埋地管道的阴极保护67526.ppt

各位学员 你们好 请关闭手机或将手机设置在振动状态 管道腐蚀与阴极保护 第三章埋地管道的阴极保护 主讲 黄维秋单位 江苏工业学院油气储运工程教研室 选用在该管道具体运行条件下的适用钢材和焊接工艺选用管道防腐层及阴极保护的外保护措施控制管输流体的成分 如净化处理除去水及酸性组分使用缓蚀剂控制内腐蚀选用内防腐涂层建立腐蚀监控和管理系统 腐蚀控制方法 油气管道腐蚀控制的基本方法 防腐层 油漆 搪瓷 复塑钢管 F4衬里 教学目的与要求 了解阴极保护简史 熟悉并掌握阴极保护原理和参数 了解实施阴极保护的基本材料 掌握强制电流阴极保护的工艺计算方法 了解并熟悉强制电流法阴极保护系统的设计过程 了解牺牲阳极材料的特性和适用范围 掌握牺牲阳极法阴极保护系统的设计 了解阴极保护参数的测量 教学内容 3 1概述 3 2强制电流法阴极保护 3 3牺牲阳极法阴极保护 3 4阴极保护参数的测量 3 1概述 阴极保护简史阴极保护原理阴极保护的方法 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 阴极保护简史 防止金属腐蚀的方法有多种 阴极保护是其中之一 由于金属在自然环境和工业生产环境中的腐蚀破坏大部分为电化学腐蚀造成 因此 阴极保护在腐蚀控制工程中占有重要地位 对金属表面施加防腐绝缘层 又称覆盖层 是一种物理防护方法 它通过金属表面的绝缘处理 使金属与腐蚀介质隔离开 这种防腐方法是有效的 但在实际工程中不可能做到绝对可靠 这是因为任何一种绝缘的涂层材料都不时能完全不透小分子 如水 氧气等 同时 钢与防腐绝缘层界面之间的物质传递也是不可避免的 再者 金属表面的防腐绝缘层在施工生产中和在运输贮存中不可能不产生缺陷 但是 阴极保护法则可以弥补防腐层的缺陷 对腐蚀反应进行积极的干预 从而更彻底的抑制腐蚀反应的发生 3 l概述 阴极保护简史 防腐层与阴极保护的同时使用称之为联合保护 联合保护使腐蚀控制手段相互补充 使腐蚀控制工程成本降低 经济合理 安全可靠 这已成为世界发达国家对地下 水中的金属结构构进行腐蚀防护的共同法规 那么 什么是阴极防护呢 它包括哪几种方法 又各使用在什么场合 这将在本章做重点介绍 3 l概述 阴极保护原理 金属在电解质溶液中 由于金属本身存在电化学不均匀性或外界环境的不均匀性 都会形成腐蚀原电池 在原电池的阳极区发生腐蚀 不断输出电子 同时金属离子溶入电解液中 阴极区发生阴极反应 视电解液和环境条件的不同 在阴极表面上析出氢气或接受正离子的沉积 如果给金属通以阴极电流 整个腐蚀原电池体系的电位将向负的方向偏移 使金属阴极极化 这就可以抑制阳极区金属的电子释放 从根本上防止金属腐蚀 管道阴极保护就是利用外加的牺牲阳极或外加电流 消除管道在土壤中腐蚀原电池的阳极区 使管道成为其中阴极区 从而受到保护 阴极保护分为牺牲阳极法与强制电流法两种 3 l概述 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 形成一个新的腐蚀原电池 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 天然气管道一般不采取专门阴极保护内腐蚀 但化工行业常采用 阴极保护原理 以外加电流的阴极保护为例 暂不考虑腐蚀电池的回路电阻 则在未通电流保护以前 腐蚀原电池的自然腐蚀电位为E 相应的最大腐蚀电流为IC 通上外加电流后 由电解质流入阴极的电流量增加 由于阴极的进一步极化 其电位将降低 如流人阴极电流为ID 则其电位降至E 此时由原来的阳极流出的腐蚀电流将由IC降至I ID与I 的差值就是由辅助阳极流出的外加电流量 3 l概述 阴极保护原理 为了使金属构筑物得到完全保护 即没有腐蚀电流从其上流出 就需进一步将阴极极化到使总电位降至等于阳极的初始电位EAO 此时外加的保护电流值为IP 此时的极化作用已使原来腐蚀电池的微电池作用完全受到抑制 总之 极化消除了被保护金属体表面的电化学不均匀性 抑制了微电池作用 又阴极极化构成了新的大地电池即保护电路 使被保护金属体成为新的大地电池的阴极 从而在其表面只发生得电子的还原反应 金属不再发生氧化丢电子的反应 腐蚀也不再发生 这是阴极保护使金属受到防护的原理 从图上可以看出 要达到完全保护 外加的保护电流要比原来的腐蚀电流大得多 这就是阴极保护的原理 显然 保护电流IP与最大腐蚀电流IC的差值决定于腐蚀电池的控制因素 受阴极极化控制时 二者的差值要比受阳极极化时小得多 因此 采用阴极保护的经济效果较好 3 l概述 阴极保护的方法 分类 本章主要介绍埋地管道的阴极保护 实现阴极保护的方法通常有牺牲阳极法和强制电流法 由于杂散电流排除过程中 在管道上保留有一定的负电位 使管道得到了阴极保护 所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法 牺牲阳极法在腐蚀电池中 阳极腐蚀 阴极不腐蚀 根据这一原理 把某种电极电位比较负的金属材料与电极电位比较正的被保护金属构筑物相连接 使被保护金属构筑物成为腐蚀电池中阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极阴极保护 3 l概述 阴极保护的方法 分类 为了达到有效保护 牺牲阳极不仅在开路状态 牺牲阳极与被保护金属之间的电路未接通 有足够负的开路电位 即自然腐蚀电位 而且在闭路状态 电路接通后 有足够的闭路电位 即工作电位 这样 在工作时可保持足够的驱动电压 驱动电压指牺牲阳极的闭路电位与金属构筑物阴极极化后的电位两者之差 亦称为有效电压 作为牺牲阳极材料 必须具有下列条件 1 电位 要有足够负电位 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 电容量单位 小时 安培 磅 例如 纯锌电容量为372小时 安培 磅 其物理意义为 牺牲一磅纯锌则可在372小时内连续向管道输送1安培的电流 3 l概述 阴极保护的方法 分类 4 电流效率 自腐蚀小 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 工业生产的金属 由于含有杂质元素而不具备理想的电化学性能 从而才发展了专用的阳极材料 常用的牺牲阳极材料有镁合金及高纯镁 高纯锌及锌合金 铝合金 高纯镁对钢的电位差可达850mv 用钝镁作牺牲阳极的实验表明 其效率低 消耗快 成本又高 现已逐渐淘汰 世界各国都采用合金化来提高牺牲阳极的性能 克服纯金属本身固有的电化学缺陷 因此 常用的牺性阳极材料大部分为合金类 即镁合金 锌合金和铝合金阳极 3 l概述 阴极保护的方法 分类 强制电流法根据阴极保护原理 用外部直流电源作阴极保护的极化电源 将电源负极接管道 被保护构筑物 将电源正极接至辅助阳极 在电流作用下 管道发生阴极极化 实现阴极保护 外加电流在管道和辅助阳极间所建立的电位差 显然可比牺牲阳极与管道间的电位差大的多 因此 它的优点是可供给较大的保护电流 保护距离长 便于调节电流和电压 适用范围广 辅助阳极的材料只要求有良好的导电性和抗腐蚀性 不消耗有色金属 其缺点是需要外电源和经常的维护管理 对邻近的金属结构有干扰 强制电流法是目前长距离管道最主要的保护方法 强制电流法的电源常用的有整流器 还有太阳能电池 热电发生器 风力发电机等 辅助阳极的常用材料有高硅铸铁 石墨 磁性氧化铁及废钢铁等 3 l概述 阴极保护的方法 分类 排流保护由于杂散电流排除过程中 在管道上保留有一定的负电位 使管道得到了阴极保护 所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法 当有杂散电流存在时 通过排流可以实现对管道的阴极极化 这时杂散电流就成了阴极保护的电流源 但排流保护是受到杂散电流所限制的 通常的排流方式有直接排流 极性排流 强制排流三种形式 各种形式都有一定的局限性 在第四章里将作详细的讨论 3 l概述 阴极保护的方法 分类 选取阴极保护方式时需考虑的因素 1 保护范围大小 大者强制电流优越 小者牺牲阳极经济 2 土壤电阻率限制 电阻率太高不宜采用牺牲阳极 3 周围金属构筑物 有时因干扰而限制强制电流的应用 4 覆盖层质量 覆盖层太差或裸露的金属表面 因其所需保护电流太大而使牺牲阳极不适用 5 可利用的电源因素 6 经济性 表3 1是阴极保护与排流保护的比较 3 l概述 阴极保护的方法 分类 3 l概述 阴极保护参数 在图3 1中 可以看到与阴极保护相关的几个参数 自然腐蚀电位 保护电位 保护电流 可以换算成电流密度 正确选择和控制这些参数是决定保护效果的关键 为了直观 定量地比较阴极保护的效果 有时还要引用阴极保护保护度参数 而在实际保护中人们仅把保护电位作为控制参数 因为它受自然腐蚀电位和保护电流所控制 而且在实践中容易操作 自然腐蚀电位无论采用牺牲阳极法还是采用强制电流阴极保护 被保护构筑物的自然腐蚀电位都是一个极为重要的参数 它体现了构筑物本身的活性 决定了阴极保护所需电流的大小 同时又是阴极保护准则中重要的参考点 3 l概述 阴极保护参数 保护电位按国标GB T10123 88的定义 保护电位为 进入保护电位范围所必须达到的腐蚀电位的临界值 保护电位是阴极保护的关键参数 它标志了阴极极化的程度 是监视和控制阴极保护效果的重要指标 1 最小保护电位 为使腐蚀过程停止 金属经阴极极化后所必须达到的电位称为最小保护电位 也就是腐蚀原电池阳极的起始电位 最小保护电位常常是腐蚀原电池微阳极的起始电位或与之近似 这是由于只有当阴极保护电源向受到腐蚀的阳极部位提供了足够的相反电流即极化电流 使之恰好抵消了腐蚀电流后 腐蚀才能停止 此时 阴极区的电位将被极化到阳极区的管地电位 金属表面电位均一 金属受到阴极保护 最小保护电位数值与金属的种类 腐蚀介质的组成 浓度及温度等有关 最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基淮 因此最小保护电位是监控阴极保护的重要参数 3 l概述 阴极保护参数 实验测定 碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为 0 85V 相对饱和硫酸铜参比电极 左右 3 l概述 表3 2一些金属的保护电位值 阴极保护参数 对于不知最小保护电位的情况 也可采用比自然电位负0 2 0 3伏 对钢铁 和负0 15伏 对铝 的办法来确定 对于一个具体的工程体系 最好通过试验来确定最小保护电位值 在工程实践中测取最小保护电位值时必须注意测量误差 我国阴极保护的实践已证明 测量到的电位值有不少已达到或超过最小保护电位的金属管道 仍然发生了腐蚀穿孔 这是因为无法将参比电极放置在金属管道与土壤接触的界面上 实际测量时 往往将参比电极放置在管道的正上方地表面 或更远的一些点上 测量电路包括了土壤的压降即国际上常称之为的 IR 降 在实测到的金属管道界面与硫酸铜参比电极间的土壤的电位差 要比金属管道界面与土壤溶液直接接触界面的电位值负 因此 地面测量达到保护电位的管道 其实际界面上并末达到保护电位值 因此 消除 IR 降的干扰 降低其引起的误差是正确评价和监控阴极保护的要考虑的因素 3 l概述 阴极保护参数 2 最大保护电位 在阴极保护中 所允许施加的阴极极化的绝对值最大值 在此电位下管道的防腐层不受到破坏 此电位值就是绝大保护电位 阴极保护电位值 并不是愈负就愈有利于金属的防护 过负的电位会产生不良作用 这就是阴极剥离 阴极剥离是由于阴极极化电流过大 造成金属表面电位过负 当此电位值达到析氢电位时 阴极表面的会在其表面上得电子 产生氢原子 从而产生析氢反应 例如在碳钢表面 当阴极极化电位达到 1 20V时 就会产生析氢 当电位达到 1 50V CSE 时将有大量氢析出 这种现象将会造成金属表面的防腐层与管道的剥离 促使防腐层加速老化 因此 阴极保护中有最大保护电位的限制 而与之配合使用的防腐绝缘层材料则有抗阴极剥离性能的要求 过保护 还会产成过多的电能消耗 3 l概述 阴极保护参数 最大保护电位值的大小通常通过试验确定 对于沥青防腐层取最大保护电位为 1 20V CSE 聚乙烯防腐层的最大保护电位可取 1 50V CSE 保护电流密度在国标GB T10123 88中 保护电流密度的定义是 从恒定在保护电位范围内某一电位的电极表面上流入或流出的电流密度 此定义适用于阴极保护和阳极保护 对于阴极保护来说只能是 流入 1 最小保护电流密度 阴极保护时 使金属腐蚀停止 或达到允许程度时所需的电流密度值称为最小保护电流密度 3 l概述 阴极保护参数 最小保护电流密度是阴极保护设计的重要参数 如选用不当 或者达不到完全保护 或者造成过保护 会使阴极保护的效果降低 或不经济 浪费多余的电能 直接从被保护金属体表面测到其所分布的最小保护电流密度是比较困难的 一般通过被保护体的总保护电流与被保护体的总面积相除来获得 最小保护电流密度的大小取决于被保护金属的种类 表面状况 腐蚀介质的性质 组成 浓度 温度和金属表面绝缘层质量等 上述条件不同 最小保护电流密度的值也不同 碳钢在不同介质中的最小保护电流密度可参见表3 3到表3 5 3 l概述 阴极保护参数 表3 3钢在不同介质中的最小保护电流密度 涂层种类不同所需的保护电流密度值不同 这是由于保护电流经阳极引入土壤 再流经绝缘层的过渡电阻不同 钢管外覆盖层的绝缘电阻值越高 所需的保护电流密度值越小 3 l概述 阴极保护参数 表3 4防腐层种类及所需保护电流密度 对于无防腐层的裸钢管 从实际工程中的经验值大约为5 50mA m2 远大于有防腐层钢管的值 因此 裸钢管采用阴报保护技术上是可行的 但经济上是不合理的 埋于土壤中的钢筋或处在混凝土结构中的钢管其最小保护电流密度经验值大约为2mA m2 3 l概述 阴极保护参数 表3 5防腐层电阻和所需保护电流密度 最小保护电流密度参数影响因素很多 数值变化很大 且在保护过程中也将随介质环境的变化而变化故只能作为参考值 设计时常常根据工程实际情况和经验取值 对于沿途土壤电阻率和防腐层质量变化较大的长距离管道 其阴极保护 常以最小保护电位和最大保护电位作为衡量标准 3 l概述 阴极保护参数 阴极保护保护度 1 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WO 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SO 埋设时间为t 检查腐蚀前后的质量损失GO WO W1俗称失重 由失重法计算检查片的腐蚀速率为 3 l概述 阴极保护参数 同理 在阴极保护状态下试样原始质量为WO 试样清除腐蚀产物后的质量为W1 其表面积为S1 埋设时间为t 此时的质量损失为 G1 WO W1 则检查片的腐蚀速率为 阴极保护保护度的计算公式如下 3 l概述 阴极保护参数 当用电流密度表示腐蚀速率时 保护度又可表示为 式中 icorr 未加阴极保护时金属的腐蚀电流密度 ia 阴极保护时金属的腐蚀电流密度 2 保护效率 通过防蚀措施相对于保护电流密度的特定类型的腐蚀电流密度减小的百分数 保护效率可由下式表示 3 l概述 式中iappl 阴极保护时外加保护电流密度 阴极保护参数 通过上述公式的比较 可以看出保护效率的概念区别于保护度 保护效率是以施加的保护电流密度作为对比量的 而保护度是以腐蚀电流密度为对比量的 由表3 6可见 随着阴极保护电流增大 腐蚀电流密度ia ia icorr 减小 阴极极化值 E 增大 保护度P不断提高 而保护效率Z却下降了 当保护度为80 时 保护效率为39 6 在达到完全保护时 ia 0 保护效率为0 27 据报道 在静止条件下 钢在海水中完全阻止金属的均匀腐蚀 阴极极化电流要超过它在自腐蚀电位 Ecorr 下的腐蚀电流的380倍 可见达到完全保护时所需能耗之大 因此达到完全保护并非是最佳保护状态 为此 应采取措施优化阴极保护参数 使能量利用合理 并达到最佳保护效果 在实际应用中 在阴极保护状态下允许管体在不大的腐蚀速度下工作 管子壁厚在设计时应能满足在此腐蚀速度下预期寿命的要求 3 l概述 阴极保护参数 表3 6阴极保护的计算指数寿命的要求 3 l概述 阴极保护准则 美国腐蚀工程师协会 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 CuSO4参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100mV 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铁构筑物的阴极保护 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 100mV极化电位准则 3 l概述 阴极保护准则 采用 100mV极化电位准则 有个基准点的问题 虽然准则在阴极极化建立或衰减过程中都可以采用 但在建立过程中由于有IR降的影响 使得100mV的精度受到了限制 故衰减过程中采用该准则比较实际 德国腐蚀专家经大量研究工作 在近一万公里的管道上进行了每五公尺一个测量数据的详细调查 耗费650万美元 在l985年的DIN30676标准中 对钢铁阴极保护准则作了下列规定 见表3 7 此准则打破了 0 85V单一不变的指标 对不同环境下 给出了 0 95V和 0 75V的指标 表3 7钢铁材料阴极保护准则 3 l概述 管道实施阴极保护的基本条件 管道实施阴极保护的基本条件 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 必须做好管道的电绝缘 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 如果没有此类装置 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 3 l概述 管道实施阴极保护的基本条件 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 3 l概述 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 3 l概述 管道实施阴极保护的基本条件 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 l概述 管道实施阴极保护的基本条件 检查片的推荐尺寸为100mm 50mm 5mm 采用锯 气割方法制取 为不改变检查片的冶金状态 气割边缘应去掉20 30mm 检查片应有安装孔和编号 编号可用钢字模打印 3 l概述 检查片常规测试周期不得小于一年 推荐为l 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 检查片之间相距300mm 一般检查片应埋设在有代表意义的腐蚀性地段 环境中 如污染区 高盐碱地带 杂散电流严重地区以及管道阴极保护范围末端 在杂散电流干扰区 应把检查片埋在直流杂散电流从管道流出的地点 3 l概述 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 电位测试桩 一般每公里设一支 需要时可以加密或减少 电流测试桩 每5 8km处设一支 套管测试桩 套管穿越处一端或两端设置 绝缘接头测试桩 每一绝缘接头处设一支 跨接测试桩 与其他管道 电缆等构筑物相交处设一支 站内测试桩 视需要而设 牺牲阳极测试桩 一般设在两组阳极的中间部位 3 l概述 管道实施阴极保护的基本条件 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 电绝缘性能及干扰方面的参数 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 3 l概述 管道实施强制电流阴极保护站构成 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法阴极保护系统的设计 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 3 2强制电流法阴极保护 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 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 过渡电阻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 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 线路上没有用绝缘法兰 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 由式 3 10 3 11 可解出沿线各处电位与电流的关系 3 2强制电流法阴极保护 在汇流点处 x 0 故汇流点一侧的电流为 二 保护范围的计算1 无限长管道的计算 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 2I0 方程式 3 10 和 3 11 物理意义 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 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 曲线的陡度决定于衰减因数 主要是防腐层过渡电阻RT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Emax 当沿线的管 地电位降至最小保护电位Emin处 就是保护段的末端 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 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 3 13 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I0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10000 m2以上 有的达20000 30000 m2 故目前按标准规范要求 在设计计算中常取防腐层的RP 10000 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 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 3 2强制电流法阴极保护 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 而前面所述最大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 强制电流阴极保护的工艺计算 3 2强制电流法阴极保护 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l2 l1 有限长管道一侧的保护长度 强制电流阴极保护的工艺计算 3 2强制电流法阴极保护 总结 有限长管道与无限长管道的保护规律比较可见 1 无限长管道的电位是按指数函数的规律变化 而有限长管道是按双曲函数的规律变化 故有限长管道电位和电流分布的变化较缓慢 其保护距离比无限长管道长 2 有限长管道消耗的电能比无限长管道少 3 有限长与无限长保护管道的保护长度均取决于衰减系数 而 值又取决于管道防腐层的质量 防腐层质量愈好 愈小 保护长度愈长 4 管道末端有绝缘法兰的计算与有限长管道的计算结果相近 故实际工作中都按有限长计算 不再另述 根据上述公式 可以估算被保护管道全线所需的阴极保护站数量及其位置 通常尽可能设在泵站或压缩机站 但必须强调指出 在上述推导过程中忽略了土壤的IR降 并认为沿线防腐层过渡电阻均匀一致 实际上在几十公里长的管道沿线 不仅土壤电阻率变化较大 防腐层质量也难能一致 故在设计中要留有一定的余地 强制电流阴极保护的工艺计算 3 增大保护范围的措施在相同条件下 通电点电位增加 保护长度就增加 但是通电点电位受管道防腐涂层阴极剥离指标的限制 即对某一材料的管道防腐涂层 其最负保护电位是一定值 超过此值 势必造成涂层的破坏 对石油沥青防腐涂层来讲 它的最负保护电位就不得超过 1 50伏 为了在不损坏管道通电点附近防腐涂层的条件下 提高通电点电位 延长管道阴极保护长度 可以利用电位迭加原理来达到这个目的 3 2强制电流法阴极保护 强制电流阴极保护的工艺计算 1 有屏蔽接地的阴极保护装置 在通电点附近的管道上连接一定数量的接地极 就构成有屏蔽接地的阴极保护装置 也可从直流电源负极直接引至屏蔽接地极上 如图3 3 1所示 当屏蔽接地连到管道上时 从阳极地床流来的部分电流 不是经过管道周围的土壤而是经过屏蔽接地进入管道流回电源负极 这就降低了该管段的阴极极化电位 此时在有屏蔽接地的管段上 通电点附近的电位偏移值回到安全数值以内 但在远离屏蔽按地的管道上管地电位的偏移值 基本上仍按曲线2分布 如图3 3 1中曲线3所示 管道阴极保护的实际长度大约等于通电点电位超过最负电位值 如图 1 6v伏 时的保护长度 因而起到延长保护距离的作用 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 2强制电流法阴极保护 强制电流阴极保护的工艺计算 2 有阴极接地装置的阴极保护 反电位装置 原理图及管地电位分布曲线见图3 3 2 当管道通电点负电位超过允许值时 外加一个反向的正电位将通电点电位的超越部分 拉回到防腐涂层安全电位以内 这样即可使管道保护电位普遍更负 延长保护距离 又不致使通电点附近防腐涂层损坏 根据试验结果表明 在一定条件下能够使保护段的长度增加30 40 应用反电位装置须注意以下几点 反电位装置必须有第二电源 阴极保护电源不可用恒电位仪 必须有保证自动切断反电位电源的设备 或不可逆线路 即不得使管道成为阳极的措施 对于涂层质量差的管道效果不理想 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I 2I0 系统的总电压为 3 2强制电流法阴极保护 强制电流阴极保护的工艺计算 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额相匹配 3 2强制电流法阴极保护 强制电流阴极保护的工艺计算 3 2强制电流法阴极保护 式中V额 额定输出电压 V I额 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 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阻的计算 3 2强制电流法阴极保护 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 屏蔽系数 查表得 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 3 2强制电流法阴极保护 上三式中RV1 单支立式阳极接地电阻 RV2 深埋式阳极接地电阻 RH 单支水平式阳极接地电阻 L 阳极长度 含填料 m d 阳极直径 含填料 m t 埋深 m 土壤电阻率 m 3 单水平式阳极接地电阻的计算 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 3 2强制电流法阴极保护 式中 由公式 3 24 计算的到 n 阳极根数 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 强制电流阴极保护的工艺计算 3 2强制电流法阴极保护 式中Rg 阳极组接地电阻 n 阳极支数 F 修正系数 查图3 7 Rv 单支阳极接地电阻 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 3 2强制电流法阴极保护 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 强制电流阴极保护的工艺计算 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 TgI 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 对某长输管道进行阴极保护设计 已知参数 L 125km 管径 材质 低碳钢 防腐层过渡电阻 自然电位 0 55V 最大保护电位 1 20V 最小保护电位 0 85V 解 1 计算保护长度 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 2 计算保护站数 3 2强制电流法阴极保护 3 计算汇流点一侧的电流 强制电流阴极保护的工艺计算 4 计算阳极接地电阻 阳极材料 废钢铁 消耗率9 1 阳极规格 长3m 8 38kg m 计算所需要阳极支数 所需阳极总重量 所需阳极总长度 所需阳极支数 只 计算单支阳极的接地电阻埋设方式 立式 埋深t 2 2m 3 2强制电流法阴极保护 阳极总电阻一对阳极间距 6m 强制电流阴极保护的工艺计算 5 电源功率的计算 3 2强制电流法阴极保护 RL导线电阻 导线规格 LGT 35铝胶线 0 00085导线长度 500m 强制电流法阴极保护系统的设计 设计原则在管道的强制电流阴极保护系统的设计中 对其保护范围要留10 的余量 其辅助阳极的设计寿命应与被保护管道的设计要求相匹配 一般不宜小于20年 设计强制电流阴极保护时 应注意保护系统与外部金属结构物之间的干扰影响 在需要的场合 应采取必要的防护措施 其直流电源设备的额定功率应留有50 的余量 其输出阻抗应与回路的电阻匹配 3 2强制电流法阴极保护 强制电流法阴极保护系统的设计 设计程序1 原始资料的收集和勘测 1 收集资料 管道平面线路图 管道参数 管径 壁厚 管材 连接方式 焊接 螺纹或机械 覆盖层类型及性能 套管位置及结构 电绝缘位置及结构 架空管及水下穿越位置及结构 等 2 勘测资料 包括现存和规划中的阴极保护系统 可能的地上 地下干扰源 特殊环境条件 邻近金属构筑物 可供利用电源 沿线土壤电阻率 对于已建管道作馈电试验 测取所需电流 另外还要收集必要的气象资料 对已建管道 常需做一些参数测量 如土壤电阻率 干扰测试 馈电试验 覆盖层电阻测试 纵向导电连续性测试及电绝缘性能测试 根据实测值设计 而新建管道 有些参数是难实测 只能根据假设参数进行设计 SYJ36 89 埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范 中给出的常规参数有 强制电流法阴极保护系统的设计 自然电位 0 55V 相对Cu CuSO4 下同 保护电位 0 85V汇流点电位 1 25V覆盖层电阻 10000 m2钢管电阻率 低碳钢 0 135 mm2 m 16Mn钢0 224 mm2 m 高强度钢 0 166 mm2 m电源效率 70 电流密度 30 50 A m2 相对第4款的覆盖层电阻值时 关于保护电流密度的选取 参考表6 2 1 强制电流法阴极保护系统的设计 2 设计阴极保护体系 有了以上参数 就可以进行设计 选定阴极保护站 绘制必要图纸 提出所选设备 材料的技术说明 通常阴极保护的设计图纸有 全线阴极保护系统平面布置图 电源安装图 地床结构及安装图 电缆连接及敷设图 阴极保护站平面图 配电系统图 测试系统的组成及分布图 若有干扰 需要有排流保护设计图 防强电冲击的保护设计图 阴极保护站设计1 阴极保护站强制电流阴极保护的方案在经过技术经济对比 对管道确定采取此种防蚀后 就要根据计算结果 选择站址 建立阴极保护站 强制电流法阴极保护系统的设计 一座外加电流的阴极保护站通常由电源设备和站外设施两部分组成 电源设备是由提供保护电流的直流电源设备及其附属设施组成 其附属设施包括交流 或直流配电设施 站外设施包括通电点装置 辅助阳极地床系统 阳极引线 或为架空阳极线杆 或为埋地电缆 测试桩 检查片及绝缘法兰等阴极保护的必要设施 阴极保护站数量的选取 是根据所要保护的管线的长度和所选取的保护参数计算而定的 实际工程中常常要结合管道沿线的站场分布来确立 为便于维护管理 常常将阴极保护站选择在被保护管道所设立的泵站 配气站 压气站 清管站等处 同时 还要尽量将保护站设立在保护距离的中间 使保护电流均匀 站场周围应能选择适当的埋设阳极的区域 强制电流法阴极保护系统的设计 在确定阴极保护站数目时 还要考虑到随埋地时间 埋地管道外防腐层在地下水和阴极保护电流的作用下 将逐步老化变质 使绝缘电阻值降低 管道所需的保护电流密度值增加 保护距离将缩短 要维持原设计的保护长度范围 就必须提高通电点的电位值 增大电流强度 依次带来的问题则是由于通电点电位过高而造成的 过保护 危害 否则就要采取增设新的阴极保护站 或者新补埋牺牲阳极来弥补电位的不足 因此 初期设计中 要根据管道的使用寿命和维修周期 留有余地 同时还要充分考虑到阴极保护的经济性 使设计科学可靠 阴极保护站应能长期提供连续可调的电源 且电源供电不得间断 应能保证在各种气候条件 干扰情况下的正常供电 阴极保护站分户外式和户内式两种 国内普遍采用户内式 有关室内电气设施的施工应遵照 电力设计技术规范 的有关规定进行 户外式的阴极保护站对电源设备提出了更高的要求 一般是封闭式 设在杆上或成信筒式 以保证在恶劣环境下工作 国外通常采用此种方式 强制电流法阴极保护系统的设计 2 电源设备对有交流市电并能满足长期可靠稳定供电的地方及长输管道各中间站有可靠交流电源的地方 优先考虑使用交流电通过整流来提供极化电源 对于单独建站 无市电地区可选用其它第二电源 不管采用什么型式的电源 其基本要求是 可靠性高 维护保养简便 寿命长 对环境适应性强 输出电流 电压可调 应具有过载 防雷 故障保护 一般交流供电情况下应选用整流器或恒电位仪 在管地电位或回路电阻有经常性较大变化时 必须使用恒电位仪 其它第二电源包括太阳能电池 CCVT电源系统 热电发生器 风力发电机 蓄电池 等等 表3 7为几种可供选择的电源比较 强制电流法阴极保护系统的设计 3 辅助阳极与阳极地床 1 阳极地床位置的选择辅助阳极地床是强制电流阴极保护的重要部分 阴极保护的经济性和保护效果在很大程度上取决于阳极地床的设计水平及质量 通常为降低费用 提高可靠性 节约用电对阳极地床的位置选择有以下要求 阳极区距管道的垂直距离 距离愈大 电位分布愈均匀 但无限拉大距离将会增加阳极引线的电阻 并增加建设投资 按SYJ36 89推荐 这一距离以100m为宜 土壤电阻率 阳极区尽量选在土壤电阻率低的地方 因为低电阻率可使阳极接地电阻变小 减少电能的消耗 强制电流法阴极保护系统的设计 土壤湿度 土壤湿度大有利于阳极工作 防止气阻现象 故在实际中常把阳极区选在河边 沟底等低洼地带 土地的利用 不占或少占耕地 干扰影响 阳极区周围尽量避开金属构筑物 地域规划 不得在近期规划区内建立阳极地床 安装的难易 根据施工机具和地上 地下环境情况确定 以求安装费用最低 生态环境 这是近些年来提出的新问题 以不破坏生态环境为好 强制电流法阴极保护系统的设计 2 阳极材料 外加电流阴极保护的辅助阳极供选择种类很多 从材料性能方面可分为钢铁 高硅铸铁 石墨 磁性氧化铁和柔性阳极等 在一般土壤中可采用高硅铸铁 石墨 钢铁阳极 在盐渍土 海滨土或酸性和含硫酸根离子较高环境中宜采用含铬高硅铸铁 在高土壤电阻率的场合可使用钢铁阳极 在高含量的氯化物和硫酸盐的土壤环境可采用磁性氧化铁 在防腐层质量较差的管道及位于复杂管网或地下金属构筑物较多的区域内的管道可采用柔性阳极 碳类回填料 通常使用的填料有三种 即煤焦油焦炭 锻烧的石油焦和天然及人造的石墨渣 冶金焦炭渣也是常选填料之一 回填用的焦炭渣对组分要求是 灰分低于10 含碳量高于85 颗粒度在3 15mm 强制电流法阴极保护系统的设计 3 阳极地床的结构由于辅助阳极工作性质决定了阳极是处于电解状态 这就要求在设计辅助阳极地床时 应考虑两个问题 一是阳极材料的消耗 二是阳极气体产物的逸放 前者是材料本身的性能 后者则取决于地床结构 一般阳极应在焦炭回填料地床中工作 该结构作用 等效地增大了阳极体积 降低阳极接地电阻 把阳极土壤的工作界面转移到填料 土壤界面上 减小阳极消耗 延长阳极寿命 利于阳极产生的气体 O2 CO CO2等 逸出 防止 气阻 为利于气体的逸出 在焦炭地床的上部还要填放一些粗砂或砾石 有些地方还要用多孔塑料管插至阳极地床中心 一是用于排气 二是必要时可以往里注水 强制电流法阴极保护系统的设计 阳极地床通常有两种形式 即浅埋地床和深埋地床 在浅埋地床中又可分为立式和水平式两种 立式阳极是由一根或多根垂直埋入地下的电极排列构成 电极间可用电缆连结 这种阳极具有安装费用低 受土壤环境影响小 电流输出稳定 且填料易夯实 有利于气体排出 及阳极间距小 彼此干扰小 利用系数高的优点 但在有些场合 例如在薄的岩石结构区和深层土壤电阻率较高的地区 沙质土壤的河滩地及地下水位较高不易开挖的地方 沼泽地等都不适宜采用立式阳极 而适宜采用水平式阳极 水平式阳极的优点是有利于开挖施工 土方量相对小 维修方便 如将阳极通过填料首尾相接成一整体 可形成一连续性的大阳极 有利于阳极的电流均匀分布 当周围设施多或地表层土壤电阻率太高 不宜埋设地床时 应考虑深井地床 深井地床一般埋深15 150m 施工费较高 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