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管道阴极保护系统

发布时间:2016-11-25  

一. 原理

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位(自然电位),腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区,得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子(如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤)受到腐蚀,而阴极区得到电子受到保护。

阴极保护的原理:

是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,使金属表面各点达到同一负电位。有两种办法可以实现这一目的,即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

1、牺牲阳极法

将被保护金属和一种电位更负的金属或合金(即牺牲阳极)相连,使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。

在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中,被保护金属体为阴极,牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值,在保护电池中是阳极,被腐蚀消耗,故此称之为“牺牲”阳极,从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。

牺牲阳极材料有高纯镁,其电位为-1.75V;高钝锌,其电位为-1.1V;工业纯铝,其电位为-0.8V(相对于饱和硫酸铜参比电极)。

2、强制电流法(外加电流法)

将被保护金属与外加电源负极相连,辅助阳极接到电源正极,由外部电源提供保护电流,以降低腐蚀速率的方法。其方式有:恒电位、恒电流等。如图管道阴极保护系统

外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下,通过土壤提供给被保护金属,被保护金属在大地中仍为阴极,其表面只发生还原反应,不会再发生金属离子化的氧化反应,使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应,因此,辅助阳极本身存在消耗。

阴极保护两种方法的对比:

阴极保护的上述两种方法,都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀,需要保护的金属体,提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流,使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。一种是利用电位更负的金属或合金,另一种则利用直流电源。

强制电流阴极保护驱动电压高,输出电流大,有效保护范围广,适用于被保护面积大的长距离、大口径管道。

牺牲阳极阴极保护不需外部电源,维护管理经济,简单,对邻近地下金属构筑物干扰影响小,适用于短距离、小口径、分散的管道。

一. 阴极保护的基本参数

1、最小保护电流密度

使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要的保护电流密度,称作最小保护电流密度。新建沥青管道最小保护电流密度为30—50μA/m2,环氧粉末的管道一般为10--30μA/m2,新建储罐罐底板最小保护电流密度为1--5mA/m2表示,老罐为5—10mA/m2

2、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绝对值最小的负电位值,称之为最小保护电位。

最小保护电位也与金属的种类、腐蚀介质的组成、温度、浓度等有关。最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基准。因此该电位值是监控阴极保护的重要参数。

实验测定在土壤中的最小保护电位为-0.85V(相对饱和硫酸铜参比电极)。

3、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的负电位值,在此电位下管道的防腐层不受到破坏。此电位值就是最大保护电位。

阴极保护电位越大,防腐程度越高,单站保护距离也越长,但是过大的电位将使被保护管道的防腐绝缘层与管道金属表面的粘接力受到破坏,产生阴极剥离,严重时可以出现金属“氢破裂”。同时太大的电位将消耗过多的保护电流,形成能量浪费。

一. 牺牲阳极阴极保护

(一)常见的牺牲阳极材料

1.镁合金阳极

根据形状以及电极电位的不同,镁合金阳极可用于电阻率在 20欧姆.米到 100欧姆.米的土壤或淡水环境。高电位镁合金阳极的电位为-1.75V (CSE);低电位镁阳极的电位为-1.55V(CSE)

2.锌合金阳极

锌合金阳极多用于土壤电阻率小于15 欧姆.米的土壤环境或海水环境。电极电位为-1.1V(CSE)。温度高于40°C时,锌阳极的驱动电位下降,并发生晶间腐蚀。高于60°C时,它与钢铁的极性发生逆转,变成阴极受到保护,而钢铁变成阳极受到腐蚀。所以,锌阳极仅能用于温度低于40°C的环境。

3.回填料

当使用填料时,阳极的电流输出效率提高。如果将阳极直接埋入土攘,由于土壤的成分不均匀,会造成阳极自身腐蚀,从而降低阳极效率。采用填料,一是保持水分,降低阳极的接地电阻,二是使阳极表面均匀腐蚀,提高阳极利用效率。

(二)牺牲阳极的埋设方式

1、牺牲阳极埋设有立式和卧式两,埋设位置分轴向和径向。

2、牺牲阳极在管道的分布宜采用单支或集中成组两种方式。

3、阳极与管道的距离,一般情况下阳极埋设位置应距管道35m,最小不宜小于0.3m,成组埋设时,阳极间距以23m为宜。

1)在管道一侧

阴极保护

2)在管道两侧

牺牲阳极阴极保护


一. 外加电流阴极保护系统的主要设施

外加电流阴极保护系统主要由四部分组成:直流电源、辅助阳极、被保护管道、附属设施。

1、电源设备(恒电位仪)

强制电流系统要求电源设备能够不断地向被保护金属构筑物提供阴极保护电流,要求电源设备安全可靠;电源电压连续可调;能够适应当地的工作环境(温度、湿度、日照、风沙);功率与被保护构筑物相匹配;操作维护简单。

目前常用的阴极保护电源设备有太阳能电池、整流器、恒电位仪,国内多用恒电位仪,都能国产化,恒电位仪不仅能够恒电位输出,还能恒电流输出。用户可以根据需要调节。

2、阳极地床

辅助阳极是外加电流阴极保护系统中,将保护电流从电源引入土壤中的导电体。通过辅助阳极把保护电流送入土壤,经土壤流入被保护的管道,使管道表面进行阴极极化 (防止电化学腐蚀),电流再由管道流入电源负极形成一个回路,这一回路形成了一个电解池,管道在回路中为负极处于还原环境中,防止腐蚀,而辅助阳极进行氧化反应遭受腐蚀。常用的阳极材料有:高硅铸铁、石墨、钢铁、柔性阳极。

阳极地床的设计遵循以下几方面要求:

1)阳极种类的选择

①在一般土壤中可采用高硅铸铁阳极、石墨阳极、钢铁阳极;

②在盐渍土、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。

③高电阻率的地方宜使用钢铁阳极。

④覆盖层质量较差的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。

2)辅助阳极埋设位置的选择

辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀,但过远会增加引线上的电压降和投资,因此辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况选定。选择阳极安装位置的原则是:

①地下水位较高或潮湿低洼处;

②土层厚,无块石,便于施工;

③土壤电阻率一般应小于50欧姆米,特殊地区也应小于100Ω.m

④对邻近的地下金属构筑物干扰小,阳极地床与被保护管道之间不得有其它

金属管道;

⑤考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现的搬迁;

⑥阳极位置与管道的垂直距离不宜小于50m

⑦地面金属构筑物较多,用地狭窄时,可采用深井阳极,以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。

3)辅助阳极的结构

①浅埋式地床结构

将电极埋入距地表15米的土层中, 这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于钢铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。

a.立式阳极:由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成。电极间用电缆联接。其优点有:全年接地电阻变化不大;当阳极尺寸相同时,立式地床的接地电阻较水平式小。

b.水平式阳极:将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中,其优点有:安装土石方量较小,易于施工;容易检查地床各部分的工作情况。

c.联合式阳极:指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成.

②深埋式阳极(深井式)

当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时,使用深埋式阳极,可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(2040)、中深井(50100)和深井(100)三种。

深埋式阳极地床的特点是接地电阻小,对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其是深度超过100米的深阳极,施工需要大钻机,这就限制了它的应用。

浅埋阳极示意图

陕西阴极保护

3、阴极保护的附属设施

①、埋地型参比电极

为了对各种金属的电极电位进行比较,必须有一个公共的对比电极,其电极电位具有良好的稳定性,构造简单,通常有饱和硫酸铜参比电极、锌电极等。其作用是与恒电位仪组成信号源。

参比电极埋设的位置应尽量靠近管道,以减少土壤介质中的IR降影响。

埋地型参比电极的类型:

a、液体硫酸铜参比电极

主要用于测量管地电位,用于埋地使用时,由于密封处理不好,经常会造成渗漏过度,经常添加硫酸铜溶液,且一到冬季又容易冻结,影响恒电位仪的正常工作,目前已很少埋地使用。

b、长效埋地型硫酸铜参比电极

电极结构:电极由素烧陶瓷罐、管状或弹簧状铜电极和硫酸铜晶体所构成。使用前应在水中浸泡24小时,形成饱和硫酸铜溶液。

电极地床结构:在参比电极周围填充510cm厚的填包料。填包料的主要成分为石膏粉、硫酸钠、膨润土,其体积比为75520

②、测试桩

为了定期检测管道阴极保护参数。

③、电绝缘装置

作用:安装绝缘法兰或绝缘接头可以将进行阴极保护的管道和不进行阴极保护的管道绝缘。

④、检查片

检查片是为了定量测量阴极保护效果,在管道沿线典型地段埋设与被保护管道相同的钢制试片。

⑤、均压线

为避免干扰腐蚀,用电缆将同沟敷设、近距离平行或交叉的管道连接起来,以消除管道之间的电位差,此电缆称为均压线。

⑥、导线

阴极保护系统中导线有:阳极线、阴极线、零位接阴线、参比电极引线、测试桩引线

4、管道实施阴极保护的基本条件

①、管道必须处于有电解质的环境中,以便能建立起连续的电路。如土壤、海水、河流等介质中都可以进行阴极保护。

②、管道必须电绝缘。首先,管道必须要采用良好的防腐层尽可能将管道与电解质绝缘,否则会需要较大的保护电流密度。其次,要将管道与非保护金属构筑物电绝缘,否则电流将流失到其他金属构筑物上,造成其他金属构筑物的腐蚀以及管道阴极保护效果的降低。

③、管道必须保持纵向电连续性。

一. 阴极保护投入运行的调试

1、阴极保护投入前对被保护管道的检查

管道对地绝缘的检查:从阴极保护的原理介绍, 已得知没有绝缘就没有保护。为了确保阴极保护的正常运行,在施加阴极保护电流前,必须确保管道的各项绝缘措施正确无误。 应检查管道的绝缘接头的绝缘性能是否正常;管道沿线的阀门应与土壤有良好的绝缘;管道与固定墩、跨越塔架、穿越套管处也应有正确有效的绝缘处理措施,管道在地下不应与其它金属构筑物有"短接"等故障;管道表面防腐层应无漏敷点,所有施工时期引起的缺陷与损伤均应在施工验收时使用埋地检漏仪检测,修补后回填。

2、对阴极保护施工质量的验收

1)对阴极保护间内所有电气设备的安装是否符合《电气设备安装规程》的要求,各种接地设施是否完成,并符合图纸设计要求。

2)对阴极保护的站外设施的选材、施工是否与设计一致。对通电点、测

试桩、阳极地床、阳极引线的施工与连接应严格符合规范要求,尤其是阳极引线接正极,管道汇流点接负极,严禁电极接反。

3)图纸、设计资料齐全完备。

3、阴极保护投入运行的调试

1)组织人员测定全线管道自然电位、土壤电阻率、阳极地床接地电阻,同时对管道环境有一个比较详尽的了解,这些资料均需分别记录整理,存档备用。

2)阴极保护站投入运行

按照恒电位仪的操作程序开启,给定电位保持在-1.20伏左右,待管道阴极极化一段时间(4小时以上)开始记录直流电源输出电流、电压,测试通电点电位、管道沿线保护电位、保护距离等。然后根据所测保护电位,调整通电点电位至规定值,继续给管道送电使其完全极化 (通常在24小时以上)。再重复第一次测试工作,并做好记录。若最远端保护电位过低,则需再适当调节通电点电位。

3)保护电位的控制

各站通电点电位的控制数值, 应能保证相邻两站间的管段保护电位达到-0.85伏以上,同时各站通电点最负电位不允许超过规定数值。调节通电点电位时,管道上相邻阴极保护站间加强联系,保证各站通电点电位均衡。

4)当管道全线达到最小阴极保护电位指标后,投运操作完毕,各阴极保护站进入正常连续工作阶段。


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