《阴极保护》PPT课件

第三章 埋地管道的阴极保护 一、阴极保护发展简史 阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表 面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的 电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。 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、码 头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。 1823年 英国学者汉 .戴维研究对木质舰船的铜护套进行保护 1834年 法拉第 奠定了阴极保护原理基础 （ i ; EE Lx EE axeEE 0将上述边界条件带入 m a xm a xm i n aLeEE m i n m a x m a x 1 E ELn aL maxLmaxL 从上式可以看出，保护长度也决定于绝缘层的质量， RT越大， a值就越小， 就越大，如果无绝缘层，则 将很短。 有限长管路的计算 定义：当管路沿线有多个阴极保护站时，这种管路称为有 限长管路 特点：在有限长管路上，两个相邻阴极保护站之间的管段， 其外加电位和电流的变化受两个站的共同作用，由于两个 站的相互影响将使外加电位的变化曲线抬高。 在两个汇流点中间，可认为是两保护 站的分界点（电位变化曲线的转折 点），在此点近似地认为电流等于零。 边界条件为： 0 x 00 , IIEE Lx 0dxdE 0I dxdEIrT （由 导出） 带入电位和电流分布的通式得： )( )( 0 aLsh xLashII )( )( 0 alch xLachEE 对比 1.与无限长管路的计算公式进行对比可知， 有限长管路的电 位和电流变化比较缓慢 （因前者变量 x在指数上，后者在分 子上）， 其保护距离比无限长管道长。 2.在相同条件下， 有限长管路所需电流比无限长管路小 。 证明 )( )(11 0 aLch xLachEdxdrdxdErI TT ) ()(1 0 aLaa s haLch Er T )( )(0 aLch aLash Rr E TT 在汇流点， 0,0 IIx 代入上式得： )()( )( 000 aLthRrEaLch aLshRrEI TTTT m i nm axm ax0 ,0 EELxEEx )1()( 2 xxLnxar c h )( m a x m a x m i n alch EE 由于 1)(1 2 m i n m a x m i n m a x m a x E E E ELn aL m i n m a x m a x 2 1 E ELn a L （保护长度的实际公式） 在有绝缘法兰的情况下，可近似按有限长管路 计算；在无绝缘法兰情况下，可近似按无限长管路 计算。 （四）阳极接地装置的计算 阳极地床材料的要求 阳极地床材料的性能 阳极地床结构 二强制电流法阴极保护系统的设计 1设计程序 必须收集和勘测设计资料和参数，然后进行设计计 算，选定阴极保护站，绘制必要的图纸提出所选设备、材 料的技术说明 。 2.电源设备 对电源的基本要求：可靠性高；维护保养简便；寿 命长；对环境适应性强；输出电流、电压可调；应具有过 载、防雷、故障保护。 （ 1）整流器 （ 2）恒电位仪 （ 3）太阳能阴极保护装置 （ 4） CCTV电源系统 （ 5）热电发生器 （ 6）风力发电机 （ 7）蓄电池 （ 8）第二电源的综合选择 3.辅助阳极 （ 1）阳极地床的结构 需要关注两个问题： 阳极材料的消耗 和 阳极气体产物 的逸放。 一般阳极放在焦炭回填料地床中工作。为了有利于气 体的逸出，在焦炭地床上部还要填放上一些粗砂或砾石， 有些地方还要用多种塑料管插至阳极地床中心，一是用于 排气，二是必要的时候可以往里注水。 抗腐蚀性强 ，这样可减少阳极材料的消耗，从而减少更 换的麻烦 阳极地床的电阻尽可能小 ，因为阴极保护站的功率主要 消耗在阳极地床上（ 60 70%），因此一般不宜超过 1， 在设计时一般取 0.5左右； 取材方便，容易加工，价格便宜，经济成本小。 （ 2）阳极材料 高硅铸铁 石磨阳极 磁性氧化铁阳极 钢铁阳极 柔性阳极 碳类回填料 其他 在理论上任何导电材料都可以作为阳极地床的材料， 但从经济上考虑，所选的材料 最好同时具有较低消耗 率和较低价格 的特点。 目前常用的阳极材料有：碳素 钢、铸铁、高硅铸铁和石墨等。 常用阳极地床材料和性能 （ 3）阳极地床位置的选择 阳极区距管道的垂直距离 土壤电阻率 土壤湿度 土地的利用 干扰影响 地域规划 安装的难度 生态环境 阳极地床形式 阳极地床通常有两种形式，即 浅埋地床和深埋地床 。 浅埋地床中又可分为 立式和水平式 两种，其中以立式最为 普遍。 当周围设施太多或地表层土壤电阻率太高，不易埋 设地床时，应考虑 深井地床 。 阳极地床结构总重量 根据所选阳极材料，可知道阳极的消耗率，按规定的 使用年限，就可计算出所需的阳极总重量 G=gTIK 式中： G 所需的阳极总重量， Kg g 阳极消耗率， Kg/Ay I 从阳极流出的电流， A， I=2I0 K 储备系数， K=1.1 1.3 T 使用年限， y 根据所选的阳极规格（长、直径或单重）就可知道所需阳极的根 数。 立式阳极地床电阻 单根阳极无填料时： )44212(2 lt ltLnd lLndR v 单根阳极有填料时： )44212(2 ddLnlt ltLnd lLnlR aa aa aa a a a va 多根并联时： v v A n RR 水平阳极地床电阻 单根阳极无填料时： 单根阳极有填料时： 多根并联时： )4 16212(2 22 t tllLnd lLndR a H )4 162(2 22 d dLn t tllLn d lLn dR aa a aa a a a Ha H H A n RR 混合阳极地床电阻 单根阳极无填料时 vvHHvHv Hv A RRn RRR v vH Hv 式中： n 立式阳极的根数 立式阳极的屏蔽系数； 立式阳极被水平阳极的屏蔽系数，可取 0.95 水平阳极被立式阳极的屏蔽系数，可取 0.95 第三节 牺牲阳极法 阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 牺牲阳极材料的选择主要看合金的性能及其化学成分，特 别是合金的含量和杂质的含量。 一、牺牲阳极的材料 1.镁及镁合金 有三大系列：高纯 Mg,Mg-Mn合金 ,Mg-Al-Zn-Mn合金 . 2.锌及锌合金 有三大系列：高纯锌 ,Zn-Al-Cd三元合金 ,Zn-Al二元合金 . 3.铝合金 铝阳极材料来源丰富，且在海水中有良好的电化学性能， 所以在船舶、港口码头、钻井平台等领域应用前景广泛。 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 1.阳极种类的选择 牺牲阳极种类的选择主要根据 土壤电阻率 、 土壤含盐类型 及 被保护管道覆盖层状态 来进行。 一般来说，镁阳极适用于各种土壤环境中；锌阳极适用于 电阻率低的潮湿环境中；而铝阳极还没有统一的认识，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。 二、牺牲阳极的设计 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 水中 土壤中 阳极种类 电阻率 cm 阳极种类 电阻率 cm 铝 100 镁（ -1.7V） 60100 锌 500 镁（ -1.5V或 - 1.7V） 4060 镁（ -1.5V） 500 镁（ -1.5）， 锌 15 锌或 Al-Zn- In-Si 5(含 Cl-) 衡量牺牲阳极质量的三个方面： 电极电位 单位重量阳极材料产生的电量 电流效率（有效电量 /理论电量） 牺牲阳极性能比较 （ 1）牺牲阳极接地电阻的计算 2. 牺牲阳极保护计算 根据所选定的阳极类型、尺寸、计算阳极的输出电流： FiI aA 阳极表面的电流密度随阳极材料及介质而定，应由实验来确定。初步估算过程 中，当在海水中时， 2/1 cmmAi a 在土壤中时，取 2/03.0 cmmAia （ 2）阳极输出电流的计算 阳极输出电流还可以根据有效电位差计算 A A C W EEI R R R R a a EI R 管路绝缘层电阻与最小保护电流密度 管路表面状况与最小保护电流密度 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 （ 3）阳极支数的计算 N 所需阳极支数； IA 所需保护总电流， A; Ia 单支阳极输出电流， 牺牲阳极屏蔽系数，取 0.3 0.7 ( 2 3 ) A a IN I 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 根据法拉第电解原理，利用下式进行计算，阳极利用率取 0.85 （ 4）阳极寿命的计算 T 阳极工作寿命， a; W 阳极质量， kg; I 阳极输出电流， A; 阳极实际消耗率， kg/(Aa) 0.85 W T I 式中： T 阳极寿命，年 G 牺牲阳极总重量（ Kg） A 理论电化当量（ A*h/Kg） I 牺牲阳极保护系统回路中的电流（ A） 阳极电流效率， 55 75% I GAGAT 8760365124 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 （ 1）地床的构造 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。 3.牺牲阳极地床 填料包装起来，主要目的是： 改良阳极周围环境，确保稳定良好的电流效率； 降低阳极接地电阻，增加阳极输出电流； 溶解阳极腐蚀产物，防止阳极极化； 吸收周围土壤水分，维持阳极四周长久润湿。 对化学填包料的要求是： 电阻率低；渗透性好；不易流失；保湿性好 。 牺牲阳极填包料用 袋装和现场钻孔中填装 两种方法。 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 土壤环境中多用棒形牺牲阳极，阳极多做成梯形截面或 U 形截面。 带状只用于高电阻率的土壤环境中。 块状阳极多用于船壳、水下构筑物和容器内保护等。 镯形只适用于水下或海底管道。 （ 2）阳极形状 主要形状有棒形、块形、带状、镯式等几种。 第三节 牺牲阳极法阴极保护 第三章 埋地管道的阴极保护 （ 3）阳极地床的布置 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；埋设方向有轴向和径向。 阳极埋设位置一般距离管道外壁 3 5m，最小不宜小于 0.3m。 埋设深度以阳极顶部距离地面不小于 1m为宜。对于北方 地区，要埋在冻土层以下。成组埋设时，阳极间距以 2 3m为 宜。 每个阳极的保护长度范围，一般为 200 1000米 阳极距离管道的垂直距离为 3 5米 第四节 阴极保护参数的测量 第三章 埋地管道的阴极保护 1.管 /地电位 （ 1）地表参比法 （ 2）近参比法 （ 3）闭路参比法 一、强制电流参数 In coated pipelines systems, there is also current flow across the pipe coating,which can produce a larger voltage gradient than in the ground. Therefore, in cases where direct current is flowing, the pipe to soil potential thatis measured, will include the actual pipe to soil potential, the voltage gradient inthe ground, the voltage drop across the coating and the voltage drop (called IRDrop) in the pipeline. 第四节 阴极保护参数的测量 第三章 埋地管道的阴极保护 一、强制电流参数 2.管内电流法 （ 1）管段电压降法 410 () L R t D t 第四节 阴极保护参数的测量 第三章 埋地管道的阴极保护 R L长管段的电阻， 管材电阻率， mm2/m L a, b 两点间的距离， m t 管道壁厚 ， mm D 管道外径 ， mm。 （ 2）补偿法 也称零电阻法。 （ 3）四极法 第四节 阴极保护参数的测量 第三章 埋地管道的阴极保护 1.接地电阻 牺牲阳极接地电阻关系到阳极输出电流的一项主要参数， 也是检验阳极项目的必测参数。常用 Zc-8型接地电阻测试仪。 二、牺牲阳极参数的测量 2.闭路电位 它是牺牲阳极的专用参数，阳极开路电位和极化电位之差。 采用近参比电极法测试。 阳极闭路电位和管道闭路电位之差称为 驱动电位 ，是判断阳 极性能的一项重要参数，驱动电位越大，阳极输出也越大。 第四节 阴极保护参数的测量 第三章 埋地管道的阴极保护 3.阳极输出电流 （ 1）标准电阻法。 （ 2）双电流表法 1 2 2 1/ ( 2 )I I I I I 牺牲阳极 管道 V R 牺牲阳极 管道 A1 A2 标准电阻法 双电流表法 第四节 阴极保护参数测量 第三章 埋地管道的阴极保护 例题：如下图所示，一条 5km长的涂敷管道，管径长 610mm， 经测量通电电流为 0.086A；用蓄电池供电，三支参比电极和 三块电压表同步测量 A、 B、 C三点电位的变化。 A点的通电电 位为 -1.33V,断电电位为 -0.88V； B点的通电电位为 -1.47V, 断电电位为 -0.89V; C点的通电电位为 -1.36V, 断电电位为 - 0.89V。求管道绝缘覆盖层的电阻。 三、管道绝缘参数 1.覆盖层电阻 采用 馈电法（临时阴极站法） 第四节 阴极保护参数测量 第三章 埋地管道的阴极保护 覆盖层电阻测试 馈电法 V V V A A B C 参比电极 管道 end