埋地管道的阴极保护课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南石油学院储运研究所,*,第三章,埋地管道的阴极保护,第一节,概,述,1940,年英国应用了牺牲阳极阴极保护，德国和日本分别是在,1950,年和,1946,年开始研究电化学保护理论的，并开始了煤气管道的阴极保护。,11/26/2024,1,西南石油学院储运研究所,阴极保护技术在我国石油管道上的应用研究始于1958年。到了60年代初期，在新疆、大庆、四川等油气管道上陆续推广了阴极保护技术。70年代，我国的长输管道已广泛采用了阴极保护。,目前，国外阴极保护技术已做到了法律化。标准化，比较重要的有美国气体管道联邦最低安全标准、德国的长输管道运输危险液体的规定、,NACE,的埋地及水下金属管道外腐蚀控制推荐作法等。,11/26/2024,2,西南石油学院储运研究所,中国的第一部管道防腐蚀技术标准是,SYJ 7-84,钢质管道和储罐防腐蚀工程设计规范。第一部法规是国务院,1989,年颁布的石油、天然气管道管理条例，条例首次将管道阴极保护的要求列入了管理的内容。目前，国内一万七千余公里的长距离油气管道已经全部采用了阴极保护，为国民经济的发展提供了保障。,11/26/2024,3,西南石油学院储运研究所,一、阴极保护原理,用图,3-l,的极化图解可以清楚地说明阴极保护的工作原理。以外加电流的阴极保护为例，暂不考虑腐蚀电池的回路电阻，则在未通电流保护以前，腐蚀原电池的自然腐蚀电位为,E,，相应的最大腐蚀电流为,I,C,。,11/26/2024,4,西南石油学院储运研究所,通上外加电流后，由电解质流入阴极的电流量增加，由于阴极的进一步极化，其电位将降低。,如流入阴极电流为,I,D,，则其电位降至,E,，此时由原来的阳极流出的腐蚀电流将由,I,C,降至,I,。,I,D,与,I,的差值就是由辅助阳极流出的外加电流量。为了使金属构筑物得到完全保护，即没有腐蚀电流从其上流出，就需进一步将阴极极化到使总电位降至等于阳极的初始电位,E,A,O,，此时外加的保护电流值为,I,P,。从图上可以看出，要达到完全保护，外加的保护电流要比原来的腐蚀电流大得多。,11/26/2024,5,西南石油学院储运研究所,显然，保护电流I,P,与最大腐蚀电流I,C,的差值决定于腐蚀电池的控制因素。受阴极极化控制时，二者的差值要比受阳极极化时小得多。因此，采用阴极保护的经济效果较好。,二、阴极保护的方法,实现阴极保护的方法通常有牺牲阳极法和强制电流法。由于杂散电流排除过程中，在管道上保留有一定的负电位，使管道得到了阴极保护，所以排流保护也是一种限定条件下的阴极保护方法。,11/26/2024,6,西南石油学院储运研究所,1.牺牲阳极法,在腐蚀电池中，阳极腐蚀，阴极不腐蚀。利用这一原理，以牺牲阳极优先溶解。使金属构筑物成为阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极法（图3-2）。,11/26/2024,7,西南石油学院储运研究所,为了达到有效保护，牺牲阳极不仅在开路状态（牺牲阳极与被保护金属之间的电路未接通）有足够负的开路电位（即自然腐蚀电位），而且在闭路状态（电路接通后）有足够的闭路电位（即工作电位）。这样，在工作时可保持足够的驱动电压。驱动电压指牺牲阳极的闭路电位与金属构筑物阴极极化后的电位两者之差，亦称为有效电压。,11/26/2024,8,西南石油学院储运研究所,作为牺牲阳极材料，必须具有下列条件：,(1)要有足够的负电位，且很稳定；,(2)工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱,落；,(3)阳极必须有高的电流效率，即实际电容量和理论电容量之比的百分数要大；,(4)电化当量高，即单位重量的电容量要大；,(5)腐蚀产物无毒，不污染环境；,(6)材料来源广，加攻容易，价格便宜。,11/26/2024,9,西南石油学院储运研究所,在土壤环境中常用的阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金；在海洋环境中还有铝合金。这三类牺牲阳极已在世界范围内广泛应用。,2.强制电流法,根据阴极保护的原理，用外部的直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接管道（被保护构筑物），将电源的正极接至辅助阳极，在电流的作用下，使管道发生阴极极化，实现阴极保护（图3-2）。,11/26/2024,10,西南石油学院储运研究所,强制电流法的电源常用的有整流器，还有太阳能电池、热电发生器、风力发电机等。辅助阳极的常用材料有高硅铸铁、石墨，磁性氧化铁及废钢铁等。强制电流法是目前长距离管道最主要的保护方法。,3.排流保护,当有杂散电流存在时，通过排流可以实现对管道的阴极极化，这时杂散电流就成了阴极保护的电流源。但排流保护是受到杂散电流所限制的。通常的排流方式有直接排流、极性排流、强制排流三种形式。各种形式都有一定的局限性。,11/26/2024,11,西南石油学院储运研究所,当对被保护构筑物选用阴极保护方式时主要考虑的因素有：,（1）保护范围的大小：大者强制电流优越，小者牺牲阳极经济；,（2）土壤电阻率的限制：电阻率太高不宜采用牺牲阳极；,（3）周围邻近的金属构筑物：有时因干扰而限制了强制电流的应用；,（4）覆盖层的质量：对于覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需保护电流太大而使牺牲阳极不适用；,（5）可利用的电源因素；,11/26/2024,12,西南石油学院储运研究所,（6）经济性。,表3-1是阴极保护与排流保护的比较。,三、阴极保护参数,在图3-1中，可以看到与阴极保护相关的几个参数：自然腐蚀电位、保护电位、保护电流（可以换算成电流密度）。正确选择和控制这些参数是决定保护效果的关键。为了直观。定量地比较阴极保护的效果，有时还要引用阴极保护保护度参数。而在实际保护中入们仅把保护电位作为控制参数，因为它受自然腐蚀电位和保护电流所控制，而且在实践中容易操作。,11/26/2024,13,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,14,西南石油学院储运研究所,1.自然腐蚀电位,无论采用牺牲阳极法还是采用强制电流阴极保护，被保护构筑物的自然腐蚀电位都是一个极为重要的参数。它体现了构筑物本身的活性，决定了阴极保护所需电流的大小，同时又是阴极保护准则中重要的参考点。,2.保护电位,按国标GB/T 10123-88的定义，保护电位为“进入保护电位范围所必须达到的腐蚀电位的临界值”。保护电位是阴极保护的关键参数，它标志了阴极极化的程度，是监视和控制阴极保护效果的重要指标。,11/26/2024,15,西南石油学院储运研究所,为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的电位称为最小保护电位，也就是腐蚀原电池阳极的起始电位。其数值与金属的种类、腐蚀介质的组成。浓度及温度等有关。根据实验测定，碳钢在土壤及海水中的最小保护电位为-0.85V（CSE）左右。,11/26/2024,16,西南石油学院储运研究所,管道通入阴极电流后，其负电位提高到一定程度时，由于H,+,在阴极上的还原，管道表面会析出氢气，减弱甚至破坏防腐层的粘结力，不同防腐层的析氢电位不同。沥青防腐层在外加电位低于-1.20V（CSE）时开始有氢气析出，当电位达到-1.5OV（CSE）时将有大量氢析出。因此，对于沥青防腐层取最大保护电位为-1.20V（CH）。若采用其他防腐层，最大保护电位值也应经过实验确定。聚乙烯防腐层的最大保护电位可取-1.50V（CSE）。,11/26/2024,17,西南石油学院储运研究所,3.保护电流密度,在国标GB/T 10123-88中，保护电流密度的定义是：“从恒定在保护电位范围内某一电位的电极表面上流入或流出的电流密度”。此定义适用于阴极保护和阳极保护，对于阴极保护来说只能是“流入”。保护电流密度与金属性质、介质成分、浓度。温度、表面状态（如管道防腐层状况）、介质的流动、表面阴极沉积物等因素有关。对于土壤环境而言，有时还受季节因素的影响。,11/26/2024,18,西南石油学院储运研究所,因保护电流密度不是固定不变的数值，所以，一般不用它作为阴极保护的控制参数；只有无法测定电位时，才把保护电流密度作为控制参数。例如在油井套管的保护中，电流密度是一个重要参数，可以作为控制参数用。,11/26/2024,19,西南石油学院储运研究所,不同表面状况的钢管的最小保护电流密度见表3-2。从表中可以看出：裸管比有防腐层的管道需要的保护电流密度大得多；土壤电阻率愈小，需要的保护电流密度愈大。由于在实际工作中很难测定腐蚀电池的阴、阳极的具体位置和面积大小，故表中所列数据都是按与电解质接触的整个被保护金属表面积计算的。类似的试验数据对于较小的金属构筑物，如油罐的罐底、平台的桩等是适用的；对于沿途土壤电阻率和防腐层质量变化较大的长距离管道，则往往偏差较大。故对于管道的阴极保护，常以最小保护电位和最大保护电位作为衡量标准。,11/26/2024,20,西南石油学院储运研究所,四、阴极保护准则,自从1928年美国J.柯恩通过试验发现-0.85V（CSE）电位能控制电化学腐蚀之后，这一标准经过实践考验，成为公认的最小保护电位。,11/26/2024,21,西南石油学院储运研究所,从电化学理论上分析，铁在腐蚀时，以二价离子形式出现，用能斯特方程式表达为,式中 铁的标准电极电位；,R气体常数；,T绝对温度；,F法拉第常数；,靠近电极的电解液层中铁离,子的活度。,11/26/2024,22,西南石油学院储运研究所,当pH5.5时， 和 作用生成难溶的 ，此时， 取决于 的溶度积,。25时，,11/26/2024,23,西南石油学院储运研究所,按 ，在pH值为5.510的电解液中，计算出保护电位在-0.38-0.64V(SHE)之间变化。换算成相对饱和Cu/CuSO,4,电解的电位为-0.7-0.96V。钢在土壤中(pH=8.39.6)的保护电位为-0.541-0.618V(SHE)，平均为-0.58V(SHE)，相对饱和Cu/CuSO,4,电极的电位为-0.90V。,11/26/2024,24,西南石油学院储运研究所,计算出钢的保护电位与钢在该电解液中的初始电位值之差，即可认为是阴极极化值或负向偏移。例如，钢在干燥土壤中的自然电位Vx=-0.3V（SHE），其阴极极化值计算得：,根据电化学理论，阴极保护判据是多因素决定的，相当复杂。但-0.85V（CSE）是既有理论基础，又有实践依据，已为世界各国所接受。,11/26/2024,25,西南石油学院储运研究所,对于钢铁的阴极保护准则，各国标准的表达方式也不相同，采用下述之一或几个作为判据：,（1）施加阴极保护时阴极的负电位至少为850mV，这一电位是相对于接触电解质的饱和Cu/CuSO,4,参比电极测量的。测量中必须排除IR降影响。,（2）相对于饱和Cu/CuSO,4,参比电极的负极化电位至少为850mV。,（3）在构筑物表面与接触电解质的参比电极之间的阴极极化值最小为100mV。这一数据的测定可以在极化的形成过程或是衰减过程中进行。,11/26/2024,26,西南石油学院储运研究所,-850mV（CSE）适用于各种土壤环境中钢铁构筑物的阴极保护，是世界公认的通用准则。对于有良好覆盖层的管道，这一准则很实际。但是当覆盖层的质量太劣或是裸管，采用-850mV的准则就显得过保护和浪费，所以国外学者主张在这种条件下采用-100mV极化电位准则。其理由是腐蚀体系ic=（Ec- Ea）/（Rc+Ra），式中ic为腐蚀电流，要使ic很小，必须使阴极电位Ec和阳极电位Ea很接近，即Ec=Ea或E=Ec-E。很小。在裸管上就是E，故100mV极化值远远大于这个E，足以达到保护要求。,11/26/2024,27,西南石油学院储运研究所,采用-100mV极化电位准则，有个基准点的问题。虽然准则在阴极极化建立或衰减过程中都可以采用，但在建立过程中由于有IR降的影响，使得100mV的精度受到了限制，故衰减过程中采用该准则比较实际。表3-4是在一条109mm直径的裸管道上测得的电位，表3-5是一条直径为319mm的旧防腐层管道上测得的电位，前者的保护电流密度是13.67mA/m,2,，后者为1.51mA/m,2,。,11/26/2024,28,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,29,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,30,西南石油学院储运研究所,在考虑通气程度时，英国BS 7361标准中，通气环境为-0.85V，不通气环境为-0.95V。德国的DIN 30676标准则给出温度和砂土两个条件：温度高于60为-0.95V；在砂土中，p500m时，为-0.75V。以上电位测量均相对Cu/CuSO,4,电极。,11/26/2024,31,西南石油学院储运研究所,五、管道实施阴极保护的基本条件,管道实施阴极保护的基本条件为：有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流；管道必须处于有电解质的环境中（如士壤、河流,、,海水等）；保持管道纵向,电连续性；为确保管道系统阴极保护的有效性和提高保护效率，必须做好管道的电绝缘，如选用高质量的管道覆盖层以及合理布局绝缘连接体。以下主要讨论管道绝缘连接及管道纵向电连续性的问题。,11/26/2024,32,西南石油学院储运研究所,1.管道的电绝缘,1）绝缘接头,管道的绝缘接头有法兰型、整体型（埋地）、活接头等各种型式。近几年开发的整体埋地型绝缘接头具有整体结构。直接埋地和高的绝缘性能，克服了绝缘法兰密封性能不好、装配影响绝缘质量、不能埋地、外缘盘易集尘等不良影响，是管道理想的绝缘连接装置。图3-2是整体型绝缘接头的结构图。,11/26/2024,33,西南石油学院储运研究所,需要设置绝缘连接的场所有：管道与井、站、库的连接处；管道与设备所有权的分界处；支线管道与干线管道的连接处；不同材质、新旧管道及有防腐层与无防腐层管道间连接处；大型穿、跨越段的两端；杂散电流干扰段；使用不同阴极保护方法的交界处。,11/26/2024,34,西南石油学院储运研究所,2）绝缘支墩（垫）,当管道采用套管形式穿墙或穿越公路、铁路时，管道与套管必须电绝缘。通常采用绝缘支墩或绝缘垫。,管道及支撑架、管桥、穿管隧道、桩、混凝土中的钢筋等必须电绝缘。若管段两端已装有绝缘接头，使架空管段与埋地管道相绝缘，则此时管道可以直接架设在支撑架上而无需电绝缘。,11/26/2024,35,西南石油学院储运研究所,3）其他电绝缘,当管道穿越河流，采用加重块、固定锚、混凝土、加重覆盖层时，管道必须与混凝土钢筋电绝缘，安装时不得损坏管道原有防腐层。,管道与所有相遇的金属构筑物（如电缆、管道）必须保持电绝缘。,11/26/2024,36,西南石油学院储运研究所,2管道纵向电的连续性,对于非焊接的管道连接头，应焊接跨接导线来保证管道纵向电的连续性，确保电流的流动。,对于预应力混凝土管道，施加阴极保护时，每节管道的纵向钢筋必须首尾跨接，以保证阴极保护电流的纵向导通。有时还可平行敷设一条电缆，每节预应力管道与之相连来实现电的连续性。,11/26/2024,37,西南石油学院储运研究所,3.阴极保护管道的附件,1）检查片,检查片材质应与被保护的管道相同，用于定量分析阴极保护的效果及土壤的腐蚀性。也有用于其他目的的检查片，如在牺牲阳极保护段，用于代表管道，测量自然电位用。,检查片的推荐尺寸为100mm50mm5mm，采用锯、气割方法制取。为不改变检查片的冶金状态，气割边缘应去掉2030mm。检查片应有安装孔和编号，编号可用钢字模打印。,11/26/2024,38,西南石油学院储运研究所,一般检查片应埋设在有代表意义的腐蚀性地段（环境中），如污染区、高盐碱地带。杂散电流严重地区以及管道阴极保护范围末端。,2）测试桩,为了测量阴极保护管道的电参数，必须在管道沿线设计不同功能的测试桩。在国外的文献中称之为防腐测试站（Test Station）。,测试桩设置原则为：,11/26/2024,39,西南石油学院储运研究所,电位测试桩，一般每公里处设一支，需要,时可以加密或减少；,电流测试桩，每 58 km处设一支；,套管测试桩，套管穿越处一端或两端设置；,绝缘接头测试桩，每一绝缘接头处设一支；,跨接测试桩，与其他管道、电缆等构筑物,相交处设一支；,站内测试桩，视需要而设；,牺牲阳极测试桩，一般设在两组阳极的中,间部位。,11/26/2024,40,西南石油学院储运研究所,以上设置的测试桩，可以测取管道的保护电位、管道保护电流的大小和流向、电绝缘性能及干扰方面的参数。,测试桩的功能主要区别在接线上。最简单的是电位测试桩，只需引接两根导线；测管道电流要接四根导线；测两者间的干扰或绝缘要在相邻构筑物上各引出两根导线。一般来说，测试桩的功能可以结合在一起使用，有时测试桩还可和里程桩相结合。,11/26/2024,41,西南石油学院储运研究所,第二节,强制电流法阴极保护,一、强制电流阴极保护的工艺计算,管道阴极保护范围的制约因素是管道防腐层电阻和管径，它以最大保护电位和最小保护电位的临界点来划分。因此保护一条管道常常需要设一个或几个阴极保护站。为了求得保护长度，必须知道当管道上通入阴极极化电流后所产生的极化电位的沿线分布，求取最大保护电位经过多少公里降低到最小保护电位。,11/26/2024,42,西南石油学院储运研究所,1.管道沿线外加电位与电流的分布规律,如图3-3所示，外加电流的电源正极接辅助阳极，负极接在被保护管段的中央，这一点称为汇流点或通电点。电流自电源正极流出，经阳极和大地流至汇流点两侧管道，在两侧金属管壁中流动的电流是流向汇流点的。因此，沿线电流密度和电位的分布是不均匀的。理论上在汇流点处的管道沿线电位分布的基本公式是根据下列假设条件推出的：,11/26/2024,43,西南石油学院储运研究所,(1)管道防腐层均匀一致，并具有良好的电绝缘性能，与土壤接触且土质均匀一致，因此管道沿线各点的单位面积过渡电阻相等。过渡电阻指电流从土壤沿径向流入管道时的电阻，其数值主要决定于防腐层电阻。,(2)因土壤截面积很大，土壤电阻可以忽略不计。,11/26/2024,44,西南石油学院储运研究所,如图3-3所示，在离汇流点。公里处取一微元段d,X,，由于通入外电流以后的阴极极化作用，d,X,小段处的管地电位往负的方向上偏移，设其偏移值为E，E等于通电后的保护电位与自然电位之差。,11/26/2024,45,西南石油学院储运研究所,设单位长度金属管道的电阻力rT，单位面积的防腐层过渡电阻为Rp，单位长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为 R,T,，如管外径为D，则R,T,=R,P,/(D)。,在d,X,小段上电流的增量打就是在该小段上从土壤流入管道的保护电流，由于忽略土壤电压降，故,11/26/2024,46,西南石油学院储运研究所,负号表示电流的流动方向与x的增量方向相反。,当电流I轴向流过管道时，由于管道金属本身的电阻所产生的压降为,11/26/2024,47,西南石油学院储运研究所,式(3-6)和式(3-7)为二阶常系数齐次线性微分方程，其通解为,式中系数 A,1,、A,2,、B,1,、B,2,可根据边界条件求出。边界条件通常有三种情况：,(1)无限长管段的计算：即全线只有一个阴极保护站，线路上没有用绝缘法兰。,11/26/2024,48,西南石油学院储运研究所,(2)有限长管段的计算：即全线有多个阴极保护站，两个相邻站之间的管道由两个站共同保护。,(3),保护段终点有绝缘法兰的计算：一般设有阴极保护的管道在进入输油站或油库以前须装设绝缘法兰，以免保护电流向站内或库内流失。,11/26/2024,49,西南石油学院储运研究所,2.保护范围的计算,1)无限长管道的计算,在汇流点处x=0，I=I,0,，E=E,0,。I,0,为管道一侧的电流，距汇流点无限远处x，I=0，E=0。将此边界条件代入通解式(3-8)和式(3-9)得A,0,=0，B,1,=I,0,；A,2,=0，B,2,= E,0,。故无限长管道的外加电位及电流的分布方程式为,11/26/2024,50,西南石油学院储运研究所,由式（3-10）。式（3-11）可解出沿线各处电位与电流的相互关系为,在汇流点处，x=0，故汇流点一侧的电流为,11/26/2024,51,西南石油学院储运研究所,汇流点处的总电流就是该保护装置的输出电流，它等于管道一侧流至汇流点电流的两倍，即I=2I,0,。,方程式（3-10）和（3-11）说明当全线只有一个阴极保护站时，管道沿线的电位及电流值按对数曲线规律下降。在汇流点附近的电位和电流值变化激烈，离汇流点愈远变化愈平缓。曲线的陡度决定于衰减因数，主要是防腐层过渡电阻R,T,的影响。,11/26/2024,52,西南石油学院储运研究所,如前所述，由于最大保护电位是有限度的，故汇流点处的电位应小于或等于最大保护电位E,max,当沿线的管/地电位降至最小保护电位E,min,处，就是保护段的末端。故一个阴极保护站所可能保护的一侧的最长距离，可由式（3-11）算出。取E,O,=E,max,，E=E,min,，x=L,max,代入，可得,11/26/2024,53,西南石油学院储运研究所,由式（3-12）和式（3-13）可见，阴极保护管道所需保护电流I,0,的大小和可保护段落长度受防腐层电阻的影响很大。防腐层质量好，则电能消耗少，保护距离也长。根据国内经验，当沥青防腐层的施工质量较好时，管道单位面积防腐层过渡电阻能达到10000m,2,以上，有的达2000030000m,2,。故目前按标准规范要求，在设计计算中常取防腐层的R,P,=10000m,2,，对于合成树脂类防腐层均会高出此值。,11/26/2024,54,西南石油学院储运研究所,计算中需要注意的是，式（3-13）中的E,max,和E,min,均为阴极极化值，相对自然电位的偏移值，而前面所述最大和最小保护电位系相对于硫酸铜电极测得的极化电位。在大多数土壤中，用硫酸铜电极测得的钢管的自然电位约在-0.50-0.60V之间。若实测平均值为-0.55V，则当取最大保护电位为-1.20V，最小保护电位为-0.85V时，其阴极极化值为,11/26/2024,55,西南石油学院储运研究所,对于长度超出一个站保护范围的长距离管道，常需在沿线设若干个阴极保护站，其保护段长度应按有限长管道计算。,11/26/2024,56,西南石油学院储运研究所,2)有限长管道的计算,有限长管道的保护段即指两个相邻的阴极保护站之间的管段，或两端设有绝缘接头的管段近似按有限长考虑。其极化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，将使极化电位变化曲线抬高，如图34所示。因此，有限长管道比无限长管道的保护距离长，如图l,1,l,2,。,11/26/2024,57,西南石油学院储运研究所,设两个站间距离为2l，在中点处（x=l）,正好达到保护所需要的最小保护电位，,E,l,=E,min,。电位变化曲线在中点处发生转折，,即 。由于保护电流来自两个站，其,电流流动方向相反，,故在中点处电流为零，边界条件为,11/26/2024,58,西南石油学院储运研究所,代入通解式（,3-8,）和式（,3-9,），可得,式中,ch,（,m,）和,sh,（,m,）分别为双曲函数的余弦和正弦。,11/26/2024,59,西南石油学院储运研究所,由方程式（,3-5,）、式（,3-14,）得,在汇流点处,x=0,，,I=I,0,，代入上式得汇流点一侧电流为,11/26/2024,60,西南石油学院储运研究所,由公式（,3-14,）可求出,得有限长管道一侧的保护长度,11/26/2024,61,西南石油学院储运研究所,考虑到双曲余弦函数,这项很小，可近似忽略，将上式简化为,将有限长管道与无限长管道的公式进行比较可见：,（1）无限长管道的电位是按指数函数的规律变化，而有限长管道是按双曲函数的规律变化，故有限长管道电位和电流分布的变化较缓慢，其保护距离比无限长管道长。,11/26/2024,62,西南石油学院储运研究所,（2）有限长管道消耗的电能比无限长管道少。,管道末端有绝缘法兰的计算与有限长管道的计算结果相近，故实际工作中都按有限长计算。,根据上述公式，可以估算被保护管道全线所需的阴极保护站的数量及其位置（通常尽可能设在泵站或压缩机站上）。但必须强调指出的是：在上述推导过程中忽略了土壤中的IR降，并认为沿线防腐层过渡电阻均匀一致；实际上在几十公里长的管道沿线，不仅土壤电阻率变化较大，防腐层质量也难能一致，故在设计中要留有一定的余地。,11/26/2024,63,西南石油学院储运研究所,3)图解法估算,埋地管道阴极保护的范围主要与平均电流密度有关，与管道纵向电阻所允许的电压降的大小有关。设管道的保护电流密度为J,s,，管道L的电压降为,11/26/2024,64,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,65,西南石油学院储运研究所,r,T,单位长度管道纵向电阻，/m；,p,T,钢管电阻率，mm,2,/m；,管壁厚度，mm。,在图3-5中绘出了保护范围2L和保护电流密度J,s,的关系曲线。,对应方程（3-19），I,0,的计算如下：,11/26/2024,66,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,67,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,68,西南石油学院储运研究所,的选择及其埋置场所的处理，对节省电能消耗至关重要。值得注意的是，在选择电源设备和运行期间，应考虑阴极保护系统辅助阳极的接地电阻值与电源额定负载（R,额,）相匹配。,11/26/2024,69,西南石油学院储运研究所,式中 V额额定输出电压，V；,I额额定输出电流，A。,阳极地床的接地电阻必须比额定负载小，才能保证所设计的保护电流的输出。同时，也要从技术经济角度分析，使该保护系统阳极地床的设计与电源设备的选择是经济合理的。,11/26/2024,70,西南石油学院储运研究所,4.阳极接地装置的计算,1)接地电阻的计算,辅助阳极的接地电阻，因地床结构不同而有所区别。各种结构的接地电阻的计算公式可参见有关手册。这里给出三种常用埋设方式的阳极接地电阻计算公式。,(1)单支立式阳极接地电阻的计算：,11/26/2024,71,西南石油学院储运研究所,(2)深埋式阳极接地电阻的计算：,(,3,)单水平武阳极接地电阻的计算：,上三式中 R,V1,单支立式阳极接地电阻，；,R,V2,深埋式阳极接地电阻， ；,11/26/2024,72,西南石油学院储运研究所,R,H,单支水平式阳极接地电阻，；,L阳极长度（含填料），m；,d阳极直径（含填料），m；,t埋深，m；,p土壤电阻率，m。,(4)组合阳极接地电阻的计算：,式中 Rg阳极组接地电阻，；,n阳极支数；,F修正系数（查图3-7）；,Rv单支阳极接地电阻，。,11/26/2024,73,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,74,西南石油学院储运研究所,2)辅助阳极寿命的计算,辅助阳极的工作寿命是指阳极工作到因阳极消耗的时间致阳极电阻上升使电源设备输出不匹配，而不能正常工作。当然，这里的寿命计算不包括地床设计不合理造成的“气阻”，施工质量不可靠造成的阳极电缆断线等因素引起的阳极报废。,11/26/2024,75,西南石油学院储运研究所,通常阳极的工作寿命由式（3-26）计算：,式中 T阳极工作寿命，a；,K阳极利用系数，常取0.7,0.85；,G阳极重量，kg；,g阳极消耗率，kg/(Aa)，,查表3-6。,I阳极工作电流，A。,11/26/2024,76,西南石油学院储运研究所,3)所需辅助阳极支数的计算,所需辅助阳极的支数由阳极的设计寿命及消耗率所决定。可按式（,3-26,）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。一般阳极的设计寿命为,15a,或,20a,。,11/26/2024,77,西南石油学院储运研究所,例如，当计算阳极的总重量为200kg时，可选择40kg/支的5支，或 20kg/支的10支。前者接地电阻大，所耗电费比后者要多而不经济；但前者的寿命要比后者长，当耗电量大时，这一经济因素更为重要。例如：70年代在华北地区某输水管道，管径1200mm，防腐层质量极差，所以单站耗电量达70100A。假定回路总电阻为1，阳极接地电阻为0.8，则仪器输出电压为,11/26/2024,78,西南石油学院储运研究所,有效功率为:,102Vl00A=10200 W,取整流效率为0.7，则实耗功率为:,10200W0.7=14600 W,每年耗电为:,146008760=127900 kwh,按当时电价0.08元/( kwh)计，每年电费为:,0.08l27900=10232元/a,阳极寿命按20年计，则20年电费总计为:,1023220=204640元,11/26/2024,79,西南石油学院储运研究所,如果从设计考虑，将阳极接地电阻从0.8降至0.5，则这笔费用就变成了 7218元/a，20年电费为144365元，节约了60275元。而降低接地电阻所需的一次投资仅为2000元左右（当时价格），远远小于节约下来的运行费用。,对于阳极数量的最经济选择，可由式（3-27）计算：,11/26/2024,80,西南石油学院储运研究所,将式（3-27）微分求解得,式中 y阳极系统总年均费用；,n阳极支数；,c不依赖刀的一个常数；,a单支阳极资金年回收混合利息系数；,b,单支阳极年运行电费。,11/26/2024,81,西南石油学院储运研究所,例：对于在50m土壤中用焦炭回填的立式阳极地床300mm2000mm，排流量为10A，求其最佳阳极数量n。,已知：(1)单支阳极接地电阻力11.26；(2)单支阳极费用250元；(3)整流器效率为0.7；(4)电费0.10元/(kwh)；(5)折旧系数10%；(6)利用系数取l.3；(7)阳极设计寿命20a；(8) CRF(20a寿命10%折旧下综合投资回收的计算及年均费用的系数)取0.11。,11/26/2024,82,西南石油学院储运研究所,解：,11/26/2024,83,西南石油学院储运研究所,二、强制电流法阴极保护系统的设计,1.设计程序,强制电流阴极保护系统的设计应符合阴极保护准则的要求，实现有效的保护，避免对邻近构筑物的干扰，并给系统提供一个经济可靠的设计寿命。,11/26/2024,84,西南石油学院储运研究所,必须收集和勘测的设计资料和参数通常有：（1）要收集的资料，包括管道平面线路图，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，架空管及水下穿越的位置及结构；（2）通过勘测得到的资料，包括现存和规划中的阴极保护系统，可能的地上、地下干扰源，特殊的环境条件，邻近的金属构筑物，可供利用的电源，沿线土壤电阻率。对于已建管道作馈电试验，测取所需电流。另外还要收集必要的气象资料。,11/26/2024,85,西南石油学院储运研究所,对于已建的管道，往往需做一些实际参数的测量，如土壤电阻率、干扰的测试。馈电试验、覆盖层电阻的测试、纵向导电连续性的测试及电绝缘性能的测试，根据测得的参数进行设计。而新建管道，有些参数是实测不了的，只能根据假设参数进行设计。在SYJ 36-89埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范中给出的常规参数有：,11/26/2024,86,西南石油学院储运研究所,自然电位：-0.55V（相对CU/CuSO,4,，下同）,保护电位：-0.85V,汇流点电位：-1.25V,覆盖层电阻：10000m,2,钢管电阻率：低碳钢，0.135mm,2,/m；16Mn钢，0.224mm,2,/m；高强度钢，0.166mm,2,/m,电源效率：70,电流密度：3050A/m,2,。,11/26/2024,87,西南石油学院储运研究所,有了这些参数，就可以进行设计计算，选定阴极保护站，绘制必要的设计图纸，提出所选设备、材料的技术说明。,通常阴极保护的设计图纸有：全线阴极保护系统平面布置图；电源安装图；地床结构及安装图；电缆连接及敷设图；阴极保护站平面图；配电系统图；测试系统的组成及分布图；若有干扰，需要有排流保护设计图；防强电冲击的保护设计图。,11/26/2024,88,西南石油学院储运研究所,2.电源设备,对有交流市电并能满足长期可靠稳定供电的地方及长输管道各中间站有可靠交流电源的地方，优先考虑使用交流电通过整流来提供极化电源。对于单独建站，无市电地区可选用其他第二电源。不管采用什么型式的电源，其基本要求是：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。,11/26/2024,89,西南石油学院储运研究所,一般交流供电情况下应选用整流器或恒电位仪。在管地电位或回路电阻有经常性较大变化时，必须使用恒电位仪。,1）整流器,阴极保护用整流器宜采用桥式全波整流电路。其纹波系数应满足单相不大于 50，三相不大于5的要求，最大温升不得超过85。在交流输入端和直流输出端应装有过流。防冲击等保护环节。户外型整流器应能适应当地所处的气候环境，可装在房顶、墙上或电杆上。通常采用油冷式整流器。,11/26/2024,90,西南石油学院储运研究所,2）恒电位仪,恒电位仪通常应在室内工作。其技术要求有：给定电位连续可调：-0.500-2.000V,电位控制精度：20mV,输入阻抗：1M,抗交流干扰能力：12V（AC）,耐电压：750V（AC）,负载波纹系数：单相，5；三相，8,恒电位仪印刷电路板一般采取防潮。防盐雾、防细菌的三防措施。,11/26/2024,91,西南石油学院储运研究所,3）太阳能阴极保护装置,太阳能电池是利用半导体材料的光生伏打效应，将光能直接转换成电能的一种半导体器件。普通的太阳能电池是由两种不同导电类型，即电子型（N）和空穴型（P）的半导体材料构成的。由于光照产生一个与PN结厂内电场相反的光生电场，有了光生电动势，接入外电路便可产生电流。,11/26/2024,92,西南石油学院储运研究所,太阳能电池开始是作为人造卫星的特殊电源发展起来的。由于它不要燃料、无污染、自动供电、无入管理、安全可靠、寿命长等特点，随着它的价格下降而迅速进入地面应用。,目前世界已建成的太阳能阴极保护站有上千座，是油气管道的一种廉价的电源。国内已建设了六座太阳能阴极保护站。就太阳能资源而言，除了四川、西南地区之外，全国都有丰富的太阳能可供利用。尤其是新疆西北地区，年日照平均在3000h左右，是世界上少有的一类太阳能资源地区。,11/26/2024,93,西南石油学院储运研究所,4）CCVT电源系统,CCVT是英文 Closed Cycle Vapor Turbogenerator的缩写，直译为密闭循环蒸汽透平发电机。CCVT是一种工质进行朗肯循环，具有一个稳定转速转动部件的密封式小型涡轮发电装置，输出功率范围在2005000W之间。主要应用领域为无电边远地区的电信和阴极保护电源。它将以往用于飞机设计的热力学理论和航空发动机的先进技术，应用于发电领域，使之达到前所未有的可靠程度。,11/26/2024,94,西南石油学院储运研究所,CCVT的主要特点是：高可靠性，无需定期维修，可连续工作20a；便于无,人,值守，可通过遥控指挥装置工作，一年内只需几次清除燃烧系统烟灰积炭和冷凝系统的积尘；适用多种燃料，常规的液体、气体燃料均可应用；安装方便。,5）热电发生器,热电发生器（TEG）是由三部分组成的：热源、热电偶阵和冷却片。工作原理如图3-8所示。,11/26/2024,95,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,96,西南石油学院储运研究所,目前加拿大环球热电发,生器已在世界,各个,国家，各种不同气候条件下，推广应用了10000多台，主要用于管道的阴极保护和通讯。,热电发生器可以用丙烷、丁烷、天然气或柴油作燃料。它的特点是：高可靠性；维护要求低；噪音低，污染小；寿命长，年度保养费用低；燃料来源广泛。,11/26/2024,97,西南石油学院储运研究所,6）风力发电机,风能是自然能源的一种形式，是由太阳能转化而来的。据估计全球的风能储量约为10,14,MW,。假定其中的一千万分之一可为,人,类所利用，即有10,7,MW为可利用风力。这个数量也就相当于当今世界能源的总需求量。,风能和太阳能一样，取之,不尽，用之不竭；不污染环境，不破坏生态；周而复始，可以再生。但在利用上有两大弊端：能量密度低；能量不稳定。,11/26/2024,98,西南石油学院储运研究所,我国风力资源十分丰富，在石油开发的边远地带，充分利用风力发电，也是国家的新能源政策之一。我国风力发电机拥有量估计在10万台左右，居世界之首。利用廉价的风力为管道阴极保护服务是我们的目标之一。,风力发电的不足之处是可靠性差，风力大时易造成机械损坏。但它的价格低，可把它作为其他能源的补充方式来降低整个电源系统的造价。,11/26/2024,99,西南石油学院储运研究所,7）蓄电池,能直接把化学能转变为电能的装置称为化学电源。它有蓄电池（可以重复使用）和原电池（不能重复使用）之分。以酸性溶液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池；以碱性溶液作为电解质的，称为碱性蓄电池。它是不连续供电的第二电源的重要储能装置。在太阳能电池、风力发电中都离不开蓄电池。,11/26/2024,100,西南石油学院储运研究所,8）第二电源的综合选择,在科学技术发达的今天，可供选择的第二电源很多。选择时主要考虑经济性、可靠性、长寿命、易管理。表3-7列出了各种电源的性能比较。,11/26/2024,101,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,102,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,103,西南石油学院储运研究所,在许多条件下，有时几种能源综合利用可以达到可靠性。经济性的最佳效果。如风电一光电混合发电系统，CCVT-光电混合系统等。在新疆轮库输油管道上，曾就两个中间站分别采用光电和风一光互补混合供电作了比较，采用风一光互补形式供电比只用光电节约投资三分之一，是无电地区阴极保护电源的发展方向,11/26/2024,104,西南石油学院储运研究所,3.辅助阳极,1）阳极地床的结构,由于辅助阳极工作性质决定了阳极是处于电解状态，这就要求在设计辅助阳极地床时，应考虑两个问题，一是阳极材料的消耗，二是阳极气体产物的逸放。前者是材料本身的性能，后者则取决于地床结构。,11/26/2024,105,西南石油学院储运研究所,一般阳极应在焦炭回填料地床中工作。这种结构的作用是：等效地增大了阳极体积，降低阳极接地电阻；把阳极土壤的工作界面转移到填料/土壤界面上，减小阳极消耗，延长阳极寿命；利于阳极产生的气体（O,2,，CO，CO,2,等）逸出，防止“气阻”。图3-9所示为焦炭作用的实例。,11/26/2024,106,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,107,西南石油学院储运研究所,为利于气体的逸出，在焦炭地床的上部还要填放一些粗砂或砾石，有些地方还要用多孔塑料管插至阳极地床中心，一是用于排气，二是必要时可以往里注水。,典型的立式和水平式阳极地床结构如图3-10所示。,11/26/2024,108,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,109,西南石油学院储运研究所,2）阳极材料,高硅铸铁。,早在1912年就研制成功了耐蚀的高硅铸铁，直到1954年才把它引入强制电流阴极保护中。1959年，含Cr4,.,5的高硅铸铁问世，极大地提高了材料抗氯离子腐蚀的能力，扩大了高硅铸铁阳极的应用范围。,11/26/2024,110,西南石油学院储运研究所,高硅铸铁是在铁中加入了大量的硅，才提高了其耐蚀性能。图3-11所示为硅的含量对腐蚀率的影响。从图中可以看出，含Si量不小于14.5，又不大于18时，能保持较低的腐蚀率。增加Si含量对耐蚀性改善不大，反倒导致机械性能变坏，强度下降，硬度升高，工艺性能差。表3-8列出了YJ型高硅铸铁阳极的规格尺寸。,11/26/2024,111,西南石油学院储运研究所,目前国内外广泛应用的双端接头阳极是两端都有导线，使用时分别引接在两根汇流母线上，这样既降低了端部效应，又提高了阳极接头的可靠性。在70年代又发展了一种新型的管状硅铁阳极，其特点是电缆接头放在阳极中间部位，可提高阳极利用率25。,11/26/2024,112,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,113,西南石油学院储运研究所,石墨阳极。,石墨阳极是用石油焦和沥青两种材料按一定比例加工焙烧而成，并经过2800的石墨化工艺把焦炭和沥青转变成石墨。为了提高石墨阳极的耐蚀性能，阳极棒体要进行浸渍工艺，即用石蜡或亚麻子油浸渍。浸渍可以降低气孔，抑制可能引起阳极胀裂或过早失效的表面气体的析出或碳的氧化。表39、表310所列是常用石墨阳极性能及规格。,11/26/2024,114,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,115,西南石油学院储运研究所,磁性氧化铁阳极。,磁性氧化铁阳极是用磁性氧化铁粉末铸造成中空有底的圆筒形，厚度约为510mm。主要成分：Fe,3,O,4,，9293（FeO约占30，Fe,2,O,3,约占6263）；SiO,2,，46；而CaO、MgO、A1,2,O,3,分别是0.1l。,磁性氧化铁电阻率是0.10.42cm，是石墨电阻率的100倍，壁厚比石墨薄，所以，要在圆筒内镀铜来提高导电性。由于铸件中含有气孔，当水浸入时，电缆接头易断裂，所以必须进行水压试验，排除次品。此外，磁性氧化铁阳极有硬和脆的缺点。,11/26/2024,116,西南石油学院储运研究所,磁性氧化铁阳极制造工艺较为困难，使得目前世界只有为数不多的几个国家可以生产。,钢铁阳极。,废钢铁是我国早期管道阴极保护辅助阳极的主体材料。其特点是：材料来源广，施工方便，价格低，没有气阻现象。因其管状体积大，增大了和土壤的接触面积，特别适用高电阻率环境中。这一点对于西部石油开发有着实际意义，因那里有时方圆几百公里就找不到100 m以下的土壤环境。钢铁阳极消耗率在9.l10kg/(A a)间，属可溶性阳极，需要定期更换。,11/26/2024,117,西南石油学院储运研究所,柔性阳极。,1984美国Raychem公司研制出一种新产品导电聚合物阳极。它是将导电性聚合物挤塑在铜芯上，作为辅助阳极用，外形和塑料电缆差不多，柔性很好，施工起来也类似于电缆敷设，所以是一种很受欢迎的辅助们极材料。它特别适用于高电阻率环境、管道覆盖层质量劣化的场合；它可以平行管道敷设，改善了沿线的电流分布。故对于站内管网、几何形状不规则的管道特别有益。目前国内已研制出这类产品。表311列出柔性阳极的性能。,11/26/2024,118,西南石油学院储运研究所,碳类回填料。,通常使用的填料有三种，即煤焦油焦炭、搬烧的石油焦和天然及人造的石墨渣。冶金焦炭渣也是常选填料之一。回填用的焦炭渣对组分要求是；灰分低于,10,，含碳量高于,85,，颗粒度在,3,15mm,。,11/26/2024,119,西南石油学院储运研究所,其他。,在工程实践中，国外还有一种钛基金属氧化物线性阳极。在深井中使用，有施工方便、寿命长等特点；在罐底布置成网格状的线形金属氧化物阳极，有电流分布均匀的特点。,11/26/2024,120,西南石油学院储运研究所,3）阳极地床位置的选择,辅助阳极地床位置（简称阳极区）的选择要考虑以下因素：,阳极区距管道的垂直距离。距离愈大，电位分布愈均匀。但无限拉大距离将会增加阳极引线的电阻，并增加建设投资。按SYJ 3689推荐，这一距离以100m为宜。,土壤电阻率。阳极区尽量选在土壤电阻率低的地方，因为低电阻率可使阳极接地电阻变小，减少电能的消耗。,11/26/2024,121,西南石油学院储运研究所,土壤湿度。土壤湿度大有利于阳极工作，防止气阻现象，故在实际中常把阳极区选在河边、沟底等低洼地带。,土地的利用。不占或少占耕地。,干扰影响。阳极区周围尽量避开金属构筑物。,地域规划。不得在近期规划区内建立阳极地床。,安装的难易。根据施工机具和地上、地下环境情况确定，以求安装费用最低。,11/26/2024,122,西南石油学院储运研究所,生态环境。这是近些年来提出的新问题，以不破坏生态环境为好。,在西部石油工程建设中；遇到一个新的问题，即在近百公里范围内，土壤电阻率都在,200,m,以上，地下深层又都是岩层，电阻率也很高。此时常规设计的方法不能满足要求，柔性阳极敷设是可选用的方法之一。,11/26/2024,123,西南石油学院储运研究所,阳极地床通常有两种形式，即浅埋地床和深埋地床。在浅埋地床中又可分为立式和水平式（图310）两种。当周围设施多或地表层土壤电阻率太高，不宜埋设地床时，就应考虑深井地床。深井地床一般埋深在地下15150m，施工费用较高。典型结构见图312。,11/26/2024,124,西南石油学院储运研究所,第三节 牺牲阳极法阴极保护,一、牺牲阳极材料,牺牲阳极材料的选择主要是看合金的性能及其化学成分，特别是合金元素的含量和杂质的含量。合金的金相组织对阳极性能也有着重要的影响。,11/26/2024,125,西南石油学院储运研究所,1.镁及镁合金,镁是周期表中第二族化学元素。原子序数为12，熔点651，密度为1.74g/cm,3,。镁及镁合金是理想的牺牲阳极材料。它的优点是密度小，电位负，极化率低，单位质量发生电量大；不足之处是电流效率低（约50）。,作为牺牲阳极应用的镁及镁合金有三大系列：高纯Mg、MgMn、MgA1ZnMn。,它们的性能列在表,3,12,中。,11/26/2024,126,西南石油学院储运研究所,11/26/2024,127,西南石油学院储运研究所,1）高纯镁,作为牺牲阳极用的镁材料应是高纯镁（含镁大于99.95）。它具有电位负、机械加工性好的优点。因其负电位大，故有时又称为高电位镁阳极。它适合于加工成带状阳极，在电阻率较高的土壤和水中使用。,11/26/2024,128,西南石油学院储运研究所,高纯镁中的杂质含量对其阳极性能影响很大。主要的杂质有Fe、Cu、Ni、CO，特别是Fe的含量较高。由于这些金属在电位序中有较正的电位，引起自腐蚀而使镁阳极效率降低。锰的加入可以抑制铁的影响，因为锰可以使铁在熔铸过程中沉淀出来。留在合金