（机械设计及理论专业论文）埋地钢质管道管中直流电位测试技术研究.pdf

摘硬 摘要 管道作为输送石油、天燃气等能源的安全经济的手段在全世界范围内得到了 广泛应用。管道运输业已经成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大行业 之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。随着管线运行年限的 增长以及人为破坏或施工缺陷和腐蚀等问题的存在，造成管道外覆盖层失效，进 而引起管体腐蚀，造成管体开裂、穿孔等事故的发生，造成巨大的经济损失和人 民生命财产损失。影响埋地钢质管道系统可靠性和使用寿命的关键因素是管道金 属腐蚀。为了做好防腐蚀工作，各国管道工作者采用涂层和电化学方法进行防腐 保护。我国长输埋地管道也已采用了这两种防护技术。 阴极保护常采用牺牲阳极法和外加电流法。在研究现有的文献，建立了牺牲 阳极管地电位分布的数学模型；通过室内模拟实验，研究了土壤环境对保护电位 的影响和在覆盖层有破损的情况下电位分布情况，并建立了实验模型。运用 a n s y s 仿真软件，对牺牲阳极阴极保护的埋地管道进行了有限元分析，验证了 理论模型的合理性。以室内模拟实验为基础，参考已有的8 5 0 m v 准则，提出了基 于实验的牺牲阳极阴极保护有效性评价的技术与方法。 利用小波变换理论对阴极保护埋地管道通电电位和断电电位等检测信号进 行处理，根据小波去噪及统计分析理论和小波阈值降噪方法对现场检测的管地电 位信号进行处理，消除了噪声对管地电位的影响，还原了真实信号数据，能够对 外覆盖层缺陷进行的定量检测与准确定位。 在上述研究基础上，开发了牺牲阳极阴极保护下埋地钢质管道外覆盖层质量 评价系统。详细介绍了软件系统的主要功能模块以及实现方法，并对软件系统进 行了工程验证。实践表明，软件操作简便、定位准确、分析评价结果合理。 关键词：牺牲阳极；理论模型；实验室模型；a n s y s 仿真；有效性评价 北京_ t 业人学硕i 学位论文 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! 曼! ! ! ! 1 1 一i ；i 皇! ! 曼! 曼皇曼皇曼皇皇量皇曼喜曼量皇曼旨 a b s t r a c t a sas e c u r ea n de c o n o m i c a lm e a n so ft r a n s p o r t i n gc r u d eo i la n dg a s ，p i p e l i n e sh a v eb e e n u s e da l lo v e rt h ew o r l d t h ei n d u s t r yo fp i p e l i n et r a n s p o r t i n gi so n eo ft h ef i v eb i g g e s ti n d u s t r i e s i n c l u d i n gr a i l w a y , h i g h w a y , a i r , w a t e rt r a n s p o r t a t i o n ，a n di tp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n t h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dt h ei n d u s t r i e so f n a t i o n a ld e f e n s e d u et ot h ei n c r e a s eo fr u n n i n gt i m eo fp i p e l i n e s ，t h ed e t r i m e n t ，d e f e c td u r i n gc o n s t r u c t i o n ， c o r r o s i o n ，t h e c o a t i n go fp i p e l i n ei ss e v e r e l yi n v a l i d a t e d c o n s e q u e n t l y , t h ea c c i d e n t s ，s u c ha s b r e a ka n dp e r f o r a t i o n ，c a u s eg r e a tl o s s e so fe c o n o m ya n dl i v e so fp e o p l e s ot h ee x t e r n a l c o r r o s i o no fs t e e li so n eo ft h em o s tk e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h er e l i a b i l i t ya n dl i f eo ft h eb u r i e d p i p e l i n es y s t e m t om i t i g a t ec o r r o s i o n ，ac o m b i n a t i o ns y s t e mo fp r o t e c t i v ec o a t i n ga n dc a t h o d i c p r o t e c t i o ni sw i d e l yu t i l i z e d t h e s ep r o t e c t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e nw i d e l yp u ti n t ou s ei n l o n g d i s t a n c ep i p e l i n ed o m e s t i c a l l y n o r m a l l yc a t h o d i cp r o t e c t i o ni sa c q u i r e db ys a c r i f i c i a la n o d e sa n di m p r e s s e dc u r r e n t b a s e d o ns t u d y i n gh o m ea n da b r o a dd o c u m e n t sa n dt h ee x i s t i n gt h e o r yo fs a c r i f i c i a la n o d e s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp o t e n t i a ld i s t r i b u t i n gp r o t e c t e db ys a c r i f i c i a la n o d e si se s t a b l i s h e d r e s e a r c ha b o u td i s t r i b u t i o no fp r o t e c tp o t e n t i a li n f t u e n t e db ys o i le n v i r o m e n t s a n dt h ed i s t r i b u t i o n w h e nc o a t i n gi sd a m a g e d b a s e do nt h i sr e s e a r c h ，l a b o r a t o r ym o d e li se s t a b i s h e d a n s y si su s e dt o d of m i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rp r o v i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r ym o d e la n dl a b o r a t o r ym o d e l b y r e f e r r i n gt o8 5 0 m vr u l ea n de x p e r i m e n t ，t h ee v a l u a t i o no fe f f e c t i v e n e s sp r o t e c t e db ys a c r i f y i n g a n o d e sw a sp u tf o r w a r d t h et h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r mi sa p p l i e dt op r o c e s st h ed e t e c t i o ns i g n a l so fo np o t e n t i a l a n do f fp o t e n t i a l p i p e l i n e - s o i lv o l t a g e sd e t e c t e d b yi n s t r u m e n t s ，a r ep r o c e s s e db yw a v e l e t t h r e s h o l dd e - n o i s i n gm e t h o d ，a n dt h en o i s ee f f e c t st ot h ep i p e l i n e - s o i lv o l t a g e sa l ee l i m i n a t e d t h u st h er e a ls i g n a ld a t ai sr e s t o r e d t h ef e dd e t e c t i o no fd a m a g e dp o i n to nt h ec o a t i n gi s r e s e a r c h e da n dt h em a n n e rh a sb e e ne x p e r i m e n t e di nt h ee n g i n e e r i n g ，a l lt h er e s u l t sm e n t i o n e d h a v eb e e na p p r o v e dp r e t t yw e l lb ye n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t s t h eo p e r a t i o n a ls o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e dt h a tc a nb eu s e df o re v a l u a t i n gq u a l i t y c o n d i t i o no ft h e b u r i a ls t e e lp i p ec o a t i n gp r o t e c t e db ys a c r i f i c i a la n o d e s i t sm a i nf u n c t i o n a l m o d u l e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i la sw e l la st h e i ri m p l e m e n t a t i o nm a n n e r s t h es o f t w a r es y s t e mi s a p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n ga n dt h es y s t e mi sc o n v e n i e n tt oo p e r a t e ，t h ed a m a g e dp o s i t i o n i s a c c u r a t et ol o c a t ea n dt h er e s u l to fa n a l y s i sa n de v a l u a t i o ni sr e l i a b l e ，w h i c hc a nm e e tt h en e e d so f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s a c r i f i c i a la n o d e ；t h e o r ym o d e l ；a n s y s ；v a l i d i t ye v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：越吼扯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：竖导师签名：j 塑址日期：业 鹚1 亭绪论 ! 笪曼舅曼曼曼曼曼臭曼曼曼! ! ! 曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼笪曼曼蔓曼曼! ! ! ! 曼! 曼! 曼! ! ! 曼曼! ! 曼! ! 曼! ! 曼 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 管道作为大量输送石油、燃气等能源的安全经济的手段在世界各地得到了广 泛应用。管道运输业已成为与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一 【l 】。与其它的运输方式相比，管道输送具有突出的优点，如管道运输是连续运输， 输送量大；投资省、见效快；安全性高；损耗小，效率高等【2 】。 随着油气资源的开发以及能源市场的需求量的增加，管道运输在世界范围内 得到了飞速发展。在对流体的输送方面，管道运输有着的突出优势，已经形成地 区性的、全国性的甚至国际性的大型油气输送管网【3 】。前苏联1 9 6 4 年建起第一条 友谊输油管，油管直径1 0 2 0 m m 全长5 5 0 0 k m ，1 9 7 7 年又修建了第二条友谊输油管 直径1 2 2 0 m m 全长4 4 1 2 k m 两条管道共建4 4 座输油站。1 9 8 3 年投产的阿拉伯东西原 油管道全1 2 0 2 k m 管径1 2 2 0 m m 年输能力l 亿多吨耗资2 4 亿美元【4 1 。 在管道的规划、设计、施工、操作以及维护的各个阶段，都要根据相应的法 规采取安全措施。随着管线数量的增多、管道使用年限的延长，由于施工缺陷、 腐蚀和人为破坏的存在，管道事故频频发生给人们的生命财产和生存环境造成了 巨大的威胁，引起世界各国的高度重视【5 】。 统计资料表明世界上总管网的5 0 已经用- ； 3 0 年甚至更长时间1 6 】。我国东部 输油管道事故的统计，2 1 3 的国内输油管道事故是由管道腐蚀引起的。四川天 然气输送干线中2 0 的管道泄漏、破炸事故是由管材腐蚀引起的【7 1 。据美国国家 输送安全局统计，美国4 5 管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和 集气干线的泄漏事故中，有7 4 是腐蚀造成的。1 9 8 1 1 9 8 7 年，前苏联输气管道 事故统计表明，总长约2 4 万千米的管线上曾发生事故1 2 1 0 起，其中外腐蚀5 1 7 次， 占全部事故的4 2 7 例。 阴极保护是对管道的有效运输和安全性维护的一个有效手段。管道的阴极保 护，有强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种。对于强制电流阴极保护技术 的研究已经非常深入，而牺牲阳极阴极保护的理论研究还处于起步阶段。目前在 土壤环境的电阻率较低、网管密布、无电流源的环境中，大多用牺牲阳极阴极保 护。它们的安装比较简单，对邻近构筑物的影响很小。所以，研究牺牲阳极阴极 保护下埋地钢质管道管地电位分布及保护的有效性，为进一步合理有效的利用牺 牲阳极进行阴极保护打下基础。 1 2 埋地钢质管道腐蚀原理以及防腐技术 18 2 3 年英国的d a v y 在研究木制舰船铜包皮海水腐蚀时采用s n ，f e 和z n 进行对铜的保护试验，是阴极保护的最早报道。2 0 世纪5 0 年代以后，阴极保护 北京t 业人学硕l j 学位论文 技术得到了迅速发展，应用领域不断扩大。我国对阴极保护技术的研究和开发利 用起步于新中国成立以后，某些方面己接近或达到国际先进水平【9 】。 1 2 1 埋地管道腐蚀原理 按腐蚀机理划分，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。电化学腐蚀是最普遍的腐 蚀现象，在电化学腐蚀过程中，同时存在着两个相对独立的反应过程：阳极反应 和阴极反应，并有电流产生。油气管道在土壤中的腐蚀就属于电化学腐蚀，腐蚀 过程中，高能态的单质铁与土壤中的氢离子或氧等相互作用，发生氧化还原反应。 阳极过程是单质铁失去电子变为离子转移到介质中，发生氧化反应。阴极反应则 为介质中离子( 氢离子或氧) 吸收电子的还原过程。其过程如下式： 阳极反应f e _ f e 2 + + 2 e 阴极反应 2 h + + 2 e _ h 2 下( 酸性溶液中) 0 2 “h + + 4 e - - - ，2 h 2 0 ( 酸性溶液中) 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e - - - * 4 0 h ( 中、碱性溶液中) 按腐蚀环境分类，可分为大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀以及化学介质腐蚀。 在天然水体和土壤腐蚀中值得一提的是生物腐蚀。微生物的代谢活动会直接或间 接地影响腐蚀过程，使金属受到破坏。与腐蚀有关的微生物有嗜氧菌和厌氧菌两 类，而且名目繁多，但主要是硫酸盐还原菌( s r b 为厌氧菌) 和广酸菌( a p b ) 。 比如硫酸盐还原菌将可溶的硫酸盐转化为硫化氢，并和铁作用生成硫酸亚铁，使 土壤中h + 浓度增大，阴极反应过程氢的极化作用加强，加速了腐蚀作用，往往 导致管道防腐覆盖层发生较大面积的鳞片状剥落乃至腐蚀穿孑l 2 , 1 0 , l l 】。 1 2 2 埋地钢质管道腐蚀防护技术 防止金属腐蚀一般采用的技术有：合理的设计、正确选用金属材料、改变腐 蚀环境、采用耐腐蚀外覆盖层、电化学保护和采用耐腐蚀非金属材料代替金属材 料。对于埋地钢质管道，应用最广、最为直接有效的保护方法主要是：外加覆盖 层和阴极保护的联合防腐技术。 1 2 2 1 埋地钢质管道的外覆盖层发展及类型 作为管道外覆盖层的最基本要求有：电绝缘性、耐击穿电压、抗阴极剥离、 抗冲击、抗弯曲、与管壁良好的粘结、耐老化性、耐化学稳定性、耐水性、耐热、 耐低温、易修补、经济性。 早期的管道覆盖层为沥青型，2 0 世纪初已得到应用，3 0 年代已很普及，随 着现代技术的发展，覆盖层有了很大的进步，到5 0 , - , 6 0 年代，各种类型的覆盖层 已开始出现。 按国家来分，以美国为代表的西方国家早期采用的是煤焦油沥青，而前苏联 和德国等多采用石油沥青，6 0 年代美国开发了粉末材料，而在欧洲这个时期聚 第l 节绪论 乙烯( p e ) 材料有了很大的发展，使得p e 夹克覆盖层占了统治地位，7 0 年代末 粉末加夹克的三层结构问世，并得到了很大的发展【1 0 】。 我国现役管道的外覆盖层基本上以石油沥青为主，到了7 0 年代少量的p e 夹克和胶带开始应用，9 0 年代煤焦油得到推广，环氧粉末进入工程应用阶段。 1 9 9 5 年开始新建的管道外覆盖层基本上使用三层p e 结构。 目前我国主要的几种管道覆盖层类型及其特点有： 1 ) 石油沥青覆盖层【1 2 】 石油沥青外覆盖层是一种传统的防腐层，它有石油沥青层、加强玻璃布以及 外保护的聚氯乙烯膜组成。石油沥青外覆盖层具有优良的防水性能，价格便宜及 对多种物体粘结性好的特点，并且技术成熟，施工简单，在早期大量使用，由于 其较经济，现在的部分管道依然采用此种防腐层。石油沥青外覆盖层的缺点是温 度依赖性大，高温软化，易熔融，低温下变脆，冲击时易产生龟裂，易老化等。 2 ) 环氧煤沥青覆盖层【1 3 】 环氧煤沥青是以环氧树脂和煤焦油沥青为基料，加热混溶，添加适量溶剂、 防锈颜料、填料和固化剂混合研磨而成。具有优良的耐水性、耐药性、防腐性和 良好的粘结力，机械强度高，绝缘性好。其缺点是覆盖层较薄，对钢表面处理、 环境温度和湿度较严，固化时间长，一般需要2 4 小时以上。 3 ) 煤焦油瓷漆覆盖层【l o 】 煤焦油瓷漆具有很强的抵御细菌、碱类与其它化学物侵蚀的能力，有很好的 机械强度。与石油沥青相比，其孔洞较少，吸水率低，防水性很好，抗老化性好。 其缺点是抗土壤应力与热稳定较差，与阴极保护的相容性不好。实践证明，煤焦 油瓷漆的使用寿命大约为石油沥青的3 4 倍，可达5 0 年，因此其应用前景较好。 4 ) 环氧粉末覆盖层【l o 】 环氧粉末覆盖层是2 0 世纪6 0 年代出现的，它是通过静电喷涂的方法，将粉 末喷涂到经预处理过的管道表面，在管体表面发生固化反应，形成一层致密的防 腐层。该覆盖层耐腐蚀性好，对环境污染小，对管体粘着力好，耐阴极剥落，抗 冲击性、韧性、耐温性好，防水性、电绝缘性好，损伤易发现，易修补。其主要 缺点是膜较薄，易受外伤，易出现砂眼，生产技术要求高，设备也较复杂，野外 施工难度大。 5 ) 聚乙烯覆盖层f l o 】 聚乙烯覆盖层有两层材料组成，底胶层和聚乙烯层。它具有良好的耐冲击、 硬度高等物理和机械性能，化学稳定性好，温度适用范围广。在低温下具有比其 他材料更优良的弯曲性和耐冲击性。其缺点是剥离后易发生阴极电流屏蔽，粘接 性差，主要应用于较小口径的管道。 6 ) 三层p e 覆盖层【l o 】 北京t 业大学硕 ：学位论文 钢质管道三层p e 外防腐结构是上世纪八十年代初由美国、加拿大、欧洲开 发的新型管道外防腐涂料，目前倍受国际管道界的重视，现已越来越多地应用于 油、气、水金属管道的防腐工程上。埋地钢质管道三层p e 外覆盖层结构由底层 环氧粉末( f b e ) 、中间层( a d ) 和外层聚乙烯( p e ) 三部分组成。环氧粉术具有良好 的附着性能、抗化学性能和抗阴极剥离性能，而且由于耐热性能好、转换温度高， 可在高温运行条件下使用，因此将其作为底层或第一层，与金属表面直接地粘结 在一起。三层防腐涂料中的胶粘剂中间层的使用目的是把环氧树脂底漆层和聚乙 烯表层牢牢地结合在一起，形成统一的整体。聚乙烯表层的作用是为整个涂层提 供良好的抗冲击性能、很低的水渗透性和较好的耐温性，此外其环境应力开裂的 耐受力也很好。三层p e 外覆盖层具有良好的物化性能、电绝缘性能、防止和耐 化学侵蚀性能，以及较高的强度、抗冲击性能等，是当今埋地钢质管道外覆盖层 中最理想的防腐结构。 1 2 2 2 埋地钢质管道的阴极保护技术 埋地钢质管道的阴极保护分为两种方法：外加强制电流阴极保护和外加牺牲 阳极阴极保护，强制电流阴极保护在各种长距离埋地钢质管线的保护中得到广泛 应用；牺牲阳极阴极保护适用于短距离、外覆盖层较完好的埋地钢质管线。由于 牺牲阳极阴极保护不需要任何电网的电源、安装比较简单、对邻近结构物的影响 很小。所以，在地下管网交错的地方，管道外覆盖层较完好，短距离保护的条件 下被广泛使用。 1 ) 外加电流法 外加电流法又称强制电流法。它是由外加的直流电源直接向被保护金属构筑 物施加阴极电流使其发生阴极极化，达到保护钢质管体不被外界土壤环境腐蚀的 目的。它由辅助电极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。外加电流 法具有：输出电流连续可调、保护范围大、不受环境电阻率的限制、保护装置寿 命长以及工程越大越经济等优点。强制电流阴极保护的保护示意图，如图1 1 所 不o 2 ) 牺牲阳极法 牺牲阳极阴极保护与强制电流阴极保护的原理相同都是通过外加阴极电流 极化来实现的。不同之处是牺牲阳极阴极保护是在被保护金属构筑物上联结一个 电位更负的金属或合金作阳极，依靠它不断溶解所产生的阴极电流对金属进行阴 极极化。牺牲阳极法是一种较古老的保护方法。最早d a v y 提出用锌块来保护船 舶，以后逐步推广到港湾设施，地下管道和化工机械设备等方面。牺牲阳极法具 有电流分散能力好，不需要外加电源和专人管理，输出的电流量远小于强制电流 提供的电流量所以不会干扰临近金属设施，施工方便等优点。因此，目前在阴极 保护中使用非常广泛。在某些场合( 例如没有外加电源) ，只能采用牺牲阳极法 筇1 幸绪论 ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! 曼! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 阴极保护。牺牲阳极阴极保护示意图，如图1 - 2 所示。 辅助阳极地床 图i - 1 强制电流阴极保护示意图 f i g 1 - 1t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho fi m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o n 1 牺牲阳极2 有外防腐层的管道3 饱和甘汞参比电极4 试片5 土壤溶液 图1 2 牺牲阳极阴极保护示意图 f i g 1 2t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho fs a c r i f i c i a la n o d ec a t h o d i cp r o t e c t i o n 3 ) 两种保护方法的比较【1 4 】 牺牲阳极法和外加电流法各有其优缺点，在某些场合下，可能采用牺牲阳极 法的优点多些，而在另外场合下，则采用外加电流法可能更合适。在选择两种方 法时主要考虑的因素有：保护构筑物的表面覆盖层状况，工程规模的大小，环境 条件，有无利用的电源以及经济性等。牺牲阳极与外加电流之间的比较如表1 1 所示。 1 2 3 牺牲阳极阴极保护技术 采用牺牲阳极进行阴极保护是异种金属腐蚀电池的应用。当钢质管线和电位 序更高的金属电性连接，并且两者均放置在同一导电电解质中时，更活泼的金属 将会产生腐蚀并且在这个过程中会排出电流，使得电位序低的金属得到保护。对 于管线的阴极保护，牺牲阳极通常用于需要保护电流量较小的场合。牺牲阳极按 形状分为带状牺牲阳极和块状牺牲阳极，带状牺牲阳极只适用与土壤电阻率高于 1 0 0 f f 2 m 的环境下，适用范围有限；块状牺牲阳极阳极适用于5 0 q m 以下的土壤 北京t 业人学硕i j 学位论文 环境中，尤其是2 0 f 2 m 左右的土壤环境中，国内的土壤环境绝大部分是在5 0 f 2 m 以下，所以在块状牺牲阳极的应用范围更广【2 , 1 4 】。 作为牺牲阳极材料，金属或合金必须满足以下条件l l 5 j ： 1 ) 电位足够负，可供应充分的电子使被保护金属设备发生阴极极化。但是 电位又不宜太负，以免在阴极区发生析氢反应，损伤被保护体表面有机涂层及石 灰覆盖层，或引起被保护会属的氢脆，牺牲阳极的电位与保护电位之差称为驱动 电位。一般说，在导电良好的介质( 如海水) 中，要求驱动电位在0 2 5 v 左右。 2 ) 阳极的极化率要小，电位及输出电流相对稳定。 3 ) 理论发生电量要高，或者说阳极材料的电容量要大。电容量指单位重量 阳极溶解时所产生的电量，用a h g 表示，与电化学当量( g a h ) 成反比。 4 ) 必须有高的电流效率( 锌阳极和铝阳极在海水中的电流效率都大于9 0 ) ， 即实际电容量与理论电容量的百分比要大。高电流效率表示阳极的自腐蚀电流 小，金属溶解所产生的电量绝大部分用于阴极保护。 5 ) 溶解均匀，腐蚀产物松软易脱落，不粘附于阳极表面或形成高电阻硬壳。 此外，腐蚀产物应无毒不污染环境。 6 ) 材料价格低廉，来源充分，制造工艺简单。 根据以上要求，牺牲阳极材料有镁和镁合金，锌和锌合金，铝合金三大类， 它们基本性能列于表1 2 。 表1 1 牺牲阳极系统与外加电流系统的对比 t a b l e1 一lc o m p a r e n c eb e t w e e ns a c r i f i c i a la n o d ea n di m p r e s s e dc u r r e n t 牺牲阳极系统外加电流系统 ( 1 ) 不需要任何电力网的电源。( 1 ) 需要有供电干线或其他电力电源。 ( 2 ) 一般先于保护涂覆层良好的结构物，或 ( 2 ) 可应用丁许多种结构物，必要时还可用 供局部保护之用。于大型、无涂覆层的结构物。 ( 3 ) 用于十壤或水的电阻率低的环境中。( 3 ) 土壤或水的电阻率对其应用限制较小。 ( 4 ) 它们的安装比较简单，在未获得要求的( 4 ) 它的输出可以调节，故可以适应意外的 效果之前，可以继续进行补充的安装。或正在变化的一些情况。虽有此方便，但必 ( 5 ) 检查时，需要片 便携式仪器在每个阳极 需仔细设计。 上或在相邻的各对阳极之间进行检查。( 5 ) 检查时，只需在较少的若干位置上进行 ( 6 ) 需要很多的阳极。其寿命随条件的不同 检测，测试仪器一般可放在容易达到的供电 而有很大的差别。 点上。 ( 7 ) 对邻近结构物的影响很小。 ( 6 ) 一般需要的阳极数量很少。 ( 8 ) 电流输出不能控制，但是电流有一个可 ( 7 ) 对被保护结构物底床附近的其他结构物 以自动调1 了的倾向，如果条件改变使电位变 有干扰作用，但这种感染常常容易排除。 正，故电动势增大，因而电流增大，此外不( 8 ) 不论外界条件如何变化，均可实现自动 容易造成图层的破损。控制电位。 1 2 3 。1 带状牺牲阳极 带状镁阳极比锭状镁阳极的优点【1 6 1 7 1 ，如表1 3 所示。 1 ) 适用于高电阻率土壤中； 珥1 币绪论 2 ) 沿轴向方向得到均匀的保护电位和电流分布； 3 ) 同重量的带状镁阳极的表面积要比锭状镁阳极大得多，因而能提供大得 多的保护电流； 4 ) 带状镁阳极还能起到防雷和静电接地保护作用。 表1 2 三种牺牲髓 极材料的主要性能 t a b l el - 2c a p a b i l i t yo f t h r e ek i n d so f m a t e r i a lo f s a c r i f i c i a la n o d e 牺牲鼬i 极 当量电鼋电位( s c e )电流效率 材料 g - ( a h 1 1 a h g l v 镁和镁合金 0 4 5 32 2 11 55 0 锌和锌合金 1 2 2 50 8 2 1 0 5 1 0 9三9 5 铝合金 0 3 3 72 9 7 1 1 0 1 1 88 5 9 0 表1 3 带状镁阿1 极的主要化学性能 t a b l e1 - 3e l e c t r o c h e m i s t r yc h a r a c t e ro fr i b b o ns a c r i f i c i a la n o d i c 开路电位上作电位发生电量电流效率 v ( s c e )v ( s c e )a h k g 1 6 51 5 87 9 3 43 6 1 带状阳极的长度和管道等长，与管道同沟平行敷设，或者在管外呈螺旋状缠 绕阳极，每隔一定距离把阳极的钢芯焊接到钢管壁上，以确保可靠的电连接。这 样就能在整条管线上沿着管轴方向得到均匀的保护电位分布。这是带状镁阳极最 初的应用。 阴极保护的初期常常需要消耗较大的保护电流，然后随着时间而逐步降低。 为此，带状镁阳极可与锭状镁阳极组合成复合阳极使用。带状阳极的表面积相对 较大，能在短期内提供较大的保护电流，有助于阴极保护初始阶段的预极化，可 以更加充分地发挥牺牲阳极的整体效率。 1 2 3 2 块状牺牲阳极种类 1 ) 镁和镁合金 镁和镁合金牺牲阳极的特点是密度小、电位负、极化率低，单位重量发生电 量大，是牺牲阳极的理想材料，但是它致命的不足是电流效率低，一般只有5 0 左右。镁阳极的电位与钢铁的保护电位差高达0 6 v 以上，因此保护半径大，适 用于电阻率较高的土壤和淡水中金属的保护。镁和镁合金牺牲阳极有三大系列： 高纯镁、m g m n 合金和m g a 1 z n m n 合金。它们的成分和性能分别列于表1 - 4 、 l 一5 。由表1 3 可见，f e 、n i 、c u 、s i 是镁阳极的杂质。作为牺牲阳极材料，对 这些杂质要严格进行控制，否则将影响镁阳极的电化学性能。锰能提高镁的耐蚀 性，还可以抑制杂质铁的有害作用。铝和锌的加入，除能抵消杂质铁的影响外， 还可部分抵消杂质镍的作用。m g - a 1 z n m n 合金的电化学性能最好，电流效率 达5 5 ，表面溶解均匀【巧】。 北京t 业人学硕l j 学位论文 表1 4 镁阳极的化学成分( ) t a b l e1 - 4c o m p o n e n to f m a g n e s i u ma n o d i c 刚极类别 a lz nm n m g f en ic us i 高纯m g 0 0 1 0 0 0 1 0 9 9 9 5 0 0 0 2 o 0 0 1 o 0 0 1 0 0 1 0 m g m n o 0 1 00 5 0 1 3 余量 0 0 3 o o o l o 0 2 0 m g - a 1 z n - m n 5 3 6 72 5 3 50 1 5 o 0 6 余量 0 0 0 5 0 0 0 3 o 0 2 0 5 0 土壤中 发生电量a h g - 1 0 8 81 1 1 ( 0 0 3 m a 。c l l l 一2 ) 消耗率 k g a 一1 a i 1 0 o ! ，9 2 2 ) 锌和锌合金 锌是最早用于作牺牲阳极的金属( 1 8 2 3 年) ，但是长期来保护效果不甚理 想，锌与钢铁的保护电位差( 即驱动电位) 只有0 2 v ，而且杂质对锌的阳极溶 解有很大的影响。经过大量的科学研究和应用试验，才制造成功有效的锌和锌合 金牺牲阳极，开发锌阳极主要有两个途径：一是采用高纯度的金属锌 ( 9 9 9 9 5 z n ) ，严格限制杂质量；二是采用低合金化的合金，同时减少其杂质。 目前应用的锌和锌合金阳极的成分和电化学性能列于表1 6 、1 7 。由表1 - 6 看出， 铁、铜和铅是锌阳极中的有害杂质，其中铁为最有害元素，它对锌的电位和电流 效率影响很大。如果纯锌中杂质铁的含量o 0 0 1 4 ，在使用过程中阳极表面将形 成高电阻的硬壳，使锌阳极失去保护作用。在锌中加入少量的铝和镉可以在很大 程度上降低铁的不良影响。这时杂质铁不再形成f e z n 相而优先形成铁和铝等的 金属间化合物。此外，铝和镉还能使晶粒细化和腐蚀产物变得疏松易落，从而改 善了锌阳极的溶解性能l i 引。 表1 - 6 锌阳极的化学成分( ) t a b l e1 - 6c o m p o n e n to fz i n ca n o d i c 阳极类别 a lc dz nf ec up bs i 高纯z n o 0 0 5 9 9 9 9 5 0 0 0 1 4 0 空间任意点( x ，y ，z ) 的电势。设点电荷电 量为q ，引入镜像电荷g 后，在管道沿线点的电位由q 和g 共同作用产生，即由 库仑定律得： u ( x , y , z ) - - 石面q + 丽q ( 2 - 1 ) 式中 尺一点电源到参考点的距离； 尺一镜像点电源到参考点的距离； ，一两种介质的介电数。 根据唯一性定理确定镜像电荷的原则，引入点电荷在无限大接地导体平面作 用的边界条件： ( 1 ) z = 0 处，u = 0 ： 第2 幸牺 4 m 极j 极保护下岬地管道“淹f u f t 分布 ( 2 ) z 0 ，除点电源所在的点外，处处满足v 2 u = 0 。 此时，设想把无限大导电平板撤去，整个空间充满同一种介质，且在 与q 成对称的位置上，放一点电荷一口来代替原导电平板上的感应电荷。这 样g 与一g 共同作用必然使它们在对称面( z = o 平面) 为0 电位面，这就保证 条件( 1 ) 。在z o 空间，由于仍然仅在( 0 ，0 ，h ) 点有点电荷，且介电常数气也 没有变化，故除( o ，0 ，h ) 外其余所有点必须满足拉普拉斯方程，即在( o ，0 ，h ) 点，电位函数满足的是以万函数表示的泊松方程， v 2 = 孚万( x ，y , z , - h ) 这就保证了条件( 2 ) 。于是，原问题中z 0 空间的点的电位可表示为： = 去唼寺2 去谚击丽一丽甭1 丽冲国 验证如下： 当z = o 时，r 蜊卯2 扯去( 去一寺- o 当z o 时，有r o ，r o ，则v 2 ( 去) = o ，v 2 ( 去) = o 故，当z o 时 r o 处，妒扯杀降争俨( 期_ 0 由此可知，在z 0 空间，式( 2 - 一2 ) 表示的q 训) 就是原问题的解，即 u ( x , y , z ) - - 去面丢丽一面击丽( 2 - 3 ) 设阳极和管道埋设在z 0 的区域，管道和阳极的埋深都为h ，阳极点电荷 坐标为( ，a ，h ) ，管道沿线任一点的坐标为( 工，0 ，h ) 。用稳恒电场的相应物理量 替换得到的点电荷，即在阳极上去微元讲，此时该点电荷的电量即为g = i p d l 。 于是，可得该问题中，在z o 的空间里任一点的电位表达式为： 岈去c 去一扣等c 而b 一再丽1 丽心q 当上式中，= 0 时，即为阳极简化为球形时的阳极电场阳极线电荷。而对于d 形和梯形阳极，可以看成由许多个沿x 轴连续分布的点电荷组成。于是，对上式 积分，可得长l 的卧式阳极在埋地管道沿线介质中任一点的电位分布公式。 北京t 业人学硕l t 伊论文 r 错c 南一丽高丽， 亿5 ， ，告 尉磊一卜， 址= 2 ，+ 等h 、( x z + y 2 ) + _ x 广2 + ( 一2 h - y ) 2 ( 2 - 7 ) 华= 一2 万r x ( 2 - 8 ) 孕= 一足l ( 2 - 9 ) 第2 幸牺牲阳极阴极f z 护下坪地管道卣流f u f 芝分布 式中 e 一在距通电点x 处管道的测量电位与腐蚀电位之差； l 一自汇流点长为x n 管n 上n 总电流； 足一单位长度金属管道纵向电阻。 由式( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) ，得 可d2 e x = r ，( 2 r c r i 工) ( 2 1 。) 在t 很小时，管道表面的极化与覆盖层孔洞底部的实际电流密度t 成正比。 色= 向乏 ( 2 - 1 1 ) 式中 岛一常数。 假设单位面积覆盖层的电阻z 和单位面积上孔洞的总截面积成反比，实际 的电流密度将随z 的增加而增大，即 = k 2 z i x(2121x 1 2 ) = ( 2 。) 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 - 1 2 ) ，得 e = 舷屯 ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 - 1 3 ) 代入式( 2 - 1 0 ) ，得 辔= ( 牢) e ( 2 - 1 4 ) 出2、厄j p 一7 令口= ( 竺磐) 抛，称为衰减系数。 则式( 2 14 ) 可表示为 d 2 g a 2 e x = o (215)dx 一 对上述二阶常系数齐次线性微分方程求解，可得到方程的通解： g - a e a x + b 百 口1 6 ) 在一条无分支的管道沿线只有一个阴极保护装置，在汇流点处的金属电位 达到最大值，沿管线向两侧衰减，理论上在无限远处应趋于零，则可得边界条 件： 在无限远处：x - - o o ，e = o ；i = o ，e = ( o ) 其中，( o ) 为汇流点的最大保护电位( 阳极极化电位) ，v ；厶为汇流处的 保护电流。 将边界条件代入式( 2 1 6 ) ，可得： e = ( o ) 矿佩 ( 2 1 7 ) 式( 2 - 1 7 ) 表明了无限长管道金属电位分布规律。 对于有限长管道，如果不存在杂散电流的影响，两个相邻阳极组之间的管道 将受到来自两个阳极组保护电位相互叠加的作用，设这两个阳极组之| 日j 的距离为 2 l ，理论上在距汇流点三处，管道电位应为阴极保护设计所要求的最小保护电 位，即e = e m i n 在汇流点处：x = o ，i = i o ，e = = 色 在距汇流点l 处：x = ，= o ，e = 瓦i n ，筹l 树= o 将边界条件代入式( 2 1 6 ) ，可得： e ( x ) - 昂絮措 1 8 ) 式中l 一两组牺牲阳极的间距； 口一衰减系数， 瓜 舻云； 足一管道纵向电阻，q 历； r 一管道的特性阻抗，r = 足疋； 吃一管道汇流点对远大地的泄漏电阻，r l = x a i w i o 【3 】。 2 2 4 管道沿线保护电位分布 由于牺牲阳极的保护距离远小于强制电流的保护距离，在短距离内阴极电场 对电位分布的影响很小，在不影响电位分布的情况下将式( 2 1 ) 进一步简化。忽略 阴极电场的影响，块状牺牲阳极阴极保护管道沿线的保护电位分布公式可写成 色= u m ( j ) 一虬( 工， ( 2 - 1 9 ) 式中 u m ( x ) 一管道在距连接点x 处电位； 虬( 石) 一阳极电场在距连接点x 处产生的介质电位。 对于无限长管道，考虑阳极电场影响时的保护r l ! 位公式为： 疋= u m ( o ) e 一一u a ( 工) ( 2 2 0 ) 对于有限长管道保护电位公式为： = 等学“ ( 2 - 2 ) 管道阴极保护电场可以看作是管道金属电场和阳极电场的替加。实际测量的 霹：2 帚辆 牛阿l f l 乏7 月f 陵f 节移f j i l j j 旦j 西+ j 蓖l i ；毹f u 芝分布 管道阴极保护电位是管道金属电位和附近介质电位( 阳极电位) 之差，也就是管 地电位，显示了管道金属电位、阳极电位和管道保护电位的走势及其关系。假设 相应的条件为u i o ) = 1 0 0 0 m v 、l p 4 ；, r l = 4 0 0 m v 、o r = 0 0 0 8 m 、口=