位线都是连接管道，既然都是连接管道，为什么不能用阴极线和参比线来测试管道电位？因为阴极线中有电流流动，有电流和铜线电阻带来的IR降。5.IR降思考：IR降方向（外界电流方向）对通电电位与断电电位大小关系的影响？（1）当电流从外界流入结构物时（相当于从参比电极流向管道，图示顺时针），测试的通电电位比断电电位负。这也是生产日常中遇到的绝大多数情况，因为管道吸收阴保电流。阴极线和参比线连万用表测管道电位时，阴极线中电流也是顺时针方向，用阴极线测试的通电电位比用零位线测试的负。这两电流都不经过电压表。（2）当电流从结构物流向外界时（相当于从管道流向参比电极，图示逆时针），测试的通电电位比断电电位正。一、阴保必要理论5.4关于IR降的结论6.阴极保护标准GBT21447-2018《钢质管道外腐蚀控制规范》标准规定：①管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位）应为-0.85VCSE或更负。②阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1.2VCSE更负。③在土壤电阻率100Ω·m至1000Ω·m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-0.75VCSE；在土壤电阻率ρ大于1000Ω·m的环境中的管道，阴极保护电位宜负于-0.65VCSE。特殊考虑④以上准则难以达到时，可采用阴极极化（负向极化）电位差大于100mV的判据。一、阴保必要理论科学家经过多年的研究与实践，发现碳钢结构不论在何种环境下，最负阳极电位不会比-0.85VCSE更负，所以将-0.85VCSE定义为碳钢结构的最小保护电位。阴极保护基本原理是使被保护金属作为阴极，对其施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，该金属表面的电化学不均匀性得到消除，腐蚀得到有效抑制，达到保护的目的。根据提供电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种。结构物最阴极性的点首先极化阴极保护电流从一个外部阴极保护系统阳极经过电解质施加到金属上，降低了阴极点和阳极点之间的电位差。当外加电流等于或大于腐蚀电流时候，金属腐蚀就受到了抑制。7.阴极保护理论一、阴保必要理论8.1

强制电流的阴极保护形式8.阴极保护理论

恒电位仪外加电流阴极保护：它是由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化，达到阴极保护的目的。它由辅助阳极、参比电极、恒电位仪和相关的连接电缆所组成。工作回路：阳极+阴极测量回路：参比+零位接阴一、阴保必要理论高硅铸铁阳极零位接阴阳极反应：Mg-2e-→Mg2+阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

2H2O+2e-→H2+2OH-镁阳极锌带牺牲阳极阴极保护：它是由一种比被保护金属电位更负的金属或合金与被保护的金属电连接所构成。在电解液中，牺牲阳极因较活泼而优先溶解，释放出电流供被保护金属阴极极化，实现保护。8.2

牺牲阳极的阴极保护8.阴极保护理论一、阴保必要理论阴保主要设备第二部分汇报内容1.饱和硫酸铜参比电极二、阴保主要设备既然管道电位是管道综合电极电位和参比电极电位的相对差值，那么参比电极电位准确无误，对管道电位测量十分重要。公司标准《埋地钢质管道阴极保护系统运行监控管理规定》：4.2.8所属各单位每年应在自然电位测量停机期间检查长效参比电极的有效性，并采用经校准的便携式参比电极对其进行校核，当差值超过±20mV时，应考虑更换。阴极保护系统异常时，应及时检查长效参比电极。基本结构现场校核方法：校核对象：主要是针对区域阴保各测试点配套的长效参比，以及恒电位仪馈流点配套的长效参比。准备新饱和硫酸铜参比一支，用于作校核基准。视站场区域测试箱或测试桩到长效参比管的距离准备连接导线。关闭线路和区域的所有阴保电源（消除I），打开参比PVC管盖帽，将校准参比电极放置在PVC管底部土壤上，尽可能拉近校核参比和待测试参比的距离（消除R）。用万用表直流电压档红黑表笔连接两参比，记录读数。1.饱和硫酸铜参比电极二、阴保主要设备2.恒电位仪（青岛雅合）2.1

设备外部结构正

面操作面板显示屏二、阴保主要设备2.恒电位仪（青岛雅合）2.1

设备外部结构零位线（接馈流点）参比线（接长效参比电极）阳极线（接辅助阳极）阴极线（接汇流点）通信线设备电源开关接地线（机壳接地）扇热风扇出风口二、阴保主要设备2.恒电位仪（青岛雅合）2.2

恒电位仪的检测二、阴保主要设备控制电位：-1.25V，恒电位模式的预置电位。输出电流：0.788A，指恒电位仪阴阳极之间的回路电流。关机拆掉恒电位仪的阳极线缆，万用表调节成直流电流档且表笔选择相应测试孔，用红笔接阳极接线柱、黑笔接拆下来的阳极电缆，开机等恒电位仪工作稳定后，用万用表测试的电流和恒电位仪显示电流对比。输出电压：3.165V，指恒电位仪阳极和阴极之间的电压。用万用表红笔接阳极、黑笔接阴极，万用表选择直流电压档，用万用表测试的电压和恒电位仪显示电压对比。保护（参比）电位：-1.25V，指参比电极线和零位接阴线之间的电位，用万用表黑笔接参比电极、红笔接零位接阴，选择直流电压档，用测试的电位和恒电位仪显示电位对比。2.恒电位仪（青岛雅合）2.3

恒电位、恒电流和恒电压二、阴保主要设备当参比电位负于预置电位时，恒电位仪减小输出，使参比电位正偏直至与预制电位相等。当参比电位正于预置电位时，恒电位仪增大输出，使参比电位负偏直至与预制电位相等。恒电位恒电流就是固定预制电流运行。恒电压就是固定预置电压运行。2.恒电位仪（青岛雅合）2.3

恒电位、恒电流和恒电压二、阴保主要设备提醒1：需要调节恒电位仪模式参数或者关机时，首先按下操作面板上的停止键。提醒2：恒电压模式在菜单-1.工作模式里面2.恒电位仪（青岛雅合）2.4

测试模式二、阴保主要设备用于粗略观察断电参比电位，在菜单-6.测试设置里面，设置通12S、断3S。恒位测试步骤：（1）先将设备打到恒电位模式，按下“停止”。（2）进入菜单调整好通断持续时间，再返回工作界面。（3）按下“测试”按键，测试指示灯亮，设备转入断电测试工作状态。观察运行指示灯和停止指示灯交替点亮，运行指示灯亮12秒，然后停止指示灯灯亮3秒。（4）要求人工停止测试，可以再次按下“测试”按键。2.恒电位仪（青岛雅合）2.5

设备自我保护二、阴保主要设备青岛雅合的IHF恒电位仪220V交流供电，额定输出电压50V，额定输出电流20A，参比电位输入在：0至-3000mV之间温度保护：恒电位仪机箱内温度达到65℃，风机全速运行；温度达到85℃时，恒电位仪自动停机降温。保护条件恢复到正常时，设备自动转入正常运行状态。电网保护：交流恒电位仪的保护：当电网电压超出额定±30%时，恒电位仪停止运行。保护条件恢复到正常时，自动转入正常运行状态。限定保护：输出电压最大为额定输出电压×110%；输出电流最大为额定输出电流×110%；参比电位限定-3000mV~0mV或-2500mV~1000mV（二者选一）。防雷击保护：在恒电位仪的输入、输出、参比端有防雷击保护措施。参比抗干扰保护：在参比端设有参比抗干扰保护，能保证参比端稳定工作。2.恒电位仪（青岛雅合）2.6

限定保护（设备报警R/C/V/T）二、阴保主要设备（该页图片数值存在问题，看文字就行，后期更正）电位超限报警：如果控制电位超过预置电位±50mV时，仪器显示电位超限报警，液晶屏状态栏显示“R”。恒电位模式R报警，持续三十秒，自动跳到恒电流模式。电流超限报警：如果输出电流超过额定电流的105％时，仪器显示电流超限报警，液晶屏状态栏显示“C”。电压超限报警：如果输出电压超过额定电压的105％时，仪器显示电压超限报警，液晶屏状态栏显示“V”。温度过高报警：如果机内温度过高，系统将由于温度保护而自动停机，停机同时，仪器显示温度过高报警，液晶屏状态栏显示“T”。由于温度过高报警时，系统因温度保护停机，一般会导致参比电位达不到预置电位，因此，此时将有两个报警同时显示。(所有报警都是声光报警，并在液晶屏上显示报警的原因)3.智能测试桩（北京安科）二、阴保主要设备3.1

产品类型老型号将采集仪放在测试桩内部，采用电池供电，可从测试桩上部拆下设备进行更换电池。后续型号换成太阳能供电，或风光互补供电。3.智能测试桩（北京安科）二、阴保主要设备3.2

模块组成太阳能板风机风力发电机充电控制器：风机交转直接风机交流电接太阳能直流电试片有3个：试片1，面积6.5cm2，测通断电位；试片2，面积1cm2，测交直流电流密度、交流干扰电压；试片3（辅助试片），测自腐蚀（自然电位）试片，独立的没跟管道连上。接管道接参比电极采集仪：里面有试片通断电开关，计算采集数据，供电7.2V以上就能工作风光互补中心：风机转换后的直流电和太阳能直流电进入该模块对蓄电池进行充电，再由蓄电池输出给采集仪供电天线：4G远传因为太阳能和风机发电量都是变化，蓄电池在9-26V都能进行充电。（参考）常见的大太阳大风情况：太阳能1号输入是24V，风机2号输入21V，3号设备输出22V。1233.智能测试桩（北京安科）二、阴保主要设备3.2

模块组成归纳智能桩由2部分组成（1）供电部分：1.风机输出三相交流电，进入风力发电机充电控制器，将交流电转化为直流电，内置小型直流蓄电池，缓存直流电，再进入风光互补控制中心；2.太阳能板直接输出直流电，直接进入风光互补控制中心；3.风光互补控制中心：内置蓄电池给采集仪供电。（2）数据采集传输部分：1.采集仪：有5个信号采集端子。分别是管道、参比电极、试片1.2.3，试片与管道在采集仪内相连。试片1与参比电极测试通断电位，断电是将管道与试片1断开。试片2测交直流干扰电流密度，流经试片的电流量/试片面积。试片3与参比电极测自然电位。2.远传4G。3.智能测试桩（北京安科）二、阴保主要设备3.3

测试要点若远传数据有异常：测试智能桩参比校核，管道跟参比，试片1跟参比，试片3（自腐蚀）跟参比，将测试结果跟阴保平台数据进行对比。若无远传数据：1.4G卡是否欠费；2.测试风光互补中心的3个直流电压测试点。123风机输入21.71VDC太阳能输入22.01VDC控制中心输出0VDC风机和太阳能直流电输入都正常，风光互补控制中心输出为0，即采集仪得不到供电，阴保平台各项数据都显示0，维修或更换互补中心4.固态去耦合器二、阴保主要设备4.1

结构4.固态去耦合器二、阴保主要设备4.2

大致工作原理1.固态去耦合器正极接地网，负极接管道；2.电感线圈：对高频电流起高阻碍作用，常见的50Hz感应交流电可以通过。对于高频雷电感应电呈现较大的阻抗；3.火花隙：排放雷电引起的管道大电流，雷电引起的管道电流具有电压大、频率高的特点，在遇到电感阻碍后，打开火花隙，经接地极排放，保护电容和二极管不被击穿，过电压（浪涌）保护；4.电容：通交流隔直流。5.二极管：单向2V导通电压，对称型。4.固态去耦合器二、阴保主要设备4.2

大致工作原理1.对于交流电：因为交流电不论电压大小，随时都可以经电容进出固态去耦合器，交流排流功能是随时在线。2.对于直流电：假定锌带接地，电位恒定-1.1VCSE，去耦合器电路由管道到地床为电流正方向，管道受直流杂散电流干扰。1号二极管2V导通，表示管道电位-锌带电位=2V，也就是说此时管道电位要=+0.9VCSE时，1号二极管导通，正向排放直流电；2号二级管2V导通，表示锌带电位-管道电位=2V，也就是说此时管道电位比锌带-2V，即管道电位=-3.1VCSE。3.总结：管道电位正于+0.9VCSE和负于-3.1VCSE管道生产中很难遇到（直流难导通），所以固态去耦合器又叫交流排流设备，装有固态去耦合器的排流桩一般安装在交流杂散电流密度大的位置。214.固态去耦合器二、阴保主要设备4.3

测试项4.固态去耦合器二、阴保主要设备4.3

测试项1.桩体安全电压测试①由于排流器中可能存在高电压，漏电至桩体，在测试之前应先对排流桩体的电压进行测试。②戴绝缘手套，万用表直流电压档，黑表笔连参比电极，红表笔连桩体裸露金属部分，若桩体不带电，则桩体金属为自然电位大致-0.6VCSE，即为万用表读数。再测试交流电压，应该为0VCSE。③测试完毕后，确认桩体不带电，取下绝缘手套，开始打开排流桩外箱体。4.固态去耦合器二、阴保主要设备4.3

测试项2.排流器接通状态测试①打开箱体后，先外观检查，查看固态去耦合器外观，以及各接线是否正确，检查无误后。（接通状态测试过程，建议全程戴上绝缘手套）②在排流器接通时，分别测试管道侧和地床测的直流电位和交流电压。此时测试的数据不用记录，只