阴极保护理论与实践课件.ppt

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1、管道阴极保护理论与实践,胡士信中国石油天然气管道工程有限公司,第一节 腐蚀与防护 第二节 阴极保护 第三节 牺牲阳极保护 第四节 强制电流 第五节 排流保护 第六节 阴极保护管道设计 第七节 阴极保护测试 第八节 运行与管理,第一节 腐蚀与防护,1.1 腐蚀定义及防腐的意义1.1.1 定义 可从几方面下定义（1）由于材料与环境作用而引起的破坏和变质；（2）除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏；（3）冶金的逆过程。,ISO定义：金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学性质。（见GB/T

2、 10123-2001）,1.1.2 防蚀意义腐蚀损失 UK，Hoar,1969为13.65亿英镑3.5%GDP；US 1975，700亿 4.2%GDP，820亿，1982年，1260亿，1992年，1700亿；NACE 新统计为3000亿，GDP4.2%，其中基础设施为 1500亿，1100/人；中国 石油行业 1987统计，漏泄：容器0.14次/台年，管道2万/年；1989，石化 约20亿；西直门桥1979建，1999拆，重修费用3000万，北京立交桥 有200座，仅大北窑桥改造工程就花4000万；2003年10月发表的中国腐蚀调查报告指出:我国腐蚀损失为 5000亿元/年 5%GDP

3、其中 20%可以避免 1000亿元,1.1.3 腐蚀分类（1）高温、低温；（2）化学、电化学；（3）湿、干腐蚀。1.1.4 腐蚀速率表示方法（1）均匀腐蚀：失重量、腐蚀深度、腐蚀电流；（2）局部腐蚀：点蚀系数。,1.2 防蚀方法 1 选择耐蚀材料(供应、耐蚀、成本、强度、加工性、外观等因素)2 与环境隔离的防腐层技术 3 适当的结构设计 4 阴极保护 5 缓蚀剂 6 改变环境 降温、降速、除氧、改变浓度 7 防锈技术（电镀、涂料）8 材料改性（不锈钢）1.3 腐蚀领域新方向 肖纪美，简易材料观，李金桂，表面工程论,第二节 阴极保护,2.1 阴极保护原理 1 三电极理论 2 E-pH理论 3 极

4、化理论 4 原电池理论 原电池三要素：1）两电极电位不同的两电极；2）两电极必须在同一电解质溶液里；3）两电极间必须有导线连接。防腐蚀方法：阴极保护破坏（1），防腐层破坏（2）。,2.2 阴极保护参数 2.2.1 保护电位准则（NACE RP 0169-96、SY/T 0036）：（1）通电情况下-850mV；（2）极化电位-850mV；（3）极化电位差-100mV。测试条件(1)通电条件下测量,含有IR降,必须除去(2)通常采用断电法测量,不含IR降(3)极化形成或衰减过程中(4)管网及杂散电流干扰下,必须采用探头法测,术语:参比电极：一种不极化电极，可用于测量管/地电位，它具有稳定的氢标电

5、位。土壤中常用的是Cu/CuSO4电极。在一些不易接近的地方，有时也用金属电极（如Zn）。测量交流电压时可使用金属棒作参比电极。Voff断电电位：断开阴极保护电流后瞬间直接测得的管/地电位。因不含IR降，故可视为极化电位。,Von通电电位：施加阴极保护电流情况下测得的管/地电位。因含有IR降，故不宜做为保护准则用。若要用时，应考虑排 除其IR降成分。极化电位：施加保护电流后引起管/地电位的偏移。管地电位：用与土壤相接触的参比电极测得的管道对地电位。2.2.2 保护电位密度 覆盖层的质量 环境条件（流速、污染、温度）,2.3 阴极保护方法 1 牺牲阳极法 2 强制电流法 3 排流保护法 方法比较

6、见表6-1,2.4 防腐层与阴极保护（1）防腐层的作用：隔绝电解质（2）防腐层的种类石油沥青：早期用、面积电阻低、有污染、应淘汰环氧煤矿沥青：早期用于补口、面积电阻很低、质量不宜控制、应禁用煤焦油瓷漆：性能好、寿命长、面积电阻低、有污染、不应大量 应用环氧粉末(FBE)：性能优、寿命长、面积电阻高、应大力推广应用聚乙烯(PE)：性能优、寿命长、面积电阻很高、但有阴极屏蔽作用三层PE(FBE-胶-PE)：性能优、寿命长、面电阻很高、防腐功能强、但有阴极屏蔽作用（3）防腐层质量与阴极保护电流密度,2.5 阴极保护技术国内现状（1）管道 20000km长输管道全施加保护 油田集输管道基本施加了保护

7、市政供气、水管道有上保护和无保护的（2）储罐 国内大型储罐基本都施加了保护 城市加油站的小型储罐有的上了保护（3）标准与法律 中国石油天然气管道保护条例 国内有一套阴极保护的待业标准,第三节 牺牲阳极保护,3.1 牺牲阳极种类 基本要求：（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）电流效率高；（4）电化当量高，单位重量的电容量大；（5）腐蚀产物无毒，不污染环境；（6）材料来源广，加工容易；（7）价格便宜。,3.1.1 镁及镁合金：（1）品种：高纯镁、高电位、标准；（2）性能：电位高、效率低；3.1.2 锌及锌合金（1）品种：高纯锌、锌-铝-镉、锌-铝

8、；（2）性能：电位低、效率高；3.1.3 铝合金（1）品种：铝-锌-铟、铝-锌-汞；（2）性能：不能用于土壤中。质量要求：要点杂质含量不能大，主要是铁，合金成分合理.,3.2 牺牲阳极应用 依据环境条件选用（表8-13）依据保护对象选 依据使用功能选,3.3 牺牲阳极设计 1 阳极种类的选择（表8-13）2 计算程序（1）接地电阻（2）单支输出电流（3）所需阳极数量（4）阳极寿命 3 地床结构 填料的成分和作用,4 施工（1）地床位置（2）阳极间隔（3）埋设方式 5 牺牲阳极的特殊应用（1）接地极（2）参比电极（3）防强电干扰接地栅（4）接地电池,第四节 强制电流,4.1 电源 4.1.1 要

9、求（1）安全可靠；（2）电流电压连续可调；（3）适应当地环境；（4）有富裕电容量；（5）与系统电阻相配；（6）操作维护简单；价格合理。,4.1.2 电源种类（1）整流器（2）太阳电池（3）CCVT（4）TEG（5）风力发电机,4.1.3 电源选用原则（1）首选整流器；（2）优化恒电位；（3）无电看气象；（4）发电有无气(5)CCITT和ITU无电地区的电源推荐方案(P104),4.2 辅助阳极 基本要求：（1）消耗率低，（2）阳极极化低；（3）导电性好；（4）可靠性高；（5）足够的机械强度和稳定性；（6）耐磨蚀，抗侵蚀；（7）材料来源广，价格便宜；（8）容易制造成各种形状。,4.2.1 阳极分

10、类（1）石墨阳极；（2）高硅铸铁阳极；（3）磁性氧化铁阳极；（4）金属氧化物阳极；（5）柔性阳极。,4.2.2 回填料（1）作用：降低阳极/土壤接触电阻；良好导电率；腐蚀气体排出；耐阳极产物。（2）品种：石油焦、冶金焦（3）粒径 315 mm(4)含碳量 大于85%,4.2.3 地床结构及位置（1）设计原则：接地电阻要适当；干扰影响小；电流分布均匀；（2）结构：要加回填料，以防气阻；上部要有粗砂，利于排气；（3）形式：浅埋立式、浅埋水平式、深井可换式、深井闭合式。,第五节 排流保护,5.1 直流干扰危害及防护 5.1.1 DC杂散电流判据（1）管/地电位偏移+20mV或地电位梯度大于0.5mV

11、/m确认有干扰；（2）管/地电位偏移+100mV或地电位梯度大于2.5mV/m要采取措施。,5.1.2 DC杂散电流的危害（1）电蚀：激烈、集中、量大，铁 9.1kg/A.a；（2）实例：东北管网，杂散电流干扰区占2%，而腐蚀 穿孔占60%；高达500A，腐蚀率大于10-15mm/a；最快为3个月穿孔；（3）主要干扰源：电（地）铁、电解、电镀、电焊（船的维修)、阴极保护（城市管道）、直流用电设备。,5.1.3 防护（1）直接排流；（2）极性排流；（3）强制排流；（4）间接排流；(5）镁阳极极性间接排流。,5.2 交流干扰危害及防护 5.2.1 AC杂散电流感应影响（1）干扰源：大于110kV高

12、压线路、电气化铁路、发电厂变电站（2）影响途径：容性耦合、阻性耦合、感性耦合（3）实例：宝成线油库管线、东北管道（两线一地、哈大线),5.2.2 AC杂散电流感应影响危害（1）安全 操作人员 设备安全（2）腐蚀影响 对于钢铁相当DC的1%2%两性金属不能忽略,5.2.3 防护（1）指标：持续65V(德国Afk3）60V(中国GB6830、TB/T2832）；瞬间1000V（德国）430V（中国）（2）防护：接地排流、极性排流、嵌位式排流、电容排流、绝缘 隔断、AT(自耦变压器）BT(吸流变压器）方式、绝缘接头防护（3）国内实践：宝成线、哈大线、秦京线,第六节 阴极保护管道设计,6.1 阴极保护

13、电绝缘 6.1.1 防腐层6.1.2 绝缘接头6.1.3 绝缘法兰6.1.4 绝缘支撑6.1.5 与其它构筑物电绝缘(穿跨越处),6.2 电连续性6.2.1 跨接 法兰接处 站外干线管道连接 阀室外连接 预应力混凝土管道的环向筋的连接,6.3 测试系统 6.3.1 遥控系统6.3.2 遥测系统6.3.3 测试桩种类(电位、电流、绝缘、交叉、套管）6.3.4 测试探头的应用（罐底、杂散电流、管网）6.3.5 参比电极（恒电位仪、近参比）,6.4 测试项目与管理（详见第8节）6.4.1 牺牲阳极系统6.4.2 强制电流系统6.4.3 阴极保护管理的三大指标6.4.4 测试项目,6.5 设计计算 6

14、.5.1 强制电流系统（1)所需保护总电流(2)单站保护范围(3)所需站数(4)单站电流（5)单支阳极电阻(6)所需阳极质(7)回路电阻（阳极、阴极导线、阳极导线）(8)电源功率,6.5.2 牺牲阳极系统（1）所需保护电流（2）单支阳极电流（3）阳极数量（4）单支阳极保护范围（5）阳极寿命,第七节 阴极保护测试,7.1 阴极保护电位测试 7.1.1 一般原则 7.1.2 参比电极 7.1.3 测试仪器 7.1.4 测试方法 7.1.5 电位测试中IR降影响及消除,7.2 保护准则测试 7.2.1 一般要求 7.2.2 通电电位-850mV 7.2.3 极化电位-850mV 7.2.4 100m

15、V极化差 建立中 衰减中,7.3 电流测试 7.3.1 牺牲阳极电流 标准电阻法 双电流表法 7.3.2 管内电流 两极法 四极法 7.3.3 保护电流密度 Js=(I1 I2)/S,7.4 电阻测试 7.4.1 土壤电阻率 现场四极法 土壤箱法 7.4.2 接地电阻 ZC8三极法 两极法,7.5 故障点测试 7.5.1 套管短路 电位差法 7.5.2 覆盖层漏点 地面检漏 地电位梯度 7.5.3 与其它管道短路点 地面电位梯度,7.6 覆盖层面积电阻测试 7.6.1 方法简介 7.6.2 原理直流电场理论 7.6.3 问题讨论名称（定义）、单位德国贝克曼定义：防腐层电阻率是防腐层电阻和面积的

16、乘积。单位：m2。测量方法的区别NACE TM 0102地下管道保护性覆盖层电导率的测量方法覆盖层面电阻与保护电流密度的关系 7.6.4 检漏与面电阻测量的区别检漏可定性的给出防腐层的好与坏，但不能得出面电阻；交流检测信号无论是电平还是电流都与直流不一样；用于检漏，交流电流信号好于电平信号。,NACE TM 0102简介（1）一般方法（2）电位衰减法（3）用电导率来评价覆盖层状态,第八节 运行与管理,8.1 概述 阴极保护工程应与被保护构筑物同时设计、同时施工、同时投产，一旦投入运行，就应确保阴极保护系统持续有效，任何异常现象都应及时处理，这是管理工作者的责任。,8.1.1 一般技术要求8.1

17、.1.1 被保护构筑物的电位 阴极保护的有效性判据是保护电位，因此电位参数测试的准确性显得十分重要，通常要注意：(1)测量回路中的IR降影响；(2)参比电极的校准；(3)测试仪表的精确度（内阻及量程）；(4)外界干扰的存在；(5)极化时间要求。管理工作中，被保护构筑物的电位是必测项目，测量的时间间隔应有明确的规定，定期测得的数据要纳入技术档案，永久保存。,阴极保护准则的练习,自然电位 通电电位 断电电位0.550 0.980 0.851 A,B,C0.450 0.848 0.554 C0.501 0.899 无IR降 A,B,C不知道 0.932 0.865 A,BA=0.850V(通);B=

18、0.850V(断);C=100mV(极化差),8.1.1.2 牺牲阳极系统 在牺牲阳极设计时，阳极与被保护构筑物的连接有两种方式，一是直接焊到被保护体上，另一种是通过接线盒与被保护体相连。对于前一种情况，被保护构筑物的自然电位将测不出来，应采用辅助试片，试片不与被保护体相连，并置于同一电解质中，试片的材质应与被保护体相同。牺牲阳极的测试参数有电位、电流和电阻。牺牲阳极的管理要求为：(1)定期检测被保护构筑物的电位；(2)半年或一年检测一次阳极工作电位和电流；(3)必要时检验阳极表面腐蚀状态；(4)牺牲阳极装置系统完整性维护。,牺牲阳极故障分析有以下两项：（1）阳极输出电流减小，达不到保护电位，

19、这种现象的可能原因有：a.阳极消耗，可能需要更换；b.阳极/阴极的连接断开；c.阳极/导线接头断开；d.阴极/导线接头断开；e.阳极周围土壤干燥；f.环境污染对阳极性能的影响。,（2）阳极输出电流增大，但保护构筑物电位极化不上去，这种 现象的可能原因有：a.被保护构筑物所需电流过大,阳极输出的电流远小于所需电流；b.被保护体与相邻金属构筑物有电连接；c.环境改变引起迅速去极化或者水的含氧量增大；d.绝缘装置失效；e.覆盖层老化或破坏。,（3）牺牲阳极其它故障 a.阳极体腐蚀不严重，但阳极已不能工作。可能的原因为，阳极成分不合理，在工作环境中造成钝化所致，影响因素有温度、含盐类型等。b.阳极体局

20、部腐蚀严重，造成阳极体断裂。可能的原因是阳极合金化不均匀，造成局部腐恂。c.未达设计寿命，阳极失效。可能的原因为，阳极杂质含量高，阳极效率降低。d.在交流电干扰状态下，有时阳极会发生极性逆转，管理中，如有交流干扰要严密监视。,8.1.1.3 强制电流系统 强制电流系统由电源和辅助阳极两部分组成，其维护的内容也是这两方面。电源设备种类较多，采用交流供电的有恒电位仪、恒电流仪及变压器、整流器、配电装置等形式，它们的维护保养与低压用电设备一样。采用TEG、CCVT等供电方式的，除了要按低压电器设备的维护要求外，还要对燃气供给系统进行维护保养。,通常要注意的有：电连接点牢固可靠；机体对地绝缘符合规定；

21、外壳无锈蚀；供气系统畅通无阻；散热板无积炭；太阳能电池极板无枳雪或灰尘；不同地理位置，不同的环境温度要校准仪器设备的 工作点。,辅助阳极地床结构形式多种多样，不管使用什么样的地床，都要注意：阳极引线接头防水绝缘密封完好；阳极对电解质的电阻稳定不变；土壤环境中的阳极“气阻”现象。,对于强制电流阴极保护系统，常见故障及其原因有：(1)通电后，构筑物/电解质电位变正，这是正、负极接反了，必须立即更正，否则将会造成被保护体快速电解腐蚀，危险性极大。(2)施加电压正常，电流小但不为零，可能的原因有：a.阳极或地床破坏；b.地床干燥或阳极露出水面；c.土壤环境中，阳极地床的“气阻”；d.阳极接头断开；e.

22、阴极引线断开。,(3)施加电压正常，电流为零，可能的原因为阴、阳极引线断开，或阳极完全失效。(4)施加电压、电流偏小，可能的原因有：a.变压比例不合适；b.变压、整流器故障；c.供电系统故障。(5)施加电压、电流偏大，可能的原因是变压比例不合适。,(6)施加的电压、电流正常,但构筑物/电解质电位负移不够，可能的原因有：a.电连接点断开或接头电阻过大；b.测试点处土壤干燥或土壤充气过多；c.环境去极化作用过强，或水中含氧量增大；d.绝缘故障，与其它构筑物短路；e.金属构筑物的屏蔽作用；f.相邻阴极保护装置失效；g.防腐覆盖层老化或损坏。,(7)施加的电压、电流正常，但构筑物/电解质电位负得不正常

23、，可能的原因有：a.在远端电连续性跨接断开；b.调试之后，电解质的充气降低；c.电解质流速降低；d.干扰跨接断开；(8)施加的电压、电流正常，但构筑物/电解质电位波动，可能 的原因是杂散电流干扰。,8.1.1.4 管理测量 由于阴极保护系统管理测量为现场测量，就测量的准确性、重现性和对比性而言，要求操作者力争作到：(1)测试仪表前、后一致；(2)参比电极位置固定不变；(3)环境条件（温度、湿度等）尽量相同；(4)接线连接工具一样；(5)参比电极使用前应校正。,8.2 地下金属构筑物,8.2.1 总则 按SY/T 591994标准要求，埋地钢质管道阴极保护管理主要控制下面几个指标：(1)保护率1

24、00；(2)运行率95；(3)保护度85；(4)保护电位：一般地区为-0.85V（CSE）或更负；当土壤或水 中含有硫酸盐还原菌时，为-0.95V（CSE）或更负。,保护率反映管道施加有效阴极保护覆盖范围的程度，通常以保护管道的总长和未达有效保护管道长度两参数计算。保护率计算公式为：Tc 100 式中 TC保护率；L1 施加保护管道总长，km；L0 未达有效保护管道总长，km；,阴极保护运行率反映在一年时间内，阴极保护运行时间所占的比例。运行率计算公式为：T 100 式中 T阴极保护运行率；T1 年度内有效运行时间，h；T0 全年小时数，取8760h。,阴极保护保护度反映阴极保护有效程度，通常

25、采用通电、不通电的试片腐蚀速率来计算。保护度计算公式为：TN 100 式中 TN阴极保护保护度；G1 未加保护试片的失重，g；S1 未加保护试片的裸露面积，cm2；G2 施加保护试片的失重，g；S2 施加保护试片的裸露面积，cm2。,最终总结,一基础知识1 腐蚀原电池2 管道上腐蚀电池的几种形式3 电池中的电子流动4 阴极保护的两种方法5 哪种保护方法对周围有干扰6 无电地区有几种可使用的电源7 牺牲阳极有几种,土壤中用哪两种8 锌镁阳极的杂质主要有9 电绝缘装置的形式10 杂散电流的指标,11 管道防腐层的种类12 防腐层的电阻单位13 防腐层的屏蔽14 土壤腐蚀简单判定参数15 排流的方式

26、二 阴极保护理论1 术语:参比电极、管/地电位、Von、Voff2 保护准则3 使用准则4 说明通电/断电和IR降的关系（画个图）P1695 断电测量电位的采样时间,6 杂散电流中如何测量 管/地电位7 防腐层面电阻与电流密度间的关系8 套管中电绝缘9 绝缘接的防强电的措施10 城市管网如何测电位才准11 阴极保护管道管理的三大指标的计算12 管道貌岸然防腐层面电阻 的计算（电位差、电流、面积）13 AC干扰的主要危害是什么14 地下铁路的供电是DC还是AC15 我国干线铁路电气化供电是DC还是AC,发言结束谢谢大家！,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,