阴极保护技术在油气田中的应用资料课件

1、阴极保护技术在油气田中的应用采油工程技术研究院防腐中心王树涛1提 纲一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理二、管道的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术五、应用标准和规范2（一）腐蚀控制的基本原理 腐蚀是材料与环境反应引起的材料破坏与变质，它存在于各行各业，引起经济损失也是引人注目的。 腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济生产总值的5%左右，每年由于腐蚀使钢铁产量的1020%变为锈，约有30%的钢铁设备报废。 腐蚀是造成石油工业中金属设施破坏的主要原因之一，经济、生态环境、人员生命健康均受严重影响。3 腐蚀从本质上讲是一个自发的过程。虽然不能杜绝之，却可采取某些措施来减轻

2、或防止。 采取有效的防腐措施和科学管理，30%的腐蚀是可以预防的。 防腐措施：合理的设计、正确选用金属材料、改变腐蚀环境、采用耐腐蚀覆盖层、阴极保护技术、阳极保护技术、用耐腐蚀非金属材料代替金属材料。阳极反应：阴极反应：腐蚀反应过程：4（二）阴极保护技术的基本原理 由外电路向金属通入电子，被保护结构物成为阴极，从而使金属腐蚀反应(失电子反应)受到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。 阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护技术；强制电流（外加电流）阴极保护技术。5 目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。

3、 1834年法拉第：阴极保护原理奠定基础。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年命名为电化学保护。1924年地下管网阴极保护。 国内做阴极保护设计过硬的的设计院：廊坊管道局设计院、中国石油西南设计院、胜利油田设计院、华北设计院等。 国内知名度较高的阴极保护厂家：洛阳的七二五所、福建三明无线电二厂、山东奥科防腐、河南第一防腐、天津管道防腐等。6（三）两种阴极保护方法的优缺点比较 根据实施阴极保护工程的现场条件，有时亦可考虑对同一结构同时采用两种阴极保护法。 阴极保护具有投资少（只占工程

4、投资总额的1%，工程大时，所占比重相应减少），管理简单，可有效地延长管道寿命达20年以上。7（四）阴极保护的应用条件：腐蚀介质必须是导电的，以便建立连续电路；被保护的金属材料在所处的介质中要容易进行极化；对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑其几何上的“屏蔽作用”，防止保护电流的不均匀；电绝缘是必须的；被保护物系统的连续也是必须的；一些不安全因素必须考虑，如：罐内析出氢气的爆炸，有可燃气体，不能用镁等。8（五）阴极保护的主要参数 1、阴极保护电位 保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。此项参数是借助参比电极来测量，实践中容易实现，是阴极保护最基本的参数；必须指明所用的参比电

5、极。92、阴极保护电流密度 是指被保护构筑物单位面积上所需的保护电流，是阴极保护设计中必不可少的又一重要参数，受被保护构筑物的表面状况、环境条件和被保护金属种类的影响。 根据所得到资料便可估算出所需电流，估算出单站保护长度、确定保护方案。 所需电流=防蚀电流密度(mA/m2)防蚀表面积。103、最佳保护状态 衡量阴极保护的效果有两个参数：保护度P 和保护效率Z11（六）牺牲阳极法 利用电位比被保护金属结构低的金属或合金（替死鬼）作为阳极，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。在阴极（被保护结构）得到保护的同时，阳极不断地被消耗，故称为牺牲阳极。 1、作为牺牲阳极

6、材料，必须能满足以下要求： 要有足够负的稳定电位； 自腐蚀速率小且腐蚀均匀，要有高而稳定的电流效率； 电化学当量高，即单位重量产生的电流量大； 工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落； 腐蚀产物不污染环境，无公害； 材料来源广，加工容易，价格低廉。 122、常用的牺牲阳极材料：镁基、锌基、铝基，性能对比133、牺牲阳极的安装方式 （1）土壤环境为保证牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充适当的化学填包料。牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式，阳极埋设分为立式、水平两种方式，埋设方向有轴向、径向。 （2）水环境 主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。 （3）容器内一般布设在平面上，均匀布置，

7、同时照顾边角位置上的电流分布。主要有焊接、螺栓固定、绳索悬吊。14（七）强制电流法（外加电流法） 给被保护结构加一阴极电流，而给辅助阳极（替死鬼）加一阳极电流，构成一个腐蚀电池。 由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。 辅助阳极的功能：把保护电流送入电解质流到保护体上；分为：可溶性阳极（如钢、铝）、微溶性阳极（如高硅铸铁、石墨）、不溶性阳极（如铂、镀铂、金属氧化物）3大类。15（八）阴极保护技术的管理要求1、保护率 是反应被保护管道实现有效阴极保护的范围，要求100%。2、运行率 是反应一年内阴极保护投入运行的时间比率，要求高于98%。3、保护度 是衡量阴极保护效果的指标，要求

8、高于98%。16提纲一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理二、管道的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术四、油气井的阴极保护技术五、应用标准和规范17 地下管道的腐蚀穿孔将会造成油气的漏损，严重时还会引起火灾、爆炸事故等，直接危及人民的生命财产安全。另外，由此而引起的油气停输使有关企业停土停产，又给国民经济造成间接的损失，因此防止油气管道的腐蚀，在油气管道的设计、施工与管理工作中是一项极其重要的内容。 多年的实践证明，若阴极保护管理得当，管道寿命可延长一倍以上。也就是说，无形中又给国家建设了一条管线。阴极保护与防腐涂层配合使用是当前控制地下金属腐蚀的最有效、最经济的方法。 阴极保护通常有两种方

9、法，即牺牲阳极法(图1)和外加电流法(图2)。18（一）基本参数1、电位埋地钢管道的阴极保护标准，通常采取管道对地电位的测量，一般情况下取-0.85(CSE)。在有硫酸盐还原菌活动的沼泽地带取-0.95（CSE）。这一标准也可用另一方式即电位偏移法表达，在一般情况下可采用比自然电位向负偏移0.25-0.3V。在硫酸盐还原菌居动地带取向负偏移0.4V。最高保护电位与防腐层性能有关的一个参数，一般都规定在析氢电位以下，如对沥青防腐层的最高保护电位可取-0.125V，特殊地区也有选-1.5V的。192、电流密度阴极保护所需电流密度的大小与防腐涂层的种类及性能有很大关系，质量差的涂层所需电流密度大。阴

10、极保护可很好鉴别防腐涤层的质量，阴极保护电流密度与涂层的关系列于表4、表5。203、施加阴极保护的管道必须满足的条件 管道纵向连续导电、具有足够电阻的管道覆盖层、管道和其他低电阻接地装置的电绝缘。4、测试桩 用于阴极保护参数的检测，是管道管理维护中必不可少的装置，按测试功能沿线分设，可用于管道电位、电流、绝缘性能的检测，也可以用于覆盖层检漏及交直流干扰的测试。电位测试桩：汇流点及每公里处设一支；电流测试桩：每5-8km处设一支；绝缘测试桩：每一绝缘连接处设一支。21（二）阴极保护设计准备1、保护参数的选择参数尽量实地测量，无法测量的只能根据经验及标准规范提供的参数进行设计，然后根据情况在调整。

11、在埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范中，给出下列常规参数：自然电位：-0.55V（CSE）；保护电位：-0.85V（CSE）；汇流点电位： -1.25V（CSE）；覆盖层电阻：10000m2；钢管电阻率：低碳钢0.135mm2/m，16Mn钢0.135mm2/m，高强度钢0.166mm2/m；电源效率：70%；电流密度：3050A/m2，新型环氧粉末、3层PE覆盖层的取1 A/m2 ；土壤电阻率：实测。222、设计资料的获取（1）要收集的资料：管道平面路线图管道参数（管径、壁厚、管材）连接方式（焊接、螺纹或机械）覆盖层的类型及性能套管的位置及结构电绝缘的位置及结构架空管及河流穿越的位置及结构

12、。（2）通过现场勘测获取的资料：现存和规划中的阴极保护系统可能的地上、地下交直流干扰源特殊的环境条件（永冻土、岩石、沼泽）邻近的金属构筑物可供利用的电源沿线土壤电阻率对已建管道作馈电试验，测取所需电流必要的气象资料。233、阴极保护方法的选择 根据以下因素选择使用牺牲阳极法、强制电流法。（1）管道覆盖层状况 因为牺牲阳极输出电流优先，仅为mA级，所以当管道覆盖层很差时，采用牺牲阳极不经济而不宜选用。（2）工程规模大小 被保护的管道如果太短，建一座阴极保护站，保护的方位富裕太多，不宜采用强制电流法，而牺牲阳极就比较合适。（3）环境条件 如果土壤电阻率过高，牺牲阳极要满足保护要求则要消耗大量的材料

13、，经济上不合理。 当周围金属构筑物密集时，不宜采用强制电流法。（4）有无可利用电源 有些场合，没有电源可能也会制约强制电流的应用。24（三）外加电流阴极保护设计 主要包括：阴极保护站数目的确定、电源设备功率的确定、辅助阳极类型和重量的确定。1、阴极保护站数目的确定 首先应该确定保护电流密度和保护长度。 （1）保护电流密度的确定 一般可根据埋地管道所使用的防腐层的绝缘层电阻确定。对于已建管道，以实测值为准。如果一时找不到对应得的推荐值，也可以用下列简化公式计算：25（2）保护长度的确定 由下公式计算：26（3）保护站数目的确定272、电源设备功率的确定 外加电流阴极保护系统的电源功率计算公式：2

14、8电源设备：可靠性高，寿命长，能满足长期不间断供电；优先考虑稳定可靠地交流电源，也可以使用：太阳能、风能等；维护保养简单，对环境适应性强；输出电流、电压可调；应具备抗过载、防雷、抗干扰、故障保护功能等。293、辅助阳极寿命计算，一般设计寿命为15-20年4、所需辅助阳极支数的计算 所需辅助阳极的支数是由阳极的设计寿命及消耗率所决定，可按式（12-12）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。305、辅助阳极的位置和种类的选择（1）位置选择应符合下列要求地下水位较高或潮湿低洼处；土壤电阻率50m以下的地点；土层厚，无石块，便于施工处；对邻近的地下金属构筑物干扰

15、小；阳极位置与管道的垂直距离不宜小于50m，柔性阳极对于裸管道的最佳位置是管道的十倍管径处，对良好覆盖层的管道可同沟埋设，但最近距离为0.3m。（2）阳极的选择原则：一般土壤中可采用高硅铸铁、石墨、钢铁阳极；在盐土、海滨土或酸性和含硫酸根离子较高的环境中，宜采用含铬高硅铸铁阳极；高电阻率的地方宜采用钢铁阳极；覆盖层质量较差管道及位于复杂管网或多地下金属构筑物区域内的管道可采用柔性阳极，但不宜在含油污水和盐水中使用。316、辅助阳极地床结构（1）辅助阳极埋设方式应符合下列要求：阳极可采用浅埋和深埋两种方式。浅埋阳极应置于冻土层以下，埋深一般不宜小于1m；深埋阳极埋深宜为15300m。阳极通常采用

16、立式埋设；在沙质土、地下水位高、沼泽地可采用水平式浅埋；在环境复杂或地表土壤电阻率高的情况下可采用深埋阳极。（2）辅助阳极地床还应满足下列要求：阳极地电场的电位梯度不应大于5V/m，设有护栏装置时不受此限制。阳极填充料顶部应放置粒径为510mm左右的砾石或粗砂，砾石层宜加厚至地面以下500m或在砾石层上部加装排气管至地面以上。阳极的引出导线和并联母线应为铜芯电缆，并适用于地下（或水中）敷设。阳极的并联母线与直流电源输出阳极导线连接可通过接线箱连接，若阳极导线为铝线，则应采用铜铝过渡接头连接。32填充料的含碳量宜大于85%，最大粒径宜小于15mm，填充料厚度一般为100mm；当采用柔性阳极时，填

17、充料粒径宜小于3.2mm，填充料厚度为45mm；预包覆焦炭粒的柔性阳极可直接埋设，不必采用填充料。（3）辅助阳极地床填充料的使用符合下列要求： 为便于阳极气体产物的释放；等效增大阳极体积，降低阳极接地电阻；减少阳极消耗，延长阳极寿命。通常辅助阳极应在焦炭回填料地床中，还应填一些粗砂或砾石；还可以将多孔塑料管插到阳极地床中心，便于排气和必要时浇水。阳极常用的填充料有焦炭粒、石油焦炭粒。石墨阳极应加填充料；高硅铸铁阳极宜加填充料，在沼泽地、流沙层可不加天聪料；柔性阳极宜加填充料；钢铁阳极可不加填充料。33（1）立式阳极地床34（2）水平式阳极地床35（3）深埋式阳极地床： 地表土壤电阻率较高或地表

18、金属构筑物太密，需要采用深埋式阳极地床，可减轻阳极埋设深度的4倍范围内的阳极干扰程度。36（4）浅井粗管阳极地床37（5）柔性阳极387、阳极接地电阻计算3940（四）牺牲阳极的阴极保护设计牺牲阳极的设计寿命应与管道使用年限相匹配，一般为1015年。临时性阴极保护牺牲阳极的设计寿命应满足用户要求，一般为2年。被保护的管道应具有质量良好的覆盖层；新建管道的覆盖层电阻不得小于10000m2，否则不宜采用牺牲阳极；对于旧管道，应根据具体需要决定。当土壤电阻率大于100m时，不宜采用牺牲阳极。所有被保护的埋地钢质管道应根据需要设置绝缘接头或绝缘法兰。411、牺牲阳极的选择 根据介质的电阻率来选择阳极；

19、镁在碰撞时易产生火花，因而，一般不能用于有防爆要求的场合。422、设计步骤 第1步：计算所需电流43第2步：选择合适的阳极44第3步：计算总电流量4546第4步 计算阳极寿命也可以按下公式计算47第5步：所需阳极数量计算48第6步：阳极分布牺牲阳极在管道上的分布可采用单支或集中成组两种方法，同组阳极宜选用同一批号或开路电位相近的阳极。牺牲阳极埋设分为立式和水平式两种，埋设方向有轴向和径向。阳极埋设位置一般距管道外壁3-5mm，最小不宜小于0.3mm，埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m为宜，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。在地下水位低于3m的干燥地带，阳极应当

20、加深埋设，对于河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽可能埋设在河床（或湖底）的安全部位，以防洪水冲刷或挖泥清淤时损坏。在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极和被保护的管道之间不应有其他金属构筑物，如电缆等。49（五）普光气田湿气集输管道外壁的外加电流保护技术 1、最佳保护电位优化 按照普光气田集输管道的外防腐层状况和沿线土壤的电阻率，首先室内模拟实验。 试验条件：普光气田集输管线沿线主要是山体和山谷，经现场实测，在山谷地区，土壤电阻率在7.85.m49.612.m之间，山体段的土壤电阻率在20.724.m119.32.m之间；本次实验选取土壤电阻率：山谷段：29.m，山体段：70.m。 模拟用管线材质

21、和外防腐层与普光气田集输管线相同。材质：L360QCS；外防腐保温层：无溶剂环氧防腐涂层+聚氨酯泡沫保温层；外防腐保温层破损率取5%，实验用管段规格：100，厚度2mm，管长1500mm。 实验设备和材料：恒电位仪（5V，5A），含铬高硅铸铁阳极：20300 mm，硫酸铜参比电极，DT9806型数字万用表，试片（材质与管道相同）75121mm。50模拟实验装置结构图 在断电电位为-0.85V 、-0.95V（CSE）时，试片形貌和数据如下。当模拟管的断电电位负于-0.85V（CSE），用试片计算出的保护度均在85%以上；当模拟管的断电电位负于-0.95V（CSE），大部分大于90%。 根据模拟

22、试验，在全线无法实现断电测试的情况下，通电电位在-0.95V以上是合适的。当管地电位值-1.15V。512、辅助阳极地床优化技术采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，当阴极保护距离较长时，辅助阳极地床与管道的距离越近，管道阴极保护电位在远端衰减越明显。采用馈电实验研究辅助阳极地床的位置对阴极保护效果的影响，数据如下表。故设置辅助阳极地床时应确保其与管道的相对位置至少在50米以上。523、阴极保护站设置 优化保护站布局，设置安全装置和自动控制系统，实现阴极保护系统有效正常运行。普光集气集输管道采用强制电流阴极，共设6座阴极保护站，分别位于集气末站、P301、P304、P202、

23、P102、P104集气站。管线进出站处设置绝缘法兰和氧化锌电涌保护器。各阴极保护站设备输出信号及管道沿线保护电位，接入站控室PLC和线路截断阀室RTU，再上传至净化厂阴极保护智能监测系统服务器，进行数据处理、分析、报警。阴极保护站设置53（六）海洋油气管线外壁的牺牲阳极阴极保护技术海洋管线外防腐采书涂层防腐和阴极保护相结合的方法是最经济有效的，采用阴极保护的费用约为全部管线造价的1%。海洋管线的电防腐与陆上的不同，它多是采用牺牲阳极的方法。虽然也采用外加电流法，但只限于接近陆地的短管线或小管径平行管线。海洋管线的阴极保护设计应在管道敷设之前完成。设计参数视各地区及各公司有所不同。目前，总的趋势

24、是采用锌镯牺牲阳极结构。管线上阳极环的间距设计趋于缩小，在北海管线阳极环间距大约为100-15Om，目前对于800mm以下管径，阳极环间距为15Om或12根管接头设置一个阳极环。保护电流密度在各海域相差很大，有微生物腐蚀的海底管线，腐蚀速度可增加15倍。海洋结构物的保护电流密度参考值列于表1、表2。541、海洋管线阴极保护的设计步骤：第1步：钢管裸露面积。对于设计寿命为25年的海底管线，涂层破坏的裸露管面面积按10- 50%考虑。对于有混凝土加重层的管线按10%考虑。实际上这已超过结构设计的使用寿命。第2步：阴极保护电流密度。根据具休环境，试验确定。第3步：由第1和第2步，求出管线保护所需的总

25、电量。第4步：计算牺牲阳极材料的总重量。第5步：计算各单支阳极输出电流。552、牺牲阳极的材料和结构形式海洋管线牺牲阳极的材料有锌、镁、铝及其合金。在北海海泥中多使用铝基合金，但海洋管线阴极保护中仍以锌基合金为主。锌合金阳极不适用于热立管，因为在高温下锌阳极会产生晶间腐蚀而加速锌的消耗，所以对于管壁温度高于50的热管线使用铝合金阳极为宜。尽管铝的电量损耗较大，但驱动电位可保持不变。几种牺牲阳极材料的电化学比能列于表4。关于海底管线牺牲阳极的结构形式多设计成管镯式，即阳极环。阳极环带有钢衬套，一般尽可能焊接于管道上。阳极与管线之间的接线多采用聚氯乙烯绝缘的铜电缆短线，用铝热剂焊接在管线上或采用抽

26、头连接方法迸行连接。56阳极环形状可设计成两腑、四瓣或多瓣式，两端头呈平滑准面，可防止管线敷设时损伤。阳极环厚度一般呆持外环面与混凝土加重层外不表面取平。几种阳极环式样见图3、4、5、6。 为了便于阳极环的俭查和维修，在阳极环内嵌入不易腐蚀为锥订，锥汀沿阳极环呈辐射形分布。当阳极材料腐蚀后，锥钉突露，潜水员可直观地俭查阳极腐蚀情况，即使在视线极弱的深海也可触摸出锥钉高度，从而判断腐蚀情况。锥钉可用不锈钢、塑料及陶瓷等材抖制作。具有锥钉的阳极环结构形式见图7(美国专利4370211)。57（七）油田地面集输管道的内壁牺牲阳极阴极保护技术技术 油田地面管网的腐蚀以污水管线和高含水油气集输管线最为严

27、重。 实践证明，采用内涂层或衬里使金属与电解质隔开是解决管道内腐蚀的有效途径之一，但内涂层有其一定的局限性：金属内表面处理难度大，在表面除锈不彻底、局部不平滑、涂料不均质、搬运或安装碰撞等情况下，都可能导致涂层粘结力下降，出现针孔和漏点。涂层和金属弹性模量不一致，当管线工作温差大、压力波动时，会加速对涂层的损害，甚至产生裂纹，从而降低使用寿命。管线涂层漏点造成的集中点蚀比裸管的面腐蚀后果更加严重；如有一条污水干线采用环氧煤沥青玻璃鳞片内挤涂防护，设计寿命为10年，但投产半年即出现内腐蚀穿孔，一年内在20m管段就穿孔7次，这是由于涂层局部漏点加速腐蚀引起的。58 将阴极保护和内涂层保护结合使用，

28、无疑是一种比较完善的内防腐蚀方法。曾对某油田一条腐蚀严重的回水干线。做现场试验，分涂层管和裸管二种，内装线状环形阳极，裸管阳极间距100mm，涂层管阳极间距500mm。线状阳极用钢丝绳连接，两端固定在管线两端底部。通过一年试验运行，管内保护电位达-0.93-1.06V(vsCSE)。现场腐蚀挂片测试结果：未加保护的裸管平均腐蚀速率为0.17mm/a，加牺牲阳极管段平均腐蚀速率为0.00540.015mm/a，保护度达98%左右。 将被保护和未保护的管子剖开，观察局部腐蚀情况如下：未加阴极保护的裸管底部腐蚀严重，呈连片沟槽状，贯穿全管段，深度达0.4-1.8mm，最深处达2.0mm以上。锌阳极保

29、护的涂层管和裸管内表面均光滑如初，肉眼观察不到任何腐蚀，说明阳极电力线在管内分布均匀，内壁全部得到有效保护，利用线状阳极保护管内壁的方法是完全可行的。 经去除阳极腐蚀产物，折算阳极寿命，裸管内阳极寿命可达12年，涂层管内阳极寿命18年。59（八）管道内壁强制电流阴极保护技术 由于管道内部空间狭长，在管道内壁采用强制电流阴极保护时，首先要解决阳极安装问题，辅助阳极的安装主要应解决下列问题：阳极与管道如何绝缘。如何延长管道内壁保护距离。阳极的安装要方便，且不影响输送介质的流动，其价格要经济合理。1、安装方式目前，管道内壁强制电流阴极保护的辅助阳极安装主要有下列3种方式。安装方式1：仅适用于大口径管

30、道，每只阳极保护距离短，需在管道上开很多孔，安装复杂，费用高，且需用多根阳极电缆将电流分配到各个阳极上。60 安装方式2：也仅适用于大口径管道。虽然相对安装方式一增加了单只阳极的保护距离，但保护长度还是较短，而且为了解决阳极与管壁绝缘问题，增加了安装难度。 安装方式3：在线型阳极材料外部套上带孔的塑料管直接安放在管道内，在管道上开孔，将阳极接头引出接直流电源，开口处密封，详见图3。塑料管很好地将阳极与管道内壁绝缘开，阳极输出电流从塑料管孔中流出，对管道内壁实施保护。612、模拟试验采用塑料套管阳极安装方式3在管径为D89mm的管道中进行模拟试验。阳极为管道局管道科学研究院生产的柔性阳极，介质为

31、王一站污水。管道长50m，无内涂层，在管道上每隔7m安装一参比电极，介质流速为1.0m/s，试验温度为常温，具体流程见图4。测试结果见表2，保护电流密度为86mA/m2。62 3、现场试验 在王一站进行现场试验，试验管径为D273mm，保护长度54m，无内涂层，水流速度为0.6m/s，温度42，阳极为柔性阳极，采用在柔性阳极上缠绕塑料网的安装方式。稳定后保护电位测试结果见表3，保护电流密度为50mA/m2。4、腐性挂片测试结果采用腐蚀挂片对塑料套管阳极安装方式的阴极保护效果进行测试，挂片时间30d，测试结果见表4。 5、结果分析 从试验结果可以看出，采用塑料套管阳极安装方式3时，管道内的电位分

32、布较为均匀。采用塑料网安装方式时，由于塑料网缠绕不均匀，管道内保护电位差较大，应严格控制缠绕的均匀度。管道内壁采用强制电流阴极保护时，保护度可达92%-95%。由于管道内无涂层，保护电流密度较大。63（九）管道内壁的牺牲阳极阴极保护技术 近年来，随着带状镁合金牺牲阳极的大量应用，带动了带状锌合金、铝合金牺牲阳极的开发。由于带状锌合金、铝合金牺牲阳极与柔性阳极有很大相似之处，我们采用带状锌合金、铝合金牺牲阳极，利用模拟装置(图4)进行了管道内牺牲阳极阴极保护技术研究。 在带状牺牲阳极外缠绕塑料网的安装方式，将阳极接头直接焊接在管道内壁，并对接头部位进行防腐，试验结果见表5。试验表明，采用带状牺牲

33、阳极保护管道内壁完全可行。64（十）气相环境中金属管道内壁强制电流阴极保护技术 气相环境中金属管道采用防护涂层的措施，但完美无损的涂层是没有的。从腐蚀机理讲，局部的缺陷会加剧腐蚀的进展。 阴极保护回路中电流的流动一般是由电子电导、离子电导和电极反应三个方面共同作用而构成，三者缺一不可。本技术的关键，是在气相环境中被保护的金属表面上涂敷一层CK固体电解质。金属表面即处于连续相电解质之中，其上设置相应阳极层，当施加外加电流时，即可确保气相环境中金属的阴极保护回路的畅通，同时，金属在CK涂层中进行阴极极化，当极化在某些特定值时，腐蚀即可减缓或抑制。图2为气相环境中，架空金属管道阴极保护装置图。其操作

34、方法和一般外加电流阴极保护技术相类似。65本技术和传统的外加电流阴极保护技术相比的显著特点：能对气相环境中的金属实施外加电流的阴极保护，阴极保护电流既不会流失，也不会造成临近金属的腐蚀，不需要设置费事的绝缘法兰，不怕被保护金属接地，不会有阴极保护的死角。本技术依靠“CK涂层”可对气相环境中的金属直接进行外加电流阴极保护。此时的CK涂层起电解质作用。然而CK涂层又是一种新颖的防腐涂层，它不但具有普通防腐涂层(如油漆等，的性能，还弥补了传统涂层的缺点。当“CK涂层”与金属表面夹有湿气时，只要加上外加电流的阴极保护，腐蚀即可得到控制，所以本技术有着广阔的应用前景。表2为本技术的适用范围及使用效果。6

35、6（十一）管线阴极保护在线监测评价系统的研究进展1、国外研发状况1986年：水下结构阴极保护监测系统，采用有线方式对水下管道阴极保护效果进行检测。1987年：阴极保护监测系统，采用有线方式实现对水下管道内阴极保护电流的检测。1994年：将电压检测器用于监测埋地管线阴极保护电位的技术，主要检测整流器的交流电压和直流电压。1999年：远程阴极保护监测系统，主要针对埋地金属结构物牺牲阳极电位采用一定频率的方式进行传输,从管道上提取电源电流。2003年：同步探测和远程监测及阴极保护电位调节单元，通过网络系统对参比电位进行检测。2004年：自动化阴极保护监测和控制系统，对测试片的腐蚀速率进行测试。199

36、9年：阴极保护参数远程监测技术，通过远程监测单元收集信息并用无线通讯来传送数据，主要用于埋地管线、油田储罐以及钢筋混凝土结构中的阴极保护监测。672002年：阴极保护监测技术PETRO-CAT，完全实现油气管线阴极保护效果监测的点到点的解决方案，采用远程智能卫星终端及感应器实现数据的采集和传送，使业主和专业人士能获得有用的阴极保护系统参数的信息，并节省了大量的人力物力。CPM-阴极保护监测系统：主要用于监测外加电流阴极保护系统的运行情况，可以远程监测每个外加电流装置、测试站以及阳极床的运行情况，发现阴极保护系统的故障，定位并及时报告故障地点。系统主要测量的参数有恒电位仪输出电压、电流、管地电位

37、和杂散电流，所有参数可在100 ms内测量完毕。各终端与中心计算机通过内置调制解调器进行通讯，数据本地存储，不需要全球卫星定位接收器就可以实现外加压流系统在10 ms内同步断/通电操作。美国天然气研究所(GTI)研制的用于检测天然气管线保护状态的系统-阴极保护监测系统：采用无线方式测量管线的保护电位和阳极输入电流密度等保护参数，通过手持设备发出信号，埋在土壤中的应答器接收信号后返回信号。这些信号包括阳极位置信号和阴极保护参数(管道电位及阳极输出电流)。系统采用铜/硫酸铜参比电极(使用寿命30 a)和锂电池(使用寿命15 a)。68美国INCON公司的TS-CPM阴极保护监测系统：主要针对外加电

38、流阴极保护系统设计，用于监测阴极保护站内恒电位仪的工作状态。系统测量的参数包括恒电位的输出电压和电流，通过专用软件远程监测阴极保护站内的设备运行情况。美国Deepwater公司研发的POLATRAK阴极保护监测系统：可用于各种固定或浮动结构物上各类阴极保护参数的监测。系统主要包括监测箱(包括监测模块及数据采集器)、参比电极、电流密度监测传感器和牺牲阳极电流监测传感器，设计寿命20 a。参比电极采用由银/氯化银电极(粉压，精度1 mV)和锌电极组成的双电极体系，或者是由2个银/氯化银电极组成的双电极体系。采用双电极体系是为了使参比电极在使用过程中能进行校对，以保证测量电位的准确性。美国Borin

39、生产的“The data drive-by interrogator”系统：实现远程检测，主要传输测试桩的管地电位以及恒电位仪的输出电流、电压、控制电位等。692、国内研发状况1997年：中国科学院福建物质结构研究所与南海、海洋研究所联合研制了近海平台阴极保护监测系统。该系统由双电极电位测量探头、牺牲阳极输出电流探头、信号传输电缆及微机数据采集等部分组成。双电极电位测量探头由锌电极与Ag/AgCl参比电极组成，Ag/AgCl电极电位漂移不大于2 mV，锌电极电位漂移不大于20 mV。数据采集器由接线箱、信号调理器、A/D转换模板组成。测量探头安装在平台导管架的不同部位，测量信号通过电缆送入微机

40、数据采集系统进行数据的采集、处理、显示、存储及打印等。该系统在实际平台运行了10 a，性能稳定可靠。1999年：电极电位智能测量仪，由80C31芯片、只读存储器ROM、数据存储器RAM、运算放大器、A/D转换、显示模块、继电器J、接线柱和控制开关组合而成，以单片机为核心采用推算的方法测量IR降，自动切断研究电极极化电流，并用曲线拟合的方法直接推算出消除IR降的电极电位值。该仪器基本上能消除IR降对电极电位测量的影响，无须使用复杂仪器设备，操作简单，使用方便，适用范围广，测量结果准确可靠。702001年：中国科学院海洋研究所申请了遥控腐蚀电位测量仪专利。该测量仪包括测量电极、通道选择单元、数据采

41、集单元、中央处理器、数据存储单元、通讯单元和调制解调器，采用通讯方式进行数据的采集与控制，能够实现各试验站腐蚀电位测量的集中管理，减少试验人员往返于试验站之间的次数，降低研究费用。该仪器还可以进行各类厂矿地下管网、油气水长输管线、海洋石油平台等阴极保护的集中管理和远程监测。此外，该单位还研发了平台腐蚀自动监测系统，参比电极为高纯锌与Ag/AgCl复合探头，主要用来监测采油平台支架腐蚀状况。该系统包括腐蚀状态自动检测数据采集仪、腐蚀状态回放处理仪、专用屏蔽测量电缆、长效腐蚀监测探头等硬件设备以及数据采集及通讯软件、数据回放及分析软件、探头布点分布位置计算、长效腐蚀监测探头结构设计等，目前尚未实际

42、应用。2002年：长输管道阴极保护信号巡检监测系统，包括数个管道阴极保护无线监测存储装置、1个管道阴极保护无线巡检取样采集装置、1个计算机。管道阴极保护无线巡检取样采集装置的计算机通讯接口，由信息接口电缆与计算机接口连接。监测时由鼠标点击监测软件包，输入控制信号转换为程序执行指令并存储。无线受控定时巡榆、取样采集、发送采集数据，由计算机处理装置对输入的取样采集数据进行归纳、分析、处理及存储，并由显示器显示各监测点的测量数据或图形。装置系统构造简单，操作方便，测量数据及时准确。712004年：原油储罐防腐蚀在线遥控遥测及寿命预测装置，其储罐内壁保护为防腐蚀涂层加高活化铝牺牲阳极保护，安装在罐底内

43、壁铝合金牺牲阳极处，设有参比电极探头。参比管绝缘管设有可伸缩测量电极，可弥补现有保护阳极使用中的缺陷，可以实时在线远程测量储罐主要部位的腐蚀防护电位及用阴极保护站设备进行电气参数测量，并能根据腐蚀防护数据处理结果，实行远程遥控调整设备运行参数，也使阴极达到充分保护。大连理工大学开发的CPM21型阴极保护多路参数遥测系统与计算机构成阴极保护计算机管理系统：主机通过一根三芯电缆与分机联络，其主要任务是管理现场分机，对分机测得的各阴极保护系统数据进行收集及加工处理。遥测系统分机是一台以MCS 251系列单片机为核心、相应硬件电路组成的智能测量仪器，能对现场的模拟信号进行数字化转换，并把测量结果保存起

44、来,以便主机随时调用。被测量的模拟信号，先经多路模拟开关进行分时轮流接通，经VF变换后送单片机的脉冲计数器输入端，某一单位时间内的脉冲数反映了信号的大小，其时间间隔由系统的时基电路提供，经计算后即可得出具体的数值。系统最多可带阴极保护系统40套，遥测距离为10 km。该系统研制成功后对大连华能电厂现场8套阴极保护系统进行自动化监测和管理，运行良好。722004年：区域阴极保护智能监控系统，由阴极防腐蚀电位传感器、阴极电位变送器、数据采集A/D智能模块、RS485总线、RS232转RS485通信模块、工业控制计算机、声光报警器、数据输出D/A及I/O模块、恒电位仪、汇流点阴极电位、监测点阴极腐蚀

45、电位、阴极电位传感器、通信调制解调器、管理计算机、打印机、后备电源组成,其特征在于将该系统分成3个区，即数据采集区、集中监测控制区和遥控管理监测区。数据采集区的阴极腐蚀电位信号，通过电位传感器阴极电位变送器变为电信号，通过数据采集A/D模块、RS485总线、RS232通信模块传送到工业控制计算机进行集中监测显示和数据处理，再通过通信调制调节器将集中检测取得的数据送到远程管理监测区的计算机进行监测管理或通过设置的网络接口上油田网，供管理人员监视。中国海洋大学开发的石油平台阴极保护原位监测系统：由微机自动数据采集存储器、数据传输系统和探头群3个部分组成。其中，探头群由16个参比电极和4个阳极输出电

46、流检测探头组成，参比电极为银/卤化银电极。阳极输出电流检测探头由标准电阻、绝缘法兰、阳极和补偿电池组成。自动数据采集器为16个电压采集通道，输入阻抗大于10 M。该系统已在渤海APP平台运行了2 a，效果良好。733、腐蚀在线监测系统应用前瞻 针对外加电流和牺牲阳极保护下输气管线的腐蚀在线监测评价系统：不间断地自动巡回测量天然气集输管线代表点的环境腐蚀性的变化和管线保护状态信息，具有实时显示，自动储存测量结果和打印输出功能，可以及时报警，便于采取措施，保证管线正常作业生产、消除安全隐患。74提纲一、腐蚀控制和阴极保护技术基本原理二、管道的阴极保护技术三、罐体及站场的阴极保护技术四、油气井的阴极

47、保护技术五、应用标准和规范75（一）罐底板外壁阴极保护技术 1、阴极保护条件与参数 （1）设计前应收集的资料 场区及罐平面布局图和系统布置图；建造起止日期；储罐设计资料；场区内设施电绝缘及电跨接情况；电缆路径；爆炸危险区边界。 （2）设计时与场区有关的资料 已建和计划建的阴极保护系统；特殊的环境条件；基岩和冻土层深度；相邻的埋地金属构筑物及其接近程度；与外部结构绝缘的可行性。 （3）通过现场调查和腐蚀测试取得的资料 满足达到判据的保护电流需要量；土壤电阻率；系统所需的电绝缘要求；系统的电连续性；防腐层的完整性；同一地区类似储罐的泄漏史；存在杂散电流与否；其他维护和运行数据。 （4）设计时，阴极

48、保护电流总量宜根据工艺计算留有10%的裕量。 （5）罐底辅助阳极的设计寿命应与被保护储罐的设计寿命象适应。762、储罐罐底外壁阴极保护准则：绝缘、导电良好。保护电流：新罐大于5mA/m2，旧罐10 mA/m2。保护电压：透气性差的粘土中-950mV（CSE）；温度在60度以上时-950mV（CSE）；在电阻率大于500.m的砂质环境中-750mV（CSE）；当罐中心电位无法测量时，如直径40米的罐，在确保电流密度前提下，罐周电位应不小于-1.2V（CSE）。773、阴极保护方法的选择对于土壤电阻率较高、储罐直径较大的环境，宜采用强制电流保护；对于土壤电阻率较低、储罐直径较小且周围地下金属构筑物

49、布局复杂的环境，宜采用牺牲阳极保护。4、牺牲阳极法（1）阳极材料的选择，如下表。78（2）保护电流需要量 一般采用普遍承认的保护电流密度或现场电流需求量测试的结果计算，计算公式如下：防腐层绝缘性能决定所需的保护电流密度值，防腐层绝缘电阻值越高，所需的保护电流密度值越小。通常保护电流密度可按表2来选取。实际工程是安装临时电源和接地极，做馈电试验，再根据达到保护电位时对应的极化电流强度，推算出最小保护电流密度的取值范围。79（3）阳极输出电流计算（4）牺牲阳极数量计算80（5）牺牲阳极的埋设 牺牲阳极的埋设应有利于保护电流的均匀分布，应在罐底或罐周均匀布置阳极。81（6）所需阳极的规格是由被保护金

50、属的使用年限决定的，计算公式：825、强制电流法 对于所需保护电流较大的罐底，采用强制电流法。（1）保护电流需要量 一般采用普遍承认的保护电流密度或现场电流需求量测试的结果计算，推荐储罐保护电流密度ia为510mA/m2，计算公式如下：83（2）直流电源额定输出电压（3）直流电源功率84（4）辅助阳极需要量（5）参比电极 新建罐设计时，宜在罐底适当位置安装长效参比电极（如图6.3.5-1所示），罐壁四周的电位分布可通过在罐壁四周埋设参比电极来监测（如图6.3.5-2所示）。85（6）辅助阳极的布置：当罐底面积很大时，辅助阳极的布置很重要。86（二）罐内壁阴极保护技术从安全的角度考虑，以采用牺牲

51、阳极保护为佳。保护的范围是罐壁下部1m，罐底板全部。因为含油污水的腐蚀性较强，所以对于原油储罐内壁阴极保护的电流密度需取120mA/m2。对于阳极品种的选取，考虑到温度影响不宜选用锌阳极，考虑到安全因素不宜选用镁阳极，因为镁在碰撞时易产生火花，多用铝合金牺牲阳极。阳极的分布取决于阳极数量，在罐底以放射状均匀分布，采用直接焊在罐板上。871、设计原则 原油储罐底板内表面的保护电流密度不得低于10mA/m2，并应符合下列规定：有防腐涂层的钢表面保护电流密度范围应为1030mA/m2；无防腐涂层的钢表面保护电流密度范围为30150mA/m2，充海水期间为70100mA/m2；在含硫化氢或氧等去极化剂

52、和在较高温度的环境下，应提高保护电流密度。 原油储罐内铝合金牺牲阳极的电化学性能应符合下表规定。882、设计计算： 所需总保护电流、单块阳极输出电流、阳极块的使用量、阳极的使用寿命计算。89（三）原油罐底板内壁牺牲阳极法阴极保护的设计及应用 对原油4号罐底板仅刷涂料进行防腐蚀，其效果不佳。对产生腐蚀的现象原因进行了分析，发现腐蚀源自涂料施工质量、原油含盐量及贮存温度，其腐蚀机理为电化学腐蚀。1、牺牲阳极材料的选择从使用的安全性及投入成本考虑，通常在原油罐内采用铝合金作为牺牲阳极较为简单、易行。一般的Al-Zn-In系列铝合金牺牲阳极在原油沉积水中电流效率低，腐蚀消耗不均匀，溶解性差，故选用武汉

53、材料保护研究所研制的专用高效铝合金牺牲阳极。该阳极通过在常规Al-Zn-In阳极中加入Sn、Ti等合金化元素，提高了耐高温性能，细化了晶粒。同时，Sn的加入可与In形成固溶体，使阳极具有更稳定的活化性能，溶解均匀。902、设计及计算 储罐内径D=28 m，储罐内部总保护表面积Si=660 m2(以罐底板和从底板起以上0. 5 m罐内壁周边总面积计)，储罐内部保护电流密度35 mA/m2，内壁介质电阻率40cm，储罐内部保护电位-0.85 V(SCE)，储罐内部阴极保护系统设计寿命10 a，阳极规格(110130) mm120 mm500 mm，20 kg/支。具体参数的计算如下：（1）阳极接水

54、电阻R91（2）阳极输出电流If（3）阳极使用寿命t92（4）保护电流I（5）所需阳极数量N3、内壁阴极保护的阳极安装 考虑阳极在罐底板的分布位置以及本项目阳极应用实际效果，选择阳极数量为48支，在储罐内部侧面壁与底板上平均分布。牺牲阳极通过支持臂直接焊接在储罐内壁与底板上(距罐壁150200 mm)。93（三）中原采油厂油气水分离器内壁强制电流阴极保护技术油田油气水分离器内部结构复杂。由于开发后期的油井平均含水率在85%左右，故分离器内底部一半以上的部位处在分离出的污水介质中。因中原油产出水具有偏酸性，矿化度高，碳酸根、氯离子含量高的特点，使得分离器底部水介质接触部位腐蚀严重，新建分离器有的

55、不到半年即腐蚀穿孔泄漏，严重影响安全生产。目前，国内三相分离器大多采用牺牲阳极阴极保护技术，现场应用证明，牺牲阳极保护存在有保护死角、保护寿命短的缺陷，新上的牺牲阳极一般不到半年即消耗完，达不到生产要求。外加电流阴极保护技术在三相分离器内首次成功应用，解决了包括安全防爆的一系列技术问题。941、技术简介该技术通过把阴极电流施加到分离器内壁表面，使之进行适度的阴极极化，将钢体在水介质中的电极电位负移至不腐蚀状态，从而使基体得到保护。对于分离器内高电导率的污水介质，采用外加电流阴极保护可以防止点腐蚀、缝隙腐蚀等任何形式的电化学腐蚀。实践证明是可行的。由于油田分离器是一种压力容器，正常工作压力在0.

56、350.85MPa，且水介质中往往含有一定的原油及底部沉积泥垢，在其内部进行阴极保护，对辅助阳极、参比电极等的选型、设计、分布等，保护参数的选择，以及整个阴极保护系统的耐压密封、安全性能都具有较高的要求，这也是该技术解决的关键问题及研究的核心内容。952、阴极保护参数的确定 最佳保护电位和保护电流是阴极保护系统的关键参数，因油田产出水中的电化学保护参数可借鉴资料很少，所以只能由实验研究确定。（1）测定阴极极化曲线 为测定三相分离器阴极保护参数，采用现场三相分离器分离水介质作为实验介质，通过改变温度等不同的条件模拟现场，做出各种条件下的阴极极化曲线。 图1a-d是用采油一厂文一联2#分离器水介质

57、，用A3钢试片(表面积：21.46cm2)作为研究电极，Cu/CuSO4作为参比电极，铂电极作为辅助阳极测得的不同条件下的阴极极化曲线。从图1a可以看出，开始极化时，电流变化不大，而电位向负移动较大，即阴极极化程度大。当电位极化至-1.2V(SCE)以后，再增大电流时，电位的变化就比较缓慢了，也就是说，要增加较大的电流才能使电极进一步极化。在实验中还观察到，极化至-1.28V时，电极表面有少量氢气泡出现，当电位比-1.28V更负时，有大量气泡逸出，此时电流大大增加。极化至-0.95V时，铂电极上有氯气产生。96从图1b可以看出，当电位极化至-1.15V以后，再增大电流时，电位的变化比较缓慢，该

58、条件下的析氢电位为-1.12V，比暴氧条件下正移0.16V，由此可见，氧的存在阻滞了阴极氢去极化反应的发生。图1c为50时碳钢的极化曲线，由曲线可知，电极极化至-1.05V时，再增大电流，电位的变化比较缓慢，极化至-1.12V时，有氢气产生。由此可见，温度升高并没有改变析氢电位。 从阴极极化a-c初步分析得出：碳钢在文一联2#分离器50水介质中进行阴极保护时，其保护电位尽量不要超过-1.3V，以免金属表面有大量氢气析出，使涂层产生阴极剥离，影响金属表面涂层的质量，甚至使碳钢产生氢脆的危险。但仅从极化曲线还不能完全选定保护参数，还必须根据保护效果实验选定合理的保护参数。97（2）选取合理的保护参

59、数实验结果见表2。从表2可以看出，保护电位越负，保护效果越好，保护电位达到-0.95V时，保护度达到98.2%，保护效果已很好；从-0.95V极化到-1.05V时，保护度变化不大，但保护电流却增加很多(从图1d极化曲线可以看出)，从经济的角度出发，最小保护电位可定为-0.95V。从析氢电位考虑，保护电位不宜超过-1.1V。综合以上考虑，文一联2#分离器的最佳保护电位应在-0.95-1.1V(相对于Cu/CuSO4参比电极)之间，其最小保护电流密度裸钢时为350mA/m2；若钢体表面涂层完好，最小电流密度为186mA/m2(见图1d)。983、现场阴极保护系统的设计与安装（1）安装设计根据现场介

60、质及工艺条件，通过对锌、Ag/AgCl电极、Cu/CuSO4进行对比实验，参比电极选用性能稳定易于安装的Ag/AgCl参比电极。通过稀贵金属阳极、微铂阳极、石墨阳极的阳极极化曲线分析，可以看出：施加很小的阳极极化电流即可使稀贵金属阳极很快极化至稳定的电位；微铂阳极也可以很快极化并达到稳定的电位，但所需的极化电流较大；石墨阳极的极化稳定性较差。选用了适合介质条件的稀贵金属辅助阳极。 因分离器中污水介质含有较高浓度的氯离子，选用了贵金属阳极作辅助阳极，固体Ag/AgCl作参比电极，根据模拟实验电流分布测试结果，对阴极保护系统设计如图2。99（2）阳极板与电缆接头处理根据三相分离器的形状及结构特点，