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    目錄:

     

    第一章 *

    第二章 陰極保護基本原理 *

    第三章 陰極保護主要參數 *

    第四章 陰極保護準則 *

    第五章 犧牲陽極陰極保護陽極材料 *

    第六章 犧牲陽極接地電阻以及發電量計算 *

    第七章 犧牲陽極的安裝與維護 *

    第八章 網狀陽極 *

    第九章 外加電流陰極保護用陽極材料 *

    第十章 輔助陽極的選擇及計算 *

    十一 陰極保護參數的測量 *

    十二 陰極保護的運行管理 *

    十三 陰極保護中的幾個屏蔽問題 *

     

    第一章

    .防腐蝕的重要意義

    自然界中,大多數金屬是以化合狀態存在的。通過煉制,被賦予能量,才從離子狀態轉變成原子狀態。然而,回歸自然狀態是金屬固有本性。我們把金屬與周圍的電解質發生反應、從原子變成離子的過程稱為腐蝕。

     

    金屬腐蝕廣泛的存在于我們的生活中, 國外統計表明,每年由于腐蝕而報廢的金屬材料, 約相當于金屬產量的20~40%,全世界每年因腐蝕而損耗的金屬達1億噸以上,金屬腐蝕直接和間接地造成巨大的經濟損失, 據有關國家統計每年由于腐蝕而造成的經濟損失,美國為國民經濟總產值的4.2%; 英國為國民經濟總產值的3.5%;日本為國民經濟總值1.8%。

     

    .防腐蝕工程發展概況

     

    六十年代初,我國開始研究陰極保護方法,六十年代末期在船舶,閘門等鋼鐵構筑物上得到應用。

    我國埋地油氣管道的陰極保護始于1958年,六十年代在新疆、大慶、四川等油氣管道上推廣應用,目前,全國主要油氣管道已全部安裝了陰極保護系統,收到明顯的效果。

    第二章 陰極保護基本原理

    一、腐蝕電位或自然電位

    每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位, 稱之為該金屬的腐蝕電位(自然電位)。腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子, 我們稱失去電子的部位為陽極區,得到電子的部位為陰極區。陽極區由于失去電子(如, 鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤)受到腐蝕而陰極區得到電子受到保護。

     

    相對于飽和硫酸銅參比電極(CSE), 不同金屬的在土壤中的腐蝕電位 V

     

    金屬

    電位(CSE

    高純鎂

    -1.75

    鎂合金 (6% Al, 3% Zn, 0.15% Mn)

    -1.60

    -1.10

    鋁合金 (5% Zn)

    -1.05

    純鋁

    -0.80

    低碳鋼 (表面光亮)

    -0.50 to -0. 80

    低碳鋼 (表面銹蝕)

    -0.20 to -0.50

    鑄鐵

    -0.50

    混凝土中的低碳鋼

    -0.20

    -0.20

     

    在同一電解質中,不同的金屬具有不同的腐蝕電位 ,如輪船船體是鋼,推進器是青銅制成的,銅的電位比鋼高,所以電子從船體流向青銅推進器,船體受到腐蝕,青銅器得到保護。鋼管的本體金屬和焊縫金屬由于成分不一樣, 兩者的腐蝕電位差有時可達0.275V,埋入地下后,電位低的部位遭受腐蝕。新舊管道連接后,由于新管道腐蝕電位低,舊管道電位高,電子從新管道流向舊管道,新管道首先腐蝕。同一種金屬接觸不同的電解質溶液(如土壤),或電解質的濃度、溫度、氣體壓力、流速等條件不同,也會造成金屬表面各點電位的不同。

     

    二、參比電極

    為了對各種金屬的電極電位進行比較,必須有一個公共的參比電極。飽和硫酸銅參比電極電極,其電極電位具有良好的重復性和穩定性,構造簡單,在陰極保護領域中得到廣泛采用。不同參比電極之間的電位比較:

     

     

    土壤中或浸水鋼鐵結構最小陰極保護電位(V)

    被保護結構

    相對于不同參比電極的電位

    飽和硫酸銅參比電極

    氯化銀

    參比電極

    參比電極

    飽和甘汞

    參比電極

    鋼鐵(土壤或水中)

    -0.85

    -0.75

    0.25

    -0.778

    鋼鐵(硫酸鹽還原菌)

    -0.95

    -0.85

    0.15

    -0.878

     

    三、陰極保護

     

    陰極保護的原理是給金屬補充大量的電子,使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態,使金屬表面各點達到同一負電位,金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實現這一目的,即,犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

    1. 犧牲陽極陰極保護是將電位更負的金屬與被保護金屬連接,并處于同一電解質中,使該金屬上的電子轉移到被保護金屬上去,使整個被保護金屬處于一個較負的,相同的電位下。該方式簡便易行,不需要外加電源,很少產生腐蝕干擾,廣泛應用于保護小型(電流一般小于1安培)或處于低土壤電阻率環境下(土壤電阻率小于100歐姆.米)的金屬結構。如,城市管網、小型儲罐等。根據國內有關資料的報道,對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓,認為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年,最多5 年。犧牲陽極陰極保護失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導電的硬殼,限制了陽極的電流輸出。本人認為,產生該問題的主要原因是陽極成份達不到規范要求,其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此,設計犧牲陽極陰極保護系統時,除了嚴格控制陽極成份外,一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。
    2.  

    3. 外加電流陰極保護是通過外加直流電源以及輔助陽極,迫使電流從土壤中流向被保護金屬,使被保護金屬結構電位低于周圍環境,。該方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結構,如:長輸埋地管道,大型罐群等。

     

    第三章 陰極保護主要參數

    1.自然電位

    自然電位是金屬埋入土壤后,在無外部電流影響時的對地電位。自然電位隨著金屬結構的材質、表面狀況和土質狀況,含水量等因素不同而異, 一般有涂層埋地管道的自然電位在-0.4~0.7 V CSE 之間,在雨季土壤濕潤時,自然電位會偏負,一般取平均值 -0.55V。

    2.最小保護電位

    金屬達到完全保護所需要的最低電位值。一般認為,金屬在電解質溶液中,極化電位達到陽極區的開路電位時,就達到了完全保護。

    3.最大保護電位

    如前所述,保護電位不是愈低愈好,是有限度的,過低的保護電位會造成管道防腐層漏點處大量析出氫氣, 造成涂層與管道脫離, 即,陰極剝離,不僅使防腐層失效,而且電能大量消耗,還可導致金屬材料產生氫脆進而發生氫脆斷裂,所以必須將電位控制在比析氫電位稍高的電位值, 此電位稱為最大保護電位,超過最大保護電位時稱為"過保護"。

     

    4.最小保護電流密度

    使金屬腐蝕下降到最低程度或停止時所需要的保護電流密度,稱作最小保護電流密度,其常用單位為mA/m 2表示。處于土壤中的裸露金屬,最小保護電流密度一般取10mA/m2。

    5.瞬時斷電電位

    在斷掉被保護結構的外加電源或犧牲陽極0.2 ~ 0.5秒中之內讀取得結構對地電位。由于此時沒有外加電流從介質中流向被保護結構,所以,所測電位為結構的實際極化電位,不含IR降(介質中的電壓降)。由于在斷開被保護結構陰極保護系統時,結構對地電位受電感影響,會有一個正向脈沖,所以,應選取0.2 ~ 0.5 秒之內的電位讀數。

     

    第四章 陰極保護準則

     

    為了便于實際應用,通過多年的實踐與研究,得出了以下幾個判斷結構是否得到充分保護得判斷準則。

     

    1. NACE RP 0169 建議“在通電的情況下,埋地鋼鐵結構最小保護電位為-0.85V CSE或更負, 在有硫酸鹽還原菌存在的情況下,最小保護電位為-0.95V CSE,該電位不含土壤中電壓降(IR降)”。實際測量時,應根據瞬時斷電電位進行判斷。目前流行的通電電位測量方法簡便易行,但對測量中IR降的含量沒有給予足夠重視。其后果是很多認為陰極保護良好的管道發生腐蝕穿孔。這方面的教訓是很多的。如:四川氣田南干線,認為陰極保護良好,但實際內檢測發現腐蝕深度在壁厚的10-19% 的點多達410處; 個別位置的點蝕深度達到50%。 進行斷電電位測量發現,很多點保護電位(斷電電位)沒有達到-0.85V CSE。有效的方法是實際測量幾點的IR降,保護電位按0.85 + IR 降來確定。IR 降可以通過通電電位減去瞬時斷電電位來獲得,也可以用瞬時通電電位減去結構自然電位來獲得。
    2.  

    3. 瞬時斷電電位與自然電位電位之差不得小于100mV。在有些情況下,在斷開電源0.2-0.5秒內測量斷電電位,待結構去極化后(24 或48 小時后)再測量結構電位(自然電位),其差值應不小于 100mV。也可以用通電電位(極化后)減去瞬時通電電位來計算極化電位。
    4.  

       

    5. 最大保護電位的限制應根據覆蓋層及環境確定,以不損壞覆蓋層的粘結力為準,一般瞬時斷電電位不得低于-1.10V CSE。由于受舊規范的影響,很多人還認為陰極保護最大電位不能低于-1.5V CSE。事實上這種觀念使錯誤的,造成的危害也是巨大的。判斷陰極保護電位是否過大應以斷電電位為判斷基礎,只要斷電電位不低于-1.1V CSE(西歐為-1.15V CSE),通電電位再大也沒有關系。

    第五章 犧牲陽極陰極保護陽極材料

     

    1. 鎂犧牲陽極,根據形狀以及電極電位的不同,鎂陽極可用于電阻率在 20歐姆.米到 100歐姆.米的土壤或淡水環境。高電位鎂陽極的電位為 1.75V CSE; 低電位鎂陽極的電位為1.55V CSE。
    2. 鎂陽極陽極規格

      型號

      重量Kg

      犧牲陽極尺寸 mm

      A

      B

      C

      填包長度D

      填包袋直徑E

      9D2

      4.08

      60.9

      76.2

      549.3

      432

      152

      14D2

      6.35

      69.9

      76.2

      850.9

         

      20D2

      9.07

      69.9

      76.2

      1213

         

      9D3

      4.08

      88.9

      95.3

      352.4

      432

      152

      17D3

      7.71

      88.9

      95.3

      641.4

      483

      165

      32D5

      14.51

      139.7

      146.1

      504.8

      762

      203

      48D5

      21.77

      139.7

      146.1

      765.2

      450

      254

       

       

      鎂陽極化學成分

      元素

      高電位陽極

      AZ63B

      AZ63C

      AZ63D

      AZ31

      AL

      0.01

      5.30-6.70

      5.30-6.70

      5.0-7.0

      2.5-3.3

      Zn

      2.50-3.50

      2.50-3.50

      2.0-4.0

      0.6-1.4

      Mn

      0.5-1.3

      0.15-0.70

      0.15-0.70

      0.15-0.70

      0.20

      Si

      0.05

      0.10

      0.30

      0.30

      0.10

      Cu

      0.02

      0.02

      0.05

      0.10

      0.015

      Ni

      0.001

      0.002

      0.003

      0.003

      0.001

      Fe

      0.03

      0.005

      0.005

      0.005

      0.002

      Other

      0.05

             

      Impurity

      0.30

      0.30

      0.30

      0.30

      0.30

      Mg

      Mg

      Mg

      Mg

      Mg

      Mg

       

       

      鎂陽極電化學性能

      陽極種類

      開路電位(-V

      理論電容量(Ah/Kg

      電流效率 %

      高電位鎂陽極

      1.70-1.75

      2200

      50

      AZ63 鎂陽極

      1.50-1.55

      2210

      50

      AZ31 鎂陽極

      1.57-1.67

      2210

      50

       

      鎂陽極消耗量計算

       

       

      I = 陽極電流輸出 (Amps)

      t = 設計壽命 ( years)

      U = 電流效率 (0.5)

      Z = 理論電容量 (2200 Ah/kg)

      Q = 陽極使用率 85%

      W= 陽極重量 (Kg)

       

    3. 鋅犧牲陽極,鋅犧牲陽極多用于土壤電阻率小于15 歐姆.米的土壤環境或海水環境。電極電位為1.1V CSE。溫度高于40 ° C 時,鋅陽極的驅動電位下降,并發生晶間腐蝕。高于60 ° C 時,它與鋼鐵的極性發生逆轉,變成陰極受到保護,而鋼鐵變成陽極受到腐蝕。所以,鋅陽極僅能用于溫度低于40 ° C的環境。
    4. 化學成分

      AL

      Cd

      Fe

      Cu

      Pb

      Si

      Zn

      0.3-0.6

      0.05-0.12

      0.005

      0.005

      0.006

      0.125

      Balance

       

       

      電化學性能

      項目

      開路電位 V

      理論電容量

      電流效率

      性能

      -1.05 - 1.09

      820A.h/Kg

      90%

       

       

      鋅陽極消耗量計算

       

       

      I = 陽極電流輸出 (Amps)

      t = 設計壽命 ( years)

      U = 電流效率 (0.90)

      Z = 理論電容量 (827 Ah/kg)

      Q = 陽極使用率 (85%

      W= 陽極重量 (Kg)

       

    5. 鋁犧牲陽極,大多用于海水環境金屬結構或原油儲罐內底板的陰極保護。其電極電位為 1.05V CSE。電容量隨溫度遞減,可參考公式:
    6.  

      Z=2000-27(T-20), ( T 陽極工作溫度 ° C)。

       

      鋁陽極用量計算:

      I = 陽極電流輸出 (Amps)

      t = 設計壽命 ( years)

      U = 電流效率 (0.95)

      Z = 理論電容量 (2000Ah/kg)

      Q = 陽極利用率 (85%

      W= 陽極重量 (Kg)

       

    7. 帶狀陽極
    8.  

      為了減小陽極接地電阻,有時會采用帶狀鎂陽極或鋅陽極。 陽極帶沿被保護結構鋪設,使電流分布更加均勻。當陽極帶沿管道鋪設時,每隔一段距離就應該與管道連接一次。間距不應太大,因為隨著陽極的消耗,截面積不斷減小,陽極帶電阻會逐步增大。為了減少沿陽極帶的電壓降,連接間隔一般不大于305米。如果將帶狀陽極直接埋到土壤或回填砂中,陽極可能會發生自身腐蝕,使用壽命縮短。帶狀陽極的一般規格為19x9.5mmx305m 每卷。

       

       

    9. 回填料

    當使用填料時,陽極的電流輸出效率提高。如果將陽極直接埋入土攘,由于土壤的成分不均勻,會造成陽極自身腐蝕,從而降低陽極效率。采用填料,一是保持水分,降低陽極的接地電阻,二是使陽極表面均勻腐蝕,提高陽極利用效率。

     

    第六章 犧牲陽極接地電阻以及發電量計算

     

    一、 陽極接地電阻

    Ra = 陽極接地電阻 (ohms)

    r = 土壤電阻率 (ohm-m)

    L = 陽極長度 (m)

    r = 陽極半徑 (m

     

    需要指出的是,由于填料電阻率很低,陽極的長度和半徑是根據填料袋尺寸來確定。

    二、 陽極驅動電位

    假設被保護結構的極化電位為 -1.0V,則驅動電壓 D V = V + 1.0。

    V = 陽極電位:

    高電位鎂陽極-1.75V, 低電位鎂陽極 -1.55V; 鋅陽極電位-1.10V。

    三、 陽極發電量計算

    陽極實際發電量 I = D V/Ra

    四、 應用舉例:

    某埋地管道, 長度為13公里,直徑159毫米,環氧粉末防腐層,處于土壤電阻率30歐姆.米環境中,犧牲陽極設計壽命 15 年。計算陽極的用量。

    由于土壤電阻率較高,設計采用高電位鎂陽極陰極保護系統。

     

    1. 被保護面積: A = p x D x L

    D = 管道直徑,159mm

    L = 管道長度,13 x 103 m

    A = 3.14 x 0.159 x 13000 = 6490m2

     

    2、 所需陰極保護電流: I = A x Cd x E

    I = 陰極保護電流

    Cd= 保護電流密度,取 10mA/m2

    E = 涂層效率, 98%

    I = 6490 x 10 x 2% = 1298mA

     

    3、 根據設計壽命以及陽極電容量計算陽極用量

     

    I = 陽極電流輸出 (Amps)

    t = 設計壽命 ( years)

    U = 電流效率 (0.5)

    Z = 理論電容量 (2200 Ah/kg)

    Q = 陽極使用率 85%

    W= 陽極重量 (Kg)

     

    = 183 Kg

     

    選用7.7公斤鎂陽極, 需要 24 支。

     

    4、根據陽極實際發電量計算陽極用量

    Ra = 陽極接地電阻 (ohms)

    r = 土壤電阻率 (ohm-m)

    L = 陽極長度 (m)

    r = 陽極半徑 (m

     

    7.7 Kg 陽極填包后尺寸為, = 762mm; 直徑 = 152mm.。

     

    = 16.9 W

    假設管道的自然電位為 -0.55V,極化電位 -1.0V, 保護電流 1298mA, 則管道的接地電阻為 = 0.35 W , 加上導線電阻,則電路電阻共計17.5W 。

     

    假設管道的極化電位為-1.0V, 鎂陽極的驅動電位為 -1.75V, 則鎂陽極的驅動電壓為 0.75V。

    單支陽極的輸出電流為: 0.75/17.5 = 43 mA, 輸出1298mA 電流需要陽極為 1298/43 = 30.1支, 取 30 支。

    由于根據接地電阻計算的陽極用量大于根據電流量計算的陽極用量,所以,取30支陽極。

    將 30 支陽極沿管道每隔433米埋設一支,然后與管道連接。

     

    5. 犧牲陽極系統實際壽命驗算:

     

    =30x7.7

    t = 19 yrs.

    犧牲陽極系統的實際壽命為 19 年。

    第七章 犧牲陽極的安裝與維護

    與外加電流陰極保護相比,犧牲陽極的安裝比較簡單。當一個位置有幾支陽極時,陽極要直線排列以降低電阻。陽極可以與管道垂直,也可以與管道平行。為了減小陽極場的影響,當陽極與管道平行時,鎂陽極與管道的距離最小為5米; 鋅陽極與管道的最小距離為1.5米(空間允許時,間距最好3米)。如果管道帶空間受到限制,也可以將陽極埋設在較深的部位以滿足與管道間距的要求。

     

    犧牲陽極陰極保護系統的維護很簡單,經常檢查陽極的輸出電流,陽極消耗盡后,及時更換。

    第八章 網狀陽極

    網狀陽極 是混合金屬氧化物帶狀陽極與鈦金屬連接片交叉焊接組成的外加電流陰極保護輔助陽極。將該陽極網予埋在儲罐基礎中,為儲罐底板提供保護電流。與其他方式的陰極保護相比,該系統具有如下優點:

     

    1. 電流分布非常均勻,輸出可調,保證儲罐充分保護。
    2. 產生的雜散電流很少,不會對其他結構造成腐蝕干擾
    3. 不需要回填料,安裝簡單,由于大量工作已經在工廠內完成,質量容易保證。
    4. 儲罐與管道之間不需要絕緣,不需對電氣以及防雷接地系統作任何改造。
    5. 不易受今后工程施工的損壞,使用壽命長

     

     

    第九章 外加電流陰極保護用陽極材料

    外加電流陰極保護是防止地下金屬結構如管道、儲罐、等腐蝕的有效方法.輔助陽極是外加電流系統中的重要組成部分,其作用是將保護電流經過介質傳遞到被保護結構物表面上.

     

    1 對陽極的性能要求

     

      地下結構物外加電流陰極保護用陽極通常并不直接埋在土壤中,而是在陽極周圍填充碳質回填料而構成陽極地床。碳質回填料通常包括冶金焦碳、石油焦碳和石墨顆粒等;靥盍系淖饔檬墙档完枠O地床的接地電阻,延長陽極的使用壽命。

      針對陽極的工作環境,結合實際工程的要求,理想的埋地用輔助陽極應當具有如下性能:

      (1)良好的導電性能,工作電流密度大,極化;

      (2)在苛刻的環境中,有良好的化學和電化學穩定性,消耗率低,壽命長;

      (3)機械性能好,不易損壞,便于加工制造,運輸和安裝;

      (4)綜合保護費用低.

     

    2 各類陽極的性能特點

     

    2.1 廢鋼鐵陽極

      廢鋼鐵是早期外加電流陰極保護常用陽極材料,其來源廣泛,價格低廉.由于是溶解性陽極,表面很少析出氣體,因而地床中不存在氣阻問題.其缺點是消耗速率大,在土壤中為8.4 kg/A.a,使用壽命較短,多用于臨時性保護或高電阻率土壤中。

    2.2 石墨陽極

      石墨是由碳素在高溫加熱后形成的晶體材料,通常用石蠟、亞麻油或樹脂進行浸漬處理,以減少電解質的滲入,增加機械強度.經浸漬處理后,石墨陽極的消耗率將明顯減小。石墨陽極在地床中的允許電流密度為5~10 A/m2

    石墨陽極價格較低,并易于加工,但軟而脆,不適于易產生沖刷和沖擊作用的環境,在運輸和安裝時易損壞,隨著新的陽極材料出現,其在地床中的應用逐漸減少。

     

    2.3 高硅鑄鐵陽極

      高硅鑄鐵幾乎可適用于各種環境介質如海水、淡水、咸水、土壤中。當陽極電流通過時,在其表面會發生氧化,形成一層薄的SiO2多孔保護膜,極耐酸,可阻止基體材料的腐蝕,降低陽極的溶解速率.但該膜不耐堿和鹵素離子的作用.當土壤或水中氯離子含量大于200×10-4 %時,須采用加4.0 %~4.5 % Cr的含鉻高硅鑄鐵.高硅鑄鐵陽極在干燥和含有較高硫酸鹽的環境中性能不佳,因為表面的保護膜不易形成或易受到損壞。

      高硅鑄鐵陽極具有良好的導電性能,高硅鑄鐵陽極的允許電流密度為5~80 A/m2,消耗率小于0.5 kg/A.a。除用于焦碳地床中以外,高硅鑄鐵陽極有時也可直接埋在低電阻率土壤中.

      高硅鑄鐵硬度很高,耐磨蝕和沖刷作用,但不易機械加工,只能鑄造成型,另外脆性大,搬運和安裝時易損壞.為提高陽極利用率,減少“尖端效應”,可采用中間連接的圓筒形陽極.

    2.5 鉑陽極

      鉑陽極是在鈦、鈮、鉭等閥金屬基體上被覆一薄層鉑而構成的復合陽極.鉑層復合的方法很多,如水溶液電鍍、熔鹽鍍、離子鍍、點焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或軋制、熱分解沉積等.鉑陽極的特點是工作電流密度大,消耗速率小、重量輕,已在海水、淡水陰極保護中得到廣泛使用。

      鈦和鈮是應用最多的陽極基體,鉭用得較少,這是因為其價格高,而鈮和鈦通常又能滿足使用性能要求.在含有氯離子介質中,鈦的擊穿電位為12~14 V,而鈮的擊穿電位為40~50 V。因此在地下水中含有較高氯離子的深井地床中采用鉑鈮陽極更為可靠。

      由于鉑陽極價格較昂貴,不可能大面積采用;在地床中消耗速率大;而且地床接地電阻隨時間延長逐漸增大,所以鉑陽極在地床中遠不如高硅鑄鐵和石墨陽極用得廣泛,并且有人不推薦在地床中使用鉑陽極。

    2.6 聚合物陽極

      聚合物陽極是在銅芯上包覆導電聚合物而構成的連續性陽極,也稱柔性陽極或纜形陽極.銅芯起導電的作用,而導電聚合物則參與電化學反應.由于銅芯具有優良的電導性,因此可以在數千米長的陽極上設一匯流點,聚合物陽極在土壤中使用時,需在其周圍填充焦碳粉末而構成陽極地床,其在地床中最大允許工作電流為82 mA/m,盡管與其它陽極相比,其工作電流密度很低,但由于可靠近被保護結構物鋪設連續地床,因此可提供均勻、有效的保護.

      聚合物陽極安裝簡便,特別適于裸管或涂層嚴重破壞的管道、受屏蔽的復雜管網區的保護以及高電阻率的土壤中。但應注意不能過度彎曲。

    2.7 混合金屬氧化物陽極

      混合金屬氧化物陽極是在鈦基體上被覆一層具有電催化活性的混合金屬氧化物而構成,最早應用于氯堿工業,后推廣應用于其它工業,包括陰極保護領域。由于采用鈦為基體,因而易于加工成各種所需的形狀,并且重量輕,這為搬運和安裝帶來了方便.由于電極表面為高催化活性的氧化物層所覆蓋,在表面的一些缺陷處露出的鈦基體的電位通常不會超過2伏,因此鈦基體不會產生表面鈍化膜擊穿破壞(在土壤中使用時,外加電壓一般控制在60伏以下);旌辖饘傺趸镪枠O還具有極優異的物理、化學和電化學性能.其涂層的電阻率為10-7 Ω.m,極耐酸性環境的作用,極化小并且消耗率極低.通過調整氧化物層的成份,可以使其適于不同的環境,如海水、淡水、土壤中.

      混合金屬氧化物陽極在地床中于100 A/m2,工作電流密度下使用壽命可達20年,其消耗速率約2 mg/A.a,由于混合金屬氧化物陽極具有其它陽極所不具備的優點,它已成為目前最為理想和最有前途的輔助陽極材料.

     

    第十章 輔助陽極的選擇及計算

     

    輔助陽極又稱陽極接地裝置,陽極地床。它是強制電流陰極保護中不可缺少的重要組成部分, 通過輔助陽極把保護電流送入土壤,經土壤流入被保護的管道,使管道表面進行陰極極化 (防止電化學腐蝕)電流再由管道流入電源負極形成一個回路,這一回路形成了一個電解池,管道為負極處于還原環境中,防止腐蝕,而輔助陽極進行氧化反應,遭受腐蝕,也可能是周圍電解質被氧化。

    陰保站的電能60%消耗在陽極接地電阻上, 故陽極材料的選擇和埋設方式,場所的選擇,對減小電阻節約電能是至關重要的。陽極材料必須有良好的導電性能,在與土壤或地下水接觸時有穩定的接地電阻,即使在高電流密度下, 其表面的極化較小;化學穩定性好,在惡劣環境中腐蝕率小;有一定的機械強度并便于加工和安裝;價格低來源方便。

    1.輔助陽極埋設位置的選擇

    輔助陽極與管道距離愈遠電流分布愈均勻, 但過遠會增加引線上的電壓降和投資。從實測數據來看輔助陽極距匯流點200米以內時,對電流分布影響較大,遠于300米后影響就不大了。故在長輸管道的干線上陽極一般設在距管道300~500米之間為宜。管道較短或油氣管道較密集的地區, 采用50~300米之間是合適的;ǜ窬設計是450m,對于土壤電阻率很大的地區是否過遠, 是值得研究的問題。因此對處于特殊地形、環境的管道,輔助陽極的距離和埋設方式應根據現場情況慎重選定。

    在陰保站址選定的同時, 應在予選站址與管道的一側選擇陽極安裝的位置,其原則是:

    (1) 地下水位較高或潮濕低洼處;

    (2)土層厚,無塊石,便于施工;

    (3)土壤電阻率一般應小于50歐姆米,特殊地區也應小于100歐姆米

    (4)對鄰近的地下金屬構筑物干擾小,陽極地床與被保護管道之間不得有其它金屬管道。

    (5)考慮陽極附近地域近期發展規劃及管道發展規劃以避免建后可能出現的搬遷.

    (6)陽極地床位置與管道匯流點距離適當

    (7)地面金屬構筑物較多,用地狹窄時,可采用深井陽極,以減小對其它金屬構物的干擾又節約用地。

    陽極接地電阻約占直流回路電阻60%左右, 大部分能量損失是由它造成的,因此合理選擇陽極地床位置,降低接地電阻是十分重要的工作。

     

    1. 輔助陽極的結構
    2.  

      1.淺埋式地床結構

      將電極埋入距地表1~5米的土層中, 這是管道陰極保護一般選用的陽極埋設形式。淺埋式陽極又可分為立式,水平式兩種,對于鋼鐵陽極可能兩種聯合稱為聯合式陽極。

      (1)立式陽極

      由一根或多根垂直埋入地中的陽極排列構成。電極間用電纜聯接。其優點有:

      a.全年接地電阻變化不大;

      b. 當陽極尺寸相同時,立式地床的接地電阻較水平式小。

      (2)水平式陽極

      將陽極以水平方向埋入一定深度的地層中,其優點有:

      a.安裝土石方量較小,易于施工;

      b.容易檢查地床各部分的工作情況。

      (3)聯合式陽極

      指采用鋼鐵材料制成地床,它由上端聯接著水平干線的一排立式陽極所組成.

      2.深埋式陽極(深井式)

      當陽極地床周圍存在干擾、 屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管網密集區進行區域性陰極保護時, 使用深埋式陽 極,可獲得淺埋式陽極所不能得到的保護效果。 深埋式地床根據埋設深度不同可分為淺深井(20~40米)、中深井(50~100米)和深井(>100米)三種。

      深埋式陽極地床的特點是接地電阻小, 對周圍干擾小,消耗功率低,電流分布比較理想。它的缺點是施工復雜技術要求高,單井造價貴。尤其是深度超過100米的深陽極,施工需要大鉆機,這就限制了它的應用。

      4.陽極地床填料的應用

      石墨陽極無論采用淺埋或深埋都必須添加回填料。 高硅鐵陽極一般需要添加回填料,但在特殊地質可能不使用回填料,如沼澤、流砂層地區等。

      (1)陽極地床填料的功能

      1)增大陽極與土壤的接觸,從而降低地床接地電阻;

      2)將陽極電極反應轉移到填料與土壤之間進行,延長陽極的使用壽命;

      3)填料可以消除氣體堵塞。

      (2)對填料的要求

      1)填料顆粒必須是導電體,以保證陽極與土壤之間良好的導電性。

      2)填料應成本低,來源廣,具有較連續的接觸表面。

      常用的回填料是焦炭粒,也可采用石墨加上石灰充填,以保持陽極周圍呈堿性。通常用的焦炭粒性能規格見下表。

       

      陽極地床回填用焦炭粒性能規格 表.1

       

      種 類

      粒 徑

      比 重

      電 阻 率

      灰分

      消耗率

      (mm)

      公斤/米

      歐姆·厘米

      公斤/安.年

      煤焦油焦炭粒

      6~15

      641~301

      10~50

      <10

      <0.9

      鍛燒石油焦炭粒

      6~15

      72~1121

      10~50

      <10

      <0.9

       

      確保陽極與回填料良好的電接觸, 填料必須在陽極周圍夯實。否則會使一部分電流從陽極直接流向土壤而縮短陽極使用壽命。

      在粘土地區,若陽極地床通過電流太大,可采用電極帶孔的硬塑料管,由填料層直接通地面, 及時地將陽極周圍產生的氣體排出地面。對于較干燥地區可向地床注水降低接地電阻。

      (3)回填料的重量

      可用下述簡單方法估計填料的容積: 陽極地床孔徑為陽極直徑的三倍。且在電極上下各填300毫米填料。 對粒徑為15mm,比重為0.6噸/米3的焦炭粒來說, 每支ф100×1500陽極的參考用量為200公斤。

       

    3. 陽極數量與接地電阻

     

    陽極數量與接地電阻成反比關系。在一定范圍內增加陽極支數會起到降低接地電阻的作用。 但是由于陽極間的屏蔽效應,往往增加較多支的陽極, 而降低電阻卻很少。所以對于陽極數量的選擇是一個經濟效益問題。在確定陽極數量時需要考慮主要因素為:

    1. 要使陽極輸出的電流在陽極材料允許的電流額度內,以保證陽極地床的使用壽命。

    2.在經濟合理的前提下,陽極接地電阻應盡量做到最小,以降低電能耗量。 即對接地電阻規定一個合適的數值。目前接地電阻一般不大于1歐左右,在特殊地區可根據現場情況選定。

    十一 陰極保護參數的測量

    一.測量儀器

    (一)分類

    按測量種類可分為:

     

    1.電流 安培計 單位安培 A

    毫安計 單位毫安 mA

    2.電壓 伏特計 單位伏特 V

    毫伏計 單位毫伏 mV

    3.電阻 歐姆計 單位歐姆 Ω

    兆歐計 單位兆歐 MΩ

    4.電功率 P = VI 單位mW、W、kW

     

    二. 測量方法

    1.儀表應具有滿足測試要求,顯示速度,攜帶方便,耗電小,堅固耐震,按國家有關規定進行校驗。

    2.提高準確度宜選用數字式儀表。

    3.直流電流表選用原則

    ①內阻應小于被測回路總電阻的5%。

    ②電流表的靈敏閥應小于被測電流值的5%。

    ③電流表準確度應不低于2.5級。

    4.直流電壓表選用原則

    ①內阻≥100kΩ/V

    ②靈敏閥應小于被測電壓值的5%。

    ③準確度應不低于2.5級。

    5.管地電位測量應采用銅--飽和硫酸銅的參比電極

    ①銅電極采用紫銅(純度>99.7%)

    ②CuSO4采用化學純,用蒸餾水配制

    ③滲透膜采用滲透率高的微孔材料

    ④允許電流密度≤5μA/cm2

    6.連接點接觸良好

    7.導線宜采用銅芯絕緣軟線,若有電磁干擾時宜選用屏蔽導線。

    三.管地電位測試

    1.地表參比法

    1. 用于測量管道自然電位、保護電位和犧牲陽極的開路,閉路電位的測量。
    2. 線路連接見照片

    c.使用高阻電壓表

    推薦使用數字萬用表,如 TD-830

    d.CSE放在管道頂上方潮濕土壤,保證與土壤接觸良好。每次采用方法應相同,不然測量誤差太大造成錯誤判斷。

    e.電壓表撥到合適的量程上

    2.近參比法

    a.當土壤IR降較大時,推薦采用近參比法。b.沿管頂方向,距測試樁1m范圍內挖一個安放參比電極的探坑,將參比電極置于距管壁3~5cm處。

     

    四.絕緣法蘭絕緣性能測試

    1)兆歐表法

    用于在安裝之前測量絕緣電阻值,用磁性接頭將500V兆歐表輸入端的測量導線壓接在絕緣法蘭的短管上, 轉動兆歐表手柄,使手搖發電機達到規定轉速10秒鐘,此時兆歐表指針穩定指示的電阻即為絕緣蘭的絕緣電阻值。

    2.電位法

    a.用于判斷安裝在管道上絕緣法蘭的絕緣性能。

    b. 在陰極保護通電之前,用數字萬用表測量絕緣法蘭非保護側法蘭盤a的對地電位Va1;使保護側法蘭盤的對地位Vb達到保護電位值(-0.85~-1.5V),再測量a點的對電位Va2,若Va2與Va1基本相同, 一般認為絕緣法蘭絕緣性能良好;若 Va2>Va1,且Va2接近Vb的數值,則一般認為絕緣法蘭絕緣性能很差。

     

    五.土壤電阻率的測量

    1.四極法測量步驟

    1)在測量區沿直線等距離插入四根金屬電極,電極彼此相距S米,S米為測量深度,插入地表深度為1/20S為宜。

    2)將儀表穩定平放地面,調整儀表指針在標準黑線上。

    3)打開C2和P2連接片,四根導線分別連接到相應的電極上。

    4)倍率開關置于X10檔,轉動手搖發電極(120轉/分)同時旋轉測量標度盤旋紐使指針對準標準黑線,如小于1,倍率減小一擋,(倍率標度在3擋X10,X1,X0.1)至得到準確值,R=倍率擋值X測量標度盤讀數。

    5)計算ρ=2πsR ρ為Sm深土壤電阻率。

     

    六.犧牲陽極輸出電流的測量

    將 0.1 ohm.的標準電阻串聯在陽極輸出線中, 采用準確度0.02 級的數字萬用表測量電壓降,除以電阻即可以得到輸出電流.

    七.接地電阻測量

    1).輔助陽極接地電阻測量.

    采用三極法,土壤電阻率均勻時,遠電極距陽極2L, 中間極距陽極 L, 測量接地電阻.測量過程中,移動 3 次中間極,移動距離為10% L. 如3 次測量的數據接近,則取此電阻值. 其中 L 為陽極長度, 測量方向與陽極方向垂直.

    2).測量犧牲陽極接地電阻時,方法與上述類似,間距分別為 20米和 40 米.注意應把陽極與管道斷開.(參見“埋地鋼制管道陰極保護參數測試方法,SYJ23-86” )

     

    第十二 陰極保護的運行管理

    一.陰極保護投入前的準備和驗收

    (一)陰極保護投入前對被保護管道的檢查

    1.管道對地絕緣的檢查

    從陰極保護的原理介紹, 已得知沒有絕緣就沒有保護。為了確保陰極保護的正常運行,在施加陰極保護電流前,必須確保管道的各項絕緣措施正確無誤。 應檢查管道的絕緣法蘭的絕緣性能是否正常;管道沿線布置的設施如閥門、 抽水缸、閘井均應與土壤有良好的絕緣;管道與固定墩、跨越塔架、穿越套管處也應有正確有效的絕緣處理措施。管道在地下不應與其它金屬構筑物有"短接"等故障。

    管道表面防腐層應無漏敷點,所有施工時期引起的缺陷與損傷,均應在施工驗收時使用DCVG檢漏儀檢測,修補后回填。

    2.管道導電性檢查

    對被保護管道應具有連續的導電性能。

    3.舊管道對地絕緣狀態的檢查,應按設計要求處理。對是否修補防腐涂層,排除接地故障(如防靜電接地極等),應根據技術經濟條件比較確定。對管道導電性的檢查,仍需按前述要求進行。

    (二)對陰極保護施工質量的驗收

    1.對陰極保護間內所有電氣設備的安裝是否符合《電氣設備安裝規程》的要求,各種接地設施是否完成,并符合圖紙設計要求。

    2.對陰極保護的站外設置的選材、施工是否與設計一致。對通電點、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應嚴格符合規范要求。尤其是陽極引線接正極,管道江流點接負極,嚴禁電極接反。

    3.圖紙、設計資料齊全完備。

    二.陰極保護投入運行

    1.組織人員測定全線管道自然電位、土壤電阻率、各站陽極地床接地電阻。 同時對管道環境有一個比較詳盡的了解,這些資料均需分別記錄整理,存檔備用。

    2.陰極保護站投入運行

    按照直流電源(整流器、恒電位儀、蓄電池等)操作程序給管道送電,使電位保持在-1.30伏左右,待管道陰極極化一段時間(四小時以上)開始測試直流電源輸出電流、電壓、通電點電位、管道沿線保護電位、保護距離等。然后根據所測保護電位,調整通電點電位至規定值,繼續給管道送電使其完全極化 (通常在24小時以上)。再重復第一次測試工作,并做好記錄。 若個別管段保護電位過低,則需再適當調節通電點電位至滿足全線陰極保護電位指標為止。

    3.保護電位的控制

    各站通電點電位的控制數值, 應能保證相鄰兩站間的管段保護電位達到-0.85伏,同時,各站通電點最負電位不允許超過規定數值。調節通電點電位時,管道上相鄰陰極保護站間加強聯系,保證各站通電點電位均衡。

    4. 當管道全線達到最小陰極保護電位指標后,投運操作完畢。各陰極保護站進入正常連續工作階段。

    三.陰極保護站的日常維護管理

    1.陰極保護設施的日常維護

    電氣設備定期技術檢查。電氣設備的檢查每周不得少于一次,有下列內容:

     1)檢查各電氣設備電路接觸的牢固性,安裝的正確性,個別元件是否有機械障礙。 檢查接接陰極保護站的電源導線,以及接至陽極地床、通電點的導線是否完好,接頭是否牢固。

    2) 檢查配電盤上熔斷器的保險絲是否按規定接好,當交流回路中的熔斷器保險絲被燒毀時,應查明原因及時恢復供電。

    3) 觀察電氣儀表,在專用的表格上記錄輸出電壓、電流、通電點電位數值, 與前次記錄(或值班記錄)對照是否有變化,若不相同,應查找原因,采取相應措施,使管道全線達到陰極保護。

    4) 應定期檢查工作接地和避雷器接地,并保證其接地電阻不大于10歐姆,在雷雨季節要注意防雷。

    5) 搞好站內設備的清潔衛生,注意保持室內干燥,通電良好,防止儀器過熱。

    2.恒電位儀的維護。

    1)陰極保護恒電位儀一般都配置兩臺,互為備用,因此應按管理要求定時切換使用。改用備用的儀器時,應即時進行一次觀測和維修。儀器維修過程中不得帶電插、拔各插接件、印刷電路板等。

    2)觀察全部零件是否正常,元件有無腐蝕,脫焊、虛焊、損壞、各連接點是否可靠,電路有無故障,各緊固件是否松動,熔斷器是否完好,如有熔斷,需查清原因再更換。

    3)清潔內部,除去外來物。

    4)發現儀器故障應及時檢修,并投入備用儀器,保證供電。每年要計算開機率。

    全年小時數 - 全年停機小時數

    開機率 = ──────────────

    全年小時數

     

    3.硫酸銅電極的維護。

    1)使用定型產品或自制硫酸銅電極,其底部均要求做到滲而不漏,忌污染。使用后應保持清潔,防止溶液大量漏失。

    2) 作為恒定電位儀信號源的埋地硫酸銅參比電極,在使用過程中需每周查看一次,及時添加飽和硫酸銅溶液。嚴防凍結和干涸,影響儀器正常工作。

    3)電極中的紫銅棒使用一段時間后,表面會粘附一層蘭色污物,應定期擦洗干凈, 露出銅的本色。配制飽和硫酸銅溶液必須使用純凈的硫酸銅和蒸餾水。

     

    4.陽極地床的維護。

    1)陽極架空線:每月檢查一次線路是否完好,如電桿有無傾斜,瓷瓶、導線是否松動,陽極導線與地床的連接是否牢固,地床埋設標志是否完好等。發現問題及時整改。

    2) 陽極地床接地電阻每半年測試一次,接地電阻增大至影響恒電位儀不能提供管道所需保護電流時,應該更換陽極地床或進行維修,以減小接地電阻。

     

    5.測試樁的維護。

    1) 檢查接線柱與大地絕緣情況,電阻值應大于100千歐,用萬用表測量,若小于此值應檢查接線柱與外套鋼管有無接地,若有,則需更換或維修。

    2) 測試樁應每年定期刷漆和編號。

    3) 防止測試樁的破壞丟失,對沿線城鄉居民及兒童作好愛護國家財產的宣傳教育工作。

    6.絕緣法蘭的維護。

    1)定期檢測絕緣法蘭兩側管地電位,若與原始記錄有差異時,應對其性能好壞作鑒別。如有漏電情況應采取相應措施。

    2) 對有附屬設備的絕緣法蘭(如限流電阻、過壓保護二極管、防雨護罩等)均應加強維護管理工作,保證完好。

    3)保持絕緣法蘭清潔、干燥,定期刷漆。

     

    7.陰極保護管理

    1)每條陰極保護管道,都應制符合本管道實際情況的<<陰極保護運行管理規定>>,使陰極保護的日常測試、控制、調整、維修等方面的工作均按此進行。

    2)加強陰極保護的組織、領導。保持室內設備整潔,達到無故障、無缺陷、 無銹蝕、無外來物。實現三圖上墻,即線路走向圖、保護電位曲線圖、崗位責任制。

    3)陰極保護站投產后,電氣設備接線不得擅自改動,需要改變的應由主管部門作出方案,經批準后方能執行。

    4)每日檢查測量通電點電位,填寫好運行日志,向生產調度部門匯報陰極保護站運行情況。

    5)陰極保護站向管道輸送電不得中斷。停運一天以上須報主管部門備案。利用管道停電方法調整儀器, 一次不得超過2小時,全年不超過30小時。保證全年98%以上時間給管道送電。

    6)保持通電點電位在規定值,沿管道測定陰極保護電位,此種測量在陰極保護站運行初期每周一次, 以后每兩周或一月測量一次。并將保護電位測量記錄,造表,繪圖上報主管部門。

    7)每年在規定時間內測量管道沿線自然電位和土壤電阻率各一次。

    8)檢查和消除管道接地故障,使全線達到完全的陰極保護。

     

     

    四.犧牲陽極的維護

     

    管道犧牲陽極保護日常維護工作量不多, 除按外加電流陰極保護的要求進行保護電位測量, 測試樁維護保養,絕緣法蘭檢測,接地故障排除等工作外,建議每月測定各參數。據此分析管道保護狀況。若陽極性能變壞,則需采取相應措施。

     

    五.陰極保護系統常見故障的分析

     

    1.保護管道絕緣不良,漏電故障的危害

    在陰極保護站投入運行,或犧牲陽極保護投產一段時間后,出現了在規定的通電點電位下, 輸出電流增大,管道保護距離卻縮短的現象,或者在犧牲陽極系統中,犧牲陽極組的輸出電流量增大,其值已超過管道的保護電流需要, 但保護電位仍達不到規定指標的現象。發生上述情況的原因,主要是被保護金屬管道與未被保護的金屬結構物"短路",這種現象稱之為陰極保護管道漏電,或者叫做"接地故障"。

    接地故障,使得被保護管道的陰極保護電流流入非保護金屬體,在兩管道的"短接"處形成"漏電點", 這就會造成,陰極保護電流的增大;陰極保護電源的過負荷和陰極保護引起的干擾。

    另外,陽極地床斷路,陰極開路,零位接陰斷路都會導致陰極保護不能投保。例如:格爾木站,甘森站,93年由于陽極電纜斷路,造成陰極保護體系不能正常工作,判斷陽極地床連接電纜斷路時,可采用:

    (1)測輸出電流,將恒電位儀開啟,在恒電位儀陽極輸出端串上一電流表,如果電流為零,則說明有斷路現象。

    (2)將恒電位儀機后陽極輸出線斷開,接入臨時地床或其它接地裝置,若有輸出電壓、 電流,則可斷定陽極地床連接線斷路。在陽極電纜與地床陽極接線處應設置接線用水泥井或標志。

    2.造成管道漏電的原因

    (1)施工不當,交叉管道間距不合規范,即當兩條管道,一條為陰極保護的管道,另一條為未保護的管道交叉時,施工要求應保持管道間的垂直凈距不小于0.3m,并在交叉點前后一定長度內將管道作特別絕緣,如果施工時不嚴格按照上述規定去做,那么在管道埋設一段時間后,在土壤應力的作用下, 管道相互可能搭接在一起,會造成絕緣層破損,金屬與金屬的相連,形成漏電點。

    (2)絕緣法蘭失效或漏電,絕緣法蘭質量欠佳,在使用一段時間后絕緣零件受損或變質,使法蘭不再絕緣,從而使得兩法蘭盤側不再具有絕緣性能,陰極保護電流也就不再有限制;或者是輸送介質中有一些電解質雜質使絕緣法蘭導通,不再具有絕緣性能。 從上述原因看, 漏電點只可能發生在保護管道與非保護管道的交叉點,或保護管道的絕緣法蘭處,因此查找漏電點就帶有上述局限性。但如果地下管網復雜,被保護管道與多條和線有交叉穿越,則使得漏電點的查找出現復雜現象。 常常要根據現場實際情況,反復測量、多方位檢查并綜合判斷才能找到真正的漏電故障點。

    3.漏電點的查找

    (1)利用查找管道絕緣層破損點,從而確定管道的漏電點或短接點的方法。 此方法首先將脈沖信號送到被測管道上, 如果管道防腐絕緣層良好,流入管道的電流很弱,儀表沒有顯示. 如果管道防腐層有破損,電流將從土壤中通過破損處漏入管道,電流的流動會在周圍土壤中將產生明顯的電位梯度。當探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時, 伏特計將明顯的抖動,當伏特計指針停止抖動時,兩個參比電極的中間既為防腐層漏點位置,該方法簡便宜行,定位準確,是目前國際上公認的檢漏方法(DCVG)..

    (2)可利用測定管內電流大小的方法尋找漏電點。因為無分支的陰極保護管道, 管內電流是從遠端流向通電點。當非保護管道接入后就會形成分支電路,使保護電流經過漏電點會變小。因此,可利此法來尋找漏電點的位置。利用此法測定時,在有懷疑的管段上可依次選點,用IR壓降法或者補償法(詳見有關說明)測定管內電流。再通過比較各點電流的大小來確定漏電點的電位。

    (3)絕緣法蘭漏電的測定。當絕緣法蘭漏電而導致陰極保護系統故障時, 則可通過在絕緣法蘭兩側管段上,分別測量管地電位,若保護側為保護電位,非保護側為自然電位,則絕緣法蘭正常。否則,有問題存在。也可在非保護側測法蘭端部的對地電位, 如此電位比非保護管道或其它金屬構筑物的電位要負,則此絕緣法蘭漏電。

    測定流過絕緣法蘭的電流, 也可用來判定絕緣法蘭的性能。若絕緣法蘭非保護端一側,能測出電流,則法蘭漏電;若測不出電流,絕緣法蘭不漏電。

    (4)近間距電位測量法CIPS.

    在測試樁上測量保護電位只能反映管道的整體保護水平,不能說明管道各點都得到了保護.采用近間距測量方式,是沿管道每隔 12 米測量一次管地電位,可以準確的檢測出沒有得到保護的管段.

    4.陽極接地故障

    陰極保護另一常見故障是由陽極接地引起的。陽極接地電阻與陽極地床的設計與施工質量密切相關。"凍土"會使陽極地床電阻增加幾倍至十幾倍,"氣阻"也會使陽極地床電阻增加。當陽極使用一段時間后,也會由于腐蝕嚴重,表面溶解不均勻造成電流障礙。因此,在陰極保護的儀器上會出現電位升高, 而保護電流下降的現象。此時,應通過測量,更換或檢修陽極地床,來使陰極保護正常運行。另一薄弱環節,是陽極電纜線與陽極接頭處的密封與絕緣,若施工不妥則會造成接頭處的腐蝕與斷路。使陰極保護電流斷路而無法輸入給管道。

     

    第十三章 陰極保護中的幾個屏蔽問題

     

    當管道周圍有絕緣層或金屬結構存在時, 會影響陰極保護電流的流動, 使管道得不到有效的陰極保護. : 電流屏蔽. 目前, 國內采用管中管進行防腐保溫的長輸管道都不同程度的發生了腐蝕事故. 某些套管內的輸油管和固定墩內的管道也存在較為嚴重的腐蝕, 這種狀況除了與施工質量控制不嚴有關外, 陰極保護電流的屏蔽也是一個重要原因.本文就絕緣層, 套管, 混凝土固定墩,區域陰極保護, 以及罐底板陰極保護時的屏蔽問題進行了分析, 以引起管道及儲罐設計, 施工, 管理人員的重視.

     

    金屬結構對管道的屏蔽

     

    1.管道穿越公路, 鐵路,以及河流時套管的屏蔽

    在管道穿越公路, 鐵路,以及河流時, , 經常需要將輸油管放在金屬套管中. 以對管道進行附加保護, 并認為, 套管與輸送管充分絕緣. 而筆者認為, 采用套管時, 將有以下情況發生:

    (1). 輸送管與套管完全絕緣, 套管與輸送管的環型空間內沒有電解液存在. 在這種情況下, 陰極保護電流被完全屏蔽, 但輸送管僅受大氣腐蝕.

    (2). 輸送管與套管之間沒有電氣連接, 但套管內有電解液或泥土, 此時, 陰極保護電流從土壤中經過套管到達輸送管, 在這種情況下, 輸送管以及套管的外壁會得到陰極保護, 而套管的內壁因為排放電流而加快腐蝕.

    (3).套管與輸送管短路, 一旦套管與輸送管發生短路, 陰極保護電流沿套管通過接觸點返回到輸送管, 此時, 如果套管與輸送管之間有電解液, 輸送管將發生嚴重腐蝕, 即使沒有電解液, 如果套管防腐層較差, 也會泄漏大量電流, 使套管附近的一段管道得不到充分保護.

    因此, 在設計中, 應該盡量避免采用套管, 而靠提高輸送管的壁厚來提高強度. 在必須使用套管的情況下, 應采取必要的密封措施, 防止電解液進入, 并保證套管與輸送管的絕緣.

     

    2. 固定墩鋼筋的屏蔽

    當固定墩內的鋼筋與輸送管發生意外接觸時, 其影響相當于一個短路的套管. 陰極保護電流通過鋼筋并通過接觸點返回管道. 盡管鋼筋之間存在間隙, 但密布的鋼筋仍能阻斷大部分陰極保護電流, 使固定敦內的管道得不到充分保護. 因此, 在設計中應減小鋼筋與套管短路的可能性. 在施工中也要經常檢測鋼筋與輸送管的電阻.

     

    絕緣體對管道的屏蔽

     

    1. “管中管防腐保溫結構的屏蔽問題.

    當管道周圍有絕緣體存在, 而且絕緣體與管道間有電解液存在時. 由于陰極保護電流無法通過絕緣體到達管道表面, 管道得不到陰極保護. 有人認為, 陰極保護電流可以通過絕緣體與管道之間的空隙到達管道表面, 事實是如果該空隙之間充滿電解液, 電阻率很小, 這種看法是正確的. 通過對管中管的腐蝕情況進行調查發現, 如果防水層破壞, 水分進入保溫層, 如果水分充足, 管道會得到陰極保護, 一般不會發生腐蝕. 如長期處于水下的管道. 如果僅有少量的水分進入管道, 則在漏點兩側(2-3倍間隙的距離以外)一般會發生較嚴重的腐蝕.

    另外, 如果管道附近有其他絕緣體或巖石存在, 也會影響電流的流動, 對管道的保護電流起到屏蔽作用. 因此, 當管道通過巖石地帶時, 應采取措施, : 采用柔性陽極或帶狀陽極, 保證陰極保護電流順利的到達管道表面..

     

    區域性陰極保護時, 土壤的屏蔽

     

    1. 對于位于開闊地帶的管道, 土壤不會對陰極保護電流產生屏蔽. 但對于站內的管網和管群, 可能會有這種屏蔽問題. 如圖 2所示, 由于管道密度較大, 尤其當管道防腐層不好時, 電流的泄漏會使其附近區域的土壤電位隨之降低. 此時, 如果參比電極距管道較遠, 所測電位并不能說明測點處管道的保護狀況.

    因此, 管道較密時, 參比電極應盡量靠近測點.

    2. 在對罐底板.進行陰極保護時, 也會產生上述問題 如果陽極布置在罐的周圍, 則大部分電流沿罐底板周遍進入罐底, 使罐中心得不到充分保護. .罐直徑大時, 這種情況更為突出..由于土壤條件的復雜多變, 很難根據罐周圍的電位估計出罐中心的保護電位.

    可靠的方法是采用混合金屬氧化物網狀陽極系統,將參比電極布置在罐底板中心處. 實際測量其保護電位.

    結論

     

    對于輸送管道, 不論是金屬導體或絕緣體, 都會產生屏蔽作用. 使之得不到充分的陰極保護. 因此, 設計時要對屏蔽問題給予足夠重視. 對于管往或罐底板進行陰極保護時, 要充分土壤電位的改變, 參比電極盡量靠近測點. 遠地參比電極法不能說明測點的保護狀況.

     

    編后語:

    1. 本手冊由馮洪臣編寫, 手冊中盡量采用了最新、最準確、最可靠的數據。
    2. 本手冊僅供陰極保護管理人員參考,對于具體的工程,應與本公司聯系以獲得我們的技術支持。本公司對擅自使用本手冊所造成的損失不負責任。
    3. 本手冊編寫過程中,參考了NACE "Control of Pipeline Corrosion" 2001 edition. 有不完善或錯誤之處,歡迎指正。
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