燃气管道牺牲阳极保护

燃气管道牺牲阳极保护燃气管道牺牲阳极保护 牺牲阳极法是最早应用的电化学保护法 它简单易行 又 不干扰邻近的设施 牺牲阳极还是抗干扰腐蚀的一种手段 可 用来排流 防雷及防静电接地 与强制电流保护法相比 牺牲 阳极法具有独特的优点和功能 因而同样受到人们的重视 近年来 牺牲阳极技术在我国得到了推广和发展 在生产 上也向标准化 系列化方向发展 并在油 气管道 海船及海 上结构物的防护上得到了成功的应用 一 牺牲阳极保护原理一 牺牲阳极保护原理 根据电化学原理 把不同电极电位的两种金属置于电解质 体系内 当有导线连接时就有电流流动 这时 电极电位较负 的金属为阳极 利用两金属的电极电位差作阴极保护的电流源 这就是牺牲阳极法的基本原理 见图 10 54 二 牺牲阳极材料二 牺牲阳极材料 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 因此 对牺牲阳极材料就产生了性能要求 图 10 54 牺牲阳极装配示意图 1 要有足够负的电位 在长期放电过程中很少极化 2 腐蚀产物应不粘附于阳极表面 疏松易脱落 不可形成 高电阻硬壳 且无污染 3 自腐蚀小 电流效率高 4 单位重量发生的电流量大 且输出电流均匀 5 有较好的力学性能 价格便宜 来源广 常用的牺牲阳极有镁及镁合金 锌及锌合金以及铝合金三 大类 它们的电化学性能见表 10 59 牺牲阳极的电化学性能取 决于材料的成分和杂质含量 在牺牲阳极的标准规范中都有规 定 表表 10 59 牺牲阳极的电化学性能牺牲阳极的电化学性能 性能单位zn zn 合金mg mg mn mg 6al 3znal zn in 相对密度 g cm37 11 741 772 83 阳极开路单位 sce v 1 03 1 56 1 48 1 08 相对铁的保护的电位差 v 0 20 0 75 0 65 0 25 理论发生电量 ah g0 822 202 212 87 电流效率 95505580 实际发生电量ah g 0 781 101 222 30 海水中 3ma cm2 消耗率 kg a a 11 88 07 23 8 电流效率 65405065 实际发生电量ah g 0 530 881 111 85 土壤中 0 03ma cm2 消耗率 kg a a 17 2510 07 924 68 三 牺牲阳极种类及规格型号三 牺牲阳极种类及规格型号 一 镁合金牺牲阳极 镁是比较活泼的金属 表面不易极化 电极电位比较负 所以是理想的牺牲了极材料 但是 钝镁的电流效率不高 造 价太高 所以一般都使用镁合金做牺牲阳极材料 目前世界上 流行的镁阳极成分很多 但归纳起来只有三个系列 高纯镁系 镁锰系和镁铝锌锰系 其典型的代表成分见表 10 60 这三个系 列中 mg 6 al 3 zn 0 15mn 是使用最广泛的 也是国内定型生 产的商品化镁阳极 用于土壤和淡水中性能最佳 表表 10 60 镁合金牺牲阳极的典型成分镁合金牺牲阳极的典型成分 成分 质量分数 系列 alznmnmgsicunife 备注 纯镁 0 010 030 0199 950 010 0010 0010 002jish6125 镁锰 0 01 0 5 1 3余量 0 020 0010 03galvomag 镁铝 锌锰 5 3 6 72 5 3 50 15 0 6余量 0 10 020 030 005syj19 1986 镁阳极的化学成分应符合表 10 61 的规定 镁阳极电化学 性能必须符合表 10 62 的指标 表表 10 61 镁阳极化学成分镁阳极化学成分 合金元素杂质不大于 质量分数 alznmnmgfenicusi 5 3 6 72 5 3 50 15 0 6余量0 005 0 0030 020 1 表表 10 62 镁阳极电化学性能镁阳极电化学性能 项目单位指标测试方法 开路电位 v 1 50 cu cuso4 syj23 1986 理论电容量 a h kg2210 按化学成分计算 电流效率 55 gb t4948 1985 附录 c 注 gb t 4948 1985 附录 c 的介质为海水 本标准应用时 试验介质应改用当地土壤 并用当地地下水饱和 在被检阳极 四周应有 5 10mm 厚的填包料 镁阳极规格按净重分为 2kg 4kg 8kg 11kg 14kg 和 22k6 种 其形式均为梯形断面 2kg 阳极参考长度为 206mm 4kg 阳极参考长度为 360mm 其余均为 700mm 用作导电的钢芯 采用直径不小于 6mm 的钢筋制成 钢芯 表面应镀锌 外露长度为 100mm 阳极基体和钢芯必须结合好 接触电阻应小于 0 001 镁阳极表面为铸造表面 其表面应清洁 平滑 无明显铸 造缺陷 镁阳极应储存在室内仓库内 严禁沾染油污 油漆和接触 酸 碱 盐等化工产品 在镁阳极验收时 应对外观 重量进行检验 钢芯与阳极 的接触电阻 化学成分及电化学性能 应按批量进行抽样检查 抽查率为 3 但至少不少于 3 支 若不合格 加倍抽查 其中 再有一支不合格 则判定该批不合格 当化学成分不合格 而 接触电阻和电化学性能合格时 可以使用 接触电阻测试方法 是 gb t 4948 1985 附录 b 化学成分分析方法按供方采用的标 准方法进行 电化学性能按表 10 62 中的测试方法进行 镁阳极的优点 对钢铁阴极保护 0 85v 的激励电压力 0 7v 左右 适应的土壤电阻率范围广 阳极表面不极化 腐蚀 产物易脱落 不宜用于易燃液体环境中 二 锌牺牲阳极 锌是阴极保护中应用最早的牺牲阳极材料 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 锌不仅可以 用于低电阻率土壤中 还可广泛用于海洋中 目前 锌牺牲阳 极成分均已标准化 如 astmb418 gb4950 等 从阳极成分来 分 锌阳极可分为两个系列 高纯锌系和锌铝镉系 它们的成 分见表 10 63 中 表表 10 63 锌阳极的成分锌阳极的成分 化学成分 阳极系列 alcdznfecupbsi 备注 astm 型 0 0050 003 余量 0 0014astm418 1973 zn al cd 0 3 0 60 05 0 12余量 0 0050 0050 0060 125gb t4950 1985 zn al cd 0 1 0 50 025 0 15余量 0 0050 0050 006mil a 18001h an al 0 3 0 6 余量 0 0050 0050 0060 125syj20 1986 锌阳极的开路电位应为 1 1v 相对 cu cuso4 在海水中 电流效率为 95 土壤中为 50 60 理论发生电量为 820a h kg 消耗率为 11kg a a 左右 锌阳极的最大特点是表面不易极化 电流效率高 材料来 源广 价格便宜 锌阳极的不足之处是相对铁的保护电位 0 85v 激励电压小 只有 0 25v 相当于镁阳极的 1 3 因此 应用范围较窄 在土壤中使用 一般很制在 150 m 中 gb t 4950 当土壤潮湿时 可扩大到 30 m syj20 1986 根据使用的要求 土壤中应用的锌阳极典型规格见表 10 64 表表 10 64 土壤中常用的锌阳极规格尺寸土壤中常用的锌阳极规格尺寸 阳极尺寸 mm 重量 kg 有效 电量 a a 阳极尺寸 mm 重量 kg 有效 电量 a a 35 35 10006 8 0 650 50 150022 22 0 50 50 100014 81 335 35 150010 20 9 三 铝合金阳极 铝合金作为牺牲阳极材料是近年发展起来的新品种 由于 铝是自钝化金属 所以不论是纯铝还是铝合金 从电化学观点 看 都是一种似乎不可克服的弊病 即阳极表面极易钝化 造 成电位正移 活性降低 由于铝的自饨化性能 所以钝铝不能作为牺牲阳极材料 目前已开发了 al zn hg 系 al zn in 系等几个系列 其典型成分 见表 10 65 由于汞对环境的污染及冶炼困难 目前各国都限制 含汞的铝阳有生产 而 ai zn in 系是目前各国公认的有前途的 铝阳极系列 表表 10 65 铝阳极的代表成分铝阳极的代表成分 合金成分 合金系列 znhgincdmgsial 备注 al zn hg0 450 45 余量 galvalum1 al zn in 4 9 5 50 018 0 02 0 8 余量管道设计院 al in 0 15 0 2余量邮电部五所 al zn in si3 00 0150 1 余量 ga1valum al zn in ca 2 5 4 5 sn 0 018 0 0500 005 0 02 0 13 余量 gb4948 1985 al zn in sn 2 2 5 20 018 0 0350 02 0 045 0 13 余量 gb4948 1985 为改善阳极的电化学性能 在三元素合金基础上又添加了 第四 第五元素 世界上流行最广的 galvalum 型铝阳极为 al zn in si 系列 铝合金牺牲阳极开路电位是 1 18 1 10v 相对饱和甘汞 电极 工作电位为 1 12 1 05v 相对饱和甘汞电极 实际发 生电量大于 2400a h kg 海水中电流效率大于 80 消耗率约 3 8kg a a 铝是产量最多的有色金属 资源广 价格便宜 其单位重 量产生的电量大 是锌的 3 6 倍 是镁的 1 35 倍 作为牺牲 阳极有着广阔的前途 其不足之处是电流效率和溶解性能随阳 极成分 制造工艺的不同而异 在土壤中常由于胶体 ai oh 3 的聚集而使阳极过早报废 因此铝阳极在土壤中的应用还有待 于探索 表 10 66 列出了几种可用于土壤的铝合金阳极的规格尺寸 四 牺牲阳极保护的施工四 牺牲阳极保护的施工 一 阳极种类的选择 表表 10 66 土壤中使用的铝阳极规格土壤中使用的铝阳极规格 尺寸 mm重量 kg 有效电量 a a 尺寸 mm重量 kg 有效电量 a a 47 33 47 10005 11 441 29 41 20007 52 0 60 40 60 10008 12 175 61 75 200027 47 2 注 括号内为梯形截面的上底和下底长度 牺牲阳极种类的选择主要是根据土壤电阻率 土壤含盐类 及被保护管道的覆盖层状态来选取阳极 表 10 67 列出了土壤 中选择牺牲阳极种类的推荐意见 一般说 镁阳极适用于各种 土壤环境 锌阳极适用于土壤电阻率低的潮湿环境 而铝阳极 还没有统一认识 国外一直不主张用于土壤环境中 国内已有 不少实践 推荐用于低电阻率 潮湿和氯化物的环境中 表表 10 67 土壤中牺牲阳极使用的选择土壤中牺牲阳极使用的选择 土壤电阻率 m 推荐使用的牺牲阳极 100 不宜采用牺牲阳极 60 100高电位的纯镁系或镁锰系镁阳极 15 60镁铝锌锰系镁阳极 15 镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极 10 含 cl 锌合金或铝锌系合金阳极 二 牺牲阳极地床 为了防止土壤对阳极的钝化作用 一般在阳极四周都要填 有一定的化学填料 填料的作用为 1 改良阳极周围环境 确保稳定 良好的电流效率 2 降低阳极接地电阻 增加阳极输出电流 3 溶解电极腐蚀产物 防止阳极极化 4 吸收周围土壤中水分 维持阳极四周长久湿润 提高阳 极的工作电位 化学填料的推荐配方列于表 10 68 中 不同的阳极 不同的适用环境需采用不同的填包料 表 10 68 中的膨润土系一种特殊的硅酸盐土壤 具有强的 吸水性 并能形成半透膜 阻止土壤中阴离子 在填包料中 的流 失 因此 膨润土不可用粘土来代替 表表 10 68 牺牲阳极化学填料推荐配方牺牲阳极化学填料推荐配方 填料成分 重量 阳极类型 石膏粉 硫酸钠硫酸镁生石灰氯化纳膨润土 适用环境 m 备注 5050 20 252550 20 7552020 1515205020 镁阳极 15355020 syj16 1986 50545 潮湿土壤 锌阳极 75520 饱水土壤 syj20 1985 铝阳极 20 30 60 40 20 30 填包料宜采用棉布袋或麻袋预包装 不可采用人造纤维织 物布袋 可以在现场包封 填包料厚度不应小于 50mm 应保 证阳极四周的填包料厚度一致 密实 填包料应调拌均匀 不 能混入石块 泥土和杂草等 在将装设好阳极电缆的阳极块放入填包料之前 应先将阳 极表面用砂布打磨干净 除去氧化皮并去除油污 对铝合金阳 极也可用 10 naoh 溶液浸泡数分钟 以除去阳极表面的氧化 膜 然后用清水冲洗干净 在装填袋装阳极时应注意 1 防止阳极钢芯与电缆引出头焊接处的折断 2 阳极所有裸露的表面均需除净油污等杂物 3 擦洗净的阳极表面 严禁用手直接拿放 并应及时装入 填包袋中 以防污染 4 袋装阳极引出电缆与袋口绑扎要结实 防止散口 三 阳极布置与埋设 牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式 阳极埋 设分立式 水平式两种 埋设方向分轴向和径向 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 1m 为宜 成组布置时 阳极间距以 2 3m 为宜 见图 10 55 图 10 55 牺牲阳极埋设示意图 1 管道 2 测试桩 3 连接电缆 4 牺牲阳极 牺牲阳极必须埋在冻土层以下 在地下水位低于 3m 的干 燥地带 牺牲阳极应适用加深埋设 在河流 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 要注意阳极与管道之间 不应有其他金属构筑物 例如电缆 水 气管道等 1 牺牲阳极施工 根据施工条件 选择经济合理的阳极施工 方式 立式阳极宜采用钻孔法施工 卧式宜采用开挖沟槽施工 按设计要求在埋设点挖好阳极坑和电缆沟 检查袋装阳极电缆 接头的导电性能 合格后袋装阳极就位 放入阳极坑内 阳极连接电缆 埋设深度不应小于 0 7m 四周垫有 5 10cm 的细砂 砂的上部应覆盖水泥护板或红砖 阳极电缆与管道应用加强板 材质与管材一致 上焊铜鼻子的 方法连接 在焊加强板的管道表面上防腐层应剥除干净 放上 加强板 加强板与管道应采用四周角焊 焊缝长度不少于 100mm 电缆与管道加强板通过铜鼻子锡焊或铜焊连接 焊后 必须将连接处重新进行防腐绝缘处理 其材料和等极应和原有 防腐层一致 阳极连接电缆和阳极钢芯采用铜焊或锡焊连接 双边焊缝 长度不得小于 50mm 电缆与阳极钢芯焊接后 应采取必要的 保护措施 以防接头损坏 电缆在敷设时 要有一定的裕量 以防止土壤下沉变形而造成接头处受力 电缆与电缆接头及露出阳极端面的钢芯均要防腐绝缘 绝 缘材料应用环氧树脂或相同功效的其他涂料 镁阳极连接电缆应满足地下敷设条件的要求 耐压 500v 并带有绝缘护套 通常使用铜芯电缆 推荐型号为 vv29 500 1 10 和 xv29 500 1 10 确认各焊点 连接点 绝缘防腐合格后 回填土壤 在回 填土将阳极布袋埋住后 向阳极坑内灌水 使阳极填料饱和吸 满水后 将回填土夯实 恢复地貌 2 牺牲阳极的运行管理 牺牲阳极投入运行后的测量项目有 1 电位 包括 1 阳极开路电位 2 阳极闭路电位 3 管道开路电位 投运前为自然电位 4 管道保护电位 2 电流 包括 1 单支阳极输出电流 2 组合阳极联合输出电流 3 电阻 包括 1 单支阳极接地电阻 2 组合阳极联合接地电阻 4 埋设点土壤电阻率 所有参数的测量应符合 埋地钢质管 道阴极保护电参数测试方法 syj23 1986 的规定 牺牲阳极保护参数投产测试 必须是在阳极埋入地下 填 包料浇水 10d 后进行 为便于测量 在相邻两组阳极的管段中间 根据需要适当 设置电位测试桩 桩间距以不大于 500m 为宜 镁阳极投入运行后 相邻两组阳极之间的管道保护电位 应为 0 85v 或更负 牺牲阳极投入运行后 应定期进行监测 至少每半年测量 一次管道保护电位和阳极输出电流 并根据测量结果进行保护 电流的调节 一般以每年调节一次为宜 对镁阳极保护系统 每年至少应维护一次 测试桩可用混凝土或钢管制作 测试盒放在桩的内部 要 注意桩的布置整齐 安全 设置在路旁或人行道上时 不宜高 出地面 以免影响交通 油漆标色醒目 标有号码 对盖板要 做防锈处理 测试盒要防水必封 测试盒内连接要便于测量 其接线柱应注明管道及阳极的编号 牺牲阳极保护档案资料 应包括 牺牲阳极质量保证书 竣工图纸 施工说明书 阳极 位置及电缆走向的说明 投产时保护参数测量结果 历年维护 更新 检查测试的资料 四 牺牲阳极的其他用途 1 作接地极用 牺牲阳极具有电气接地和防腐双功能 邮电 部门把它作为防静电 防雷和防蚀的措施 牺牲阳极是安全接 地 静电接地和防雷接地的理想接地极材料 当然 以接地为 主要功能的阳极形状和安装方式不同于防蚀用阳极 图 10 56 是目前常使用的锌