阴极保护设计中的几个问题

1、阴极保护设计中的几个问题王健孟繁强王芷芳摘要 针对目前阴极保护工程设计中出现的有关阳极地床、保护电 流需要量套管绝缘法兰及长效硫酸铜参比电极等问题，提出一些看法。关键词 煤气管道 阴极保护中图分类号TU996.7PROBLEM ABOUT CATHODIC PROTECTION DESIGNWang Jian Meng Fanqiang Wang ZhifangABSTRACT Some suggestions ere given about the anode ground bed,the needed amount of protection current,bushing and the

2、 long lasting CuSO reference eletrode in the cathodic protection design.KEY WORDS gas pipeline,cathodic protection1前 言阴极保护与涂层的联合保护可取得巨大的经济效益与社会效益，日 益被人们所公认，逐渐被人们所接受，并在管道、贮罐的建设中做到了 与主体工程同时勘察、设计、施工和投产。本文就目前在阴极保护设计中存在的一些问题，提出来供大家讨论。2强制电流辅助阳极设计按我国石油行业标准SYJ36-89埋地钢质管道强制电流阴极保护设 计规范对辅助阳极接地电阻没有明确规定，只是提出应与所用

3、的仪器 设备相匹配。接地电阻是阴极保护电能消耗的主要部位，约占6080 %，有人曾 做过电能消耗的分配实 验见表1。表1阴极保护电能消耗不同部位保护站条件电能消耗分配%连接导线接地电阻管道总电阻0.8 Q输出32 V12.562.525.0阳极电能的消耗主要是用在克服接地电阻上，接地电阻越小，则消 耗越小。从这点出发，为了达到这一目的，阳极装置必然过于庞大，或 要做必要的处理，则经济上是不可取的。究竟取多大为宜，苏联规定该值应小于0.5 Q，事实证明，当阳极 埋设处的土壤电阻率小于10 Q.m时，一般阳极结构可以达到这一标准。如电阻率高，则阳极结构 要十分庞大，甚至无法达到这一标准。现在多使用

4、难溶高硅铸铁阳极， 要求阳极工作电流密度应控制在580 A/m2范围内，接地电阻可以不受 此限制。目前我国生产的阴极保护专用仪器，恒电位仪的规格有限，选 用时要注意与阴极保护系统的电阻相匹配。从表1可知，三部分中以阳 极接地电阻占主要部分，又是可变部分，如何使它们之间相匹配，主要 是看经济的合理性。例如，我国某阴极保护工程，设计阳极接地电阻W5 Q，阳极地床 处土壤电阻率为15 Q.m设计辅助阳极 100X1500 mm高硅铸铁阳极为 40支。从测试结果表明，阳极用10支就达到了小于0.5 Q的要求。少量几支阳极并联对接地电阻的降低影响较大，如单支 接地电阻4.3 Q，2支并联为2.2 Q，3

5、支并联为1.5 Q，以后增加阳极支数对阳极接地电阻的 降低影响不大，10支并联，接地电阻已降至0.5 Q以下，由于阳极间 屏蔽效应，增加较多支数阳极所获得的接地电阻降低却很少。表2阳极接地电阻测试阳极支数阳极接地电阻Q备 注1#4.0单支2#3#4.83.9平均单支4.3 Q 高硅铸铁阳极4#4.3100X1500 mm5#4.522.231.5组合456101.21.11.00.5地床处土壤电阻率15 Q.m （实测） 气温32 C200.3400.2102030阳祇支敬图1阳极支数一阳极接地电阻关系曲线2.2牺牲阳极的设计目前牺牲阳极多以成组布置，一组45支或更多不等，阳极间距 23 m,

6、从现场测试结果表明，4支一组阳极发出的电流之和远小于单 支发生电流的4倍，其原因也是由于阳极电场的相互影响，多支汇流一 点与管道相连必然造成电场的屏蔽，影响阳极电流的输出。因此，笔者 建议采用单支分散布置会消除电场影响，使电位分布非常均匀，这对涂 层略差的管道更显示出其优越性。2.3合理选用牺牲阳极种类牺牲阳极种类的选择也是一个经济问题，镁阳极材料的费用约为锌 阳极的两倍，镁本身激励电势较高，输出很大的电流，因此，这种电极 消耗得快。在同样的土壤电阻率环境中，镁的消耗比锌快2.5倍，如果 没有电路限制，锌阳极可提供必要保护地方，若使用镁，其费用可能是 锌的5倍。镁阳极可能使构筑物受到过度保护，

7、结果浪费了电源。但 是电流输出功率和激励电势均是锌阳极的限制因素。土壤电阻率低于10 Q.m时，假如所需要的电流要求不太高，并能 获得理想的电流输出功率时，通常用锌阳极更为经济。但在土壤电阻率 比较高的地方，不能采用锌阳极时，镁阳极在阴极保护中用得较多。此外，同一条管道，锌、镁阳极混用，对防腐层较好的管道由于设 计问题，可能出现管道保护电位超过锌阳极开路电位，锌阳极失去牺牲 作用而同时受到保护，并成了接地极。例如，某条天然气管道用聚乙烯三层结构防腐，套层内输送管缠绕 镁带，而输送管用锌阳极。从电位测试结果看，天然气管道电位已达到 -1.30伏或更负，超出锌阳极开路电位-1.10 V。说明套管内

8、进水，套管 内镁带牺牲。此时，锌阳极被镁带发出的电流所极化，与管道等电位。 如在测试桩测得锌阳极与管道电位相同都为-1.363 V(Cu/CuSO )，锌阳4极没有牺牲而同时受到保护。3保护电流需要量的确定使被保护金属停止腐蚀所需要电流密度值，一般的确定方法是用被 保护物体表面的几何面积与总电流相除求得。最小保护电流密度值主要根据被保护金属的类别、腐蚀介质成分， 相对运动速度、温度、表面涂层或阴极沉积膜性质、完整性的接触电阻 来决定，由于上述条件不同，最小保护电流密度数值变化幅度很大，从 最小几uA/m2到最大几百A/m2。在上面列举的诸因素中，影响地下管道最小保护电流密度大小的主 要因素是管

9、道防腐涂层的性质、结构和完整性、及防腐层的电阻值。对于有防腐涂层的金属管道，最小保护电流密度值需要由实际工程 测量确定，或取经验数据。具体办法是:先建立一个临时保护站，试探性 的预埋几组阳极，通电后测量被保护结构的电位，调整输出电流，直至 在一个小区域内建立起较理想的保护电位，然后根据实际的输出电流和 保护面积计算出电流密度，现列出以下数值供参考，见表33、表43。表3涂层种类及所需保护电流密度涂层种类所需保护电流密度 mA/m2聚乙烯层厚3mm0.0010.007双层沥青玻璃纤维布 厚7 mm0.010.05一层沥青玻璃纤维布 厚4mm0.050.25旧沥青层0.53.5旧漆层130表4涂层

10、电阻和所需保护电流密度涂层电阻Qm保护电流密度，mA/m21000000.01300000.01100000.0330000.1010000.303001.001003.003010.00从实际工程观测得知:裸钢管所需的最小保护电流密度经验值为550 mA/m2，埋入混凝土内钢筋最小保护电流密度经验值2 mA/m2。阴 极保护电流密度的选取是设计成败的关键。只有了解不同防腐层所需要 的保护电流密度值，才能做到少花钱做好事的要求。例如，某天然气管线426X7 mm，全长60 km，外防腐层是聚乙烯三 层结构。经现场测量，所需保护电流密度在几个几十个nA级范围， 按保护面积8万m2，计算只需几个A

11、保护电流，选用恒电位仪75 A/75 V 显然量程太大。全线采用牺牲阳极保护方案更为合理，若采用牺牲阳极 保护，每间隔100 m安装一个镁阳极设计都过于保守，因为保护电位均 达到-1.3 V或更负，比极化至-0.85 V多消耗的电量，造成经济上的不合 理。4套管屏蔽问题管道穿越公路、铁路以及河流时，经常要将输送管放在套管中，以 对管道进行附加保护，并认为套管与输送管充分绝缘。笔者认为，采用 套管时将有以下情况发生。4.1输送管与套管完全绝缘，套管与输送管的环形空间内没有电解液存在在这种情况下，阴极保护电流被完全屏蔽，输送管仅受大气腐蚀， 在套管与输送管之间充满空气的空隙内实施阴极保护既不可能也

12、不需要 4。但目前套管和输送管的环形空间有效密封防水的合适结构至今还未 找到，如果在环形空间里浇注混凝土或环氧沥青树脂，那麽以后输送管 就不能取出了。因此，在任何情况下，都要尽全力利用绝缘隔离垫来避 免输送管与套管之间的金属接触。穿过绝缘隔离垫铺设锌带或镁带并接 到输送管上，可将阴极保护用于防止因水渗到安装套管时造成涂层破损 处的腐蚀。对土壤电阻率低的场合，镁带消耗快，寿命短。目前套管分 金属套管和混凝土管二种，现分述如下：（1）金属套管1）输送管与套管之间没有电气连接（没发生短路）由于安装时渗水或漏进土粒，可能存在电解质接触，此时，外部阴 极保护电流流入套管经电解质到达输送管，在这种情况下电

13、解质接触一 般对输送管无腐蚀危险，套管和输送管的外壁会得到阴极保护而套管内 因为排放电流而加快腐蚀。（见图2）反之，如果套管内输送管安装镁带， 套管和输送管内壁会得到阴极保护，而套管外壁因为排放电流而加快腐 蚀（见图3）。此种情况是指套管外部没有阴极保护的情况。来段卜部明蚀保护电濡 I:i:白输M图2套管与输送管外壁受到保护外部未上33械彼护图3镁带牺牲保护输送管和套管内壁4.2.2套管与输送管之间有电气连接（短路）套管与输送管存在金属接触，外部流入套管的阴极保护电流使套管 外壁电位负移，内壁因干扰而正移。套管内壁与输送管涂层破损处接触 短路也使输送管电位正移，于是在套管内、外输送管形成腐蚀电

14、池，由 于存在较大的电位差，致使套管内输送管加速腐蚀。（见图4）。来自外部明檄保护唐新_J 一J-J图4套管与输送管短路,输送管产生腐蚀危险（2）混凝土套管因混凝土套管导电性很差，套管内输送管完全被屏蔽而得不到阴极 保护。而如果在套管内放入镁带，因镁带规格为19X9.5 mm，重量0.3 kg/m，阴、阳极面积比值很大，阳极消耗太快，寿命短。一旦镁带消耗 完了就开始腐蚀输送管，建议输送管内安装手镯式或大块扁平锌阳极或 镁阳极，视土壤电阻率而定，腐蚀性强的环境最好用长寿命锌阳极。笔者建议，在设计中应尽量避免采用套管而靠提高输送管的壁厚， 提高防腐等级，加强穿越段的阴极保护等措施，在必须使用套管的

15、情况 下，应采取必要的密封措施防止电解质进入，并保证套管与输送管的电 绝缘，为此应加设套管测试桩。4.2绝缘法兰的阴极干扰问题绝缘法兰的装设也会产生一种不利的潜在因素，法兰两侧由于带电 程度不同,一般有0.5 V左右的电位差，使非保护管道产生十扰影响，造成 加速腐蚀。这种腐蚀多发生在距离绝缘法兰510m之内，所以规定其两 侧10 m之内的管道外壁做特加强级防腐。对于输水管道，由于两端的 0.5 V左右电位差的存在，会使非保护端产生一个阳极电流。为提高绝 缘法兰的内阻抗，并将其电流密度下降至无损害时，最好在绝缘件阴极 保护一侧，在长度为2D（D为管直径）的地方设内防腐层。管道装上绝缘装置后，两侧

16、为两个系统。当一侧受到雷电影响或过 大电流影响时，会击穿绝缘材料，因此，在设计时应根据实际情况考虑 加设接地电池（特制1.5m长成对相互绝缘的锌电池，放在填包料中，该 电池起强电的放电作用）。绝缘法兰两侧的管道上宜各设一条测试导线,共用一个绝缘法兰测 试桩。5长效硫酸铜参比电极存在的问题长效硫酸铜参比电极，质量不稳定，与便携式硫酸铜参比电极相比 误差在几十至几百毫伏，失去参比电极准确性的要求（误差）10 mV设 计中每个测试桩中埋入一支参比电极不但是一个浪费，而且给人以误导， 现场抽查五支，没有一支符合要求，误差少则34 mV，大则204 mV，大 于20 mV该参比电极就不允许使用了。在现场使用便携式参比电极已能 满足工作需要。对土壤电阻率高的场合，可随时校正土壤的IR降对测量 误差的影响。综上所述，阴极保护的设计原则是既要达到保护要求，又要经济合 理，因此要求我们不断总结