牺牲阳极阴极保护技术

2024-08-30

牺牲阳极阴极保护技术（共4篇）

牺牲阳极阴极保护技术篇1

1 概况

莆田金钟水利枢纽引水配套工程(以下简称本工程)是2011年省重点项目之一,水源为金钟水库及双溪口水库,设计引水规模36.37万t/d(4.21m3/s),用途为生活用水、工业用水,涉及总人口109.55万人,该工程是莆田水资源合理化配置,解决农村饮水安全的骨干水源工程,主要为湄洲湾北岸临港工业发展和工程沿线11个乡镇109.55万群众生活提供用水保障。

设计输水线路总长度89.10km,包括输水干线、莆田支线、妈祖支线,全程重力流输水,设计最大工压1.6 MPa,妈祖支线管径1.40m,长度51.41km,其中17.73km沿滨海大道、城港大道及东吴中大道布置,涉及管道沿线水土呈碱性,硫酸盐、氯离子含量较高,而PCCP管在生产、贮存、运输及安装过程中,管道外壁难免会因各种原因产生表面裂纹或缺陷,使管材钢丝受到腐蚀破坏,最终甚至产生爆管,由于PCCP爆管具有突发性、灾难性,事先没有征兆,其爆管发生带来的不仅仅限于管道供水的中断,还可能引起公共安全事故,因此,有必要进一步采取PCCP管防腐措施,保证PCCP管道使用寿命及运行安全。

2 阴极保护工程建设必要性

2.1 PCCP管道结构特点要求

PCCP管道即预应力钢筒混凝土管,不仅综合了普通预应力混凝土输水管和钢管的优点,而且还适用于高工压和高覆土的工程环境,常作为超长距离引水项目的首选管材。PCCP是在带钢筒的混凝土管芯上,缠绕预应力钢丝,并施喷水泥砂浆保护层而制成的,从其结构形式上分为内衬型和嵌埋型两种。内衬型是在钢筒内部衬砌混凝土,然后在钢筒上缠预应力钢丝,最后在钢丝外部喷砂浆保护层;嵌埋型是将钢筒埋在混凝土中间,然后在混凝土外表面缠预应力钢丝,最后喷设保护层。在PCCP结构中,承插口钢圈是管材连接、止水的关键部件,钢筒主要用于抗渗和承受纵向力;混凝土管芯因嵌埋有钢筒而提高刚性,并保护钢筒不受外界侵蚀;钢丝承受内、外荷载产生的复合应力;保护层使钢丝不受外界侵蚀和冲击。

PCCP管表面砂浆保护层本身是一种多孔材料,存在从凝胶孔到毛细孔的一系列不同孔径的孔隙,在生产过程和使用过程中均可能产生裂缝,在生产过程中由于砂浆自身收缩开裂、干燥收缩开裂;在使用过程中由于环境腐蚀产生裂缝、PCCP受力膨胀引起砂浆开裂,或由于基础不均匀沉陷形成PCCP管承插口中灌注砂浆开裂。在例如高氯离子含量或干湿环境中,土壤和地下水中的氯离子会通过砂浆层中这些孔隙渗入到钢筋表面,大量研究和工程实践表明,土壤中的酸性物质和活性离子会渗入砂浆保护层,导致PCCP内部预应力钢丝发生电化学腐蚀,其腐蚀产物和腐蚀作用过程中产生的氢原子渗入高强钢线格构,引起高强钢丝的氢脆断裂,一旦一根钢丝腐蚀断裂,临近钢线会受更大的应力,导致多根钢丝断裂,就会有爆裂危险。因此有必要进一步强化PCCP管道的外防腐设置。

2.2 国内外工程实践证明

我国PCCP管的使用年限还不长,无法得到系列的使用经验,但从应用历史较长的美国等运行情况来看,PCCP管腐蚀失效时有发生,据有关资料[1],美国Texas在1972年安装的两根PCCP管,在1981-1991年,由于外砂浆保护层在安装过程中局部破损或在水锤压作用下开裂,土壤中氯离子侵入导致预应力钢丝腐蚀而发生了7次破裂。

美国一条输往Madrid的输水预应力钢筒混凝土管道(被称为西部管道),长17.23km,直径为1 600mm最大输送量为3.8m3/s,1987年多处管道出现了局部开裂,后采用镁阳极进行了阴极保护。

美国Poekwoek输水管线管道直径为1 070 mm,主要为Halfax市供水,管线运行了10年后出现了开裂事故,紧接着至少又发生了5次爆管事故,后采用锌阳极对腐蚀开裂处的管道进行阴极保护。

利比亚大人工河一期工程部分管道没有采用环氧煤沥青防腐保护层和阴极保护,管线腐蚀且破坏严重,有超过10 000根管道发生腐蚀破坏,后对已铺设的一期管线追加阴极保护设施。二期工程全部使用环氧煤沥青及阴极保护相结合的防腐措施,取得了成功的经验和良好的效果。

国内南水北调中线工程北京段PCCP管道及天津市内配套工程,沿线土壤腐蚀性测试,土壤电阻率为0.5~10Ω·m,设计采用对埋地PCCP施加600μm环氧煤沥青外防腐和牺牲锌阳极的阴极保护;PCCP管材外保护层从国标20mm增厚至25mm,保护层砂浆密实度提高,要求胶砂比不小于1∶3,单方水泥用量不少于565kg/m3。

辽宁大伙房水库输水二期工程对PCCP管外防腐及阴极保护。

从以上国内外PCCP管道使用可以得到启示:当PCCP管子用于含有腐蚀性介质的土壤环境中时,有必要采取阴极保护等进一步的防腐措施来提高PCCP管道的耐久性和安全性。

2.3 本工程埋管所处环境要求

本工程管道所处环境腐蚀来源为滨海段的淤泥,根据工程地质评价,滨海段地下水对混凝土结构具结晶类中腐蚀性(普通水泥),对钢结构具中腐蚀性。淤泥对混凝土无腐蚀性、对钢筋混凝土结构中的钢筋具中腐蚀性;其他土层对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。土壤电阻率测试平均值31.8Ω·m,小值平均值仅为18.6Ω·m,小于50Ω·m,对PCCP管中预应力钢丝的腐蚀等级为中~强腐蚀。考虑本工程设计工压高,管道表面涂刷沥青环氧漆漆膜难以避免地存在针孔、破损、漏涂和自然老化等缺陷,影响其防腐效果;有必要采用阴极保护和防腐涂层相结合,一方面可以防止防腐涂层破损处产生电化学腐蚀,另一方面涂层可大大降低阴极保护所需的极化电流,使得结构物表面的保护电位分布更均匀,可以达到更好的保护效果。

因此,为保证工程质量及运行安全,增设阴极保护是十分必要的。

3 PCCP阴极保护技术

3.1 PCCP阴极保护要求

3.1.1 电连续性要求

包括PCCP管单节自身的电连续性及PCCP管节之间的电连接性要求。

(1)单节自身的电连续性:根据NACE SP 0100标准要求,应对PCCP管中预应力钢筋和钢筒进行电连续性连接,本工程所用PCCP管在制作中要求采用钢丝下压接两条钢带,并将钢带在PCCP管端与钢筒焊接,保证预应力钢筋和钢筒之间阴极保护电流的电连续性;沿管直径方向对称180°布置两条导电钢带,导电钢带规格为55mm宽,1.5mm厚,钢带在除锈时应对两边角进行处理,形成一定的倒角或弧度,避免钢丝与导电钢带边角之间产生过大的应力。

(2)PCCP管节之间的电连接性:为保证PCCP管之间的电连续性,应在每节PCCP管两端增加跨接连接片,规格为宽60mm、厚3mm,钢板材质为Q235。跨接片安装见图1示意。跨接片与钢制承插口连接前都应对连接点处进行除锈,喷砂除锈等级应达到S2.5级,跨接片与钢带、钢丝或电缆应采用焊接方式连接。

(3)电连续连接要求:电连接的要求:每节PCCP管钢带与钢筋两端电阻小于0.03Ω,两节PCCP管连接电阻小于0.01Ω。

3.2.2电绝缘要求

为防止杂散电流的干扰和PCCP管道保护电流的流失,在保护管道的首末端、分支处以及与外部管道的连接处安装绝缘设施进行电绝缘。

3.2阴极保护准则

根据阴极保护相关规范、NACE SP 0100-2008标准并参照已建工程经验,拟定本工程PCCP管阴极保护准则为满足下列任意一条即可确认保护有效:

(1)阴极保护极化电位应为-750mV(CSE)或更负。

(2)阴极保护的阴极极化或去极化电位差要求大于100mV。

另外,防止出现过保护,要求PCCP管阴极极化电位最负电位限值为-1 000mV(CSE)。

阴极保护系统的设计寿命不少于30年。

3.3 PCCP阴极保护方案

3.3.1 方案选择

阴极保护在金属防腐工艺中,是电化学保护方法的一种。它通过对被保护金属体施加电流,从而使其电极电位负移,使金属减弱由原子态自发变为离子态的趋势,因而从根本上抑制了腐蚀的发生。施加阴极电流的方法有强制电流和牺牲阳极两种。强制电流指用直流电源给被保护金属通以阴极电流,保护系主要由极化电源、辅助阳极、参比电极和电缆等组成部分;牺牲阳极则是在被保护的金属上连接一种电极电负的金属或合金(称为牺牲阳极),通过牺牲阳极的自我溶解和消耗,给被保护金属提供阴极电流。两种方案比较如表1。

选择阴极保护方式,应根据防腐层质量、土壤环境、现场条件和运行管理等因素,进行技术经济分析,综合考虑确定。一般原则是:(1)工程规模大宜采用强制电流,规模小则宜采用牺牲阳极。(2)市区内考虑到对外界干扰电流的影响,一般应采用牺牲阳极。(3)当土壤电阻率大于100Ω·m时,或管道覆盖质量差,一般宜采用强制电流。

综合以上两种方式优缺点及选择原则,参照类似工程经验,本工程选用牺牲阳极的阴极保护方案,PCCP管道阴极保护的牺牲阳极选用带状高纯锌阳极保护。

3.3.2 方案布置

(1)基本参数。

(1)设计电流密度:设计电流密度取值应以达到阴极保护准则要求为准,本工程依据经验,取保护电流密度1.0mA/m2。

(2)PCCP管道:直径D=1 400mm,壁厚δ=120mm,计算保护单元根据NACE标准及天津经验采用8节即L=6×8节=48m作为一个单元,保护面积S=247.31m2。

(3)保护电流计算,I=i×S=1.0×247.31=0.247A。

(4)土壤电阻率:根据土壤电阻率测试成果,淤泥的电阻率9.0~58.4Ω·m,平均电阻率为31.8Ω·m,小值平均值为18.6Ω·m。计算取平均值并用最大、最小值进行复核计算。

(2)工艺计算结果。

依据规范《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(GB/T 21448-2008),计算可采用以下工艺方案:

ZR-1方案,需要布置2支ZR-1锌阳极带,计算保护年限为32.84a,满足不小于30a的设计要求。

ZR-2方案,需要布置4支ZR-2锌阳极带,计算保护年限为32.76a,满足不小于30年的设计要求。

(3)工艺方案比较选择。

按照以上两种方案比较,从工程造价、施工及质量管理角度比较,见表2。

从表2中看出,两种布置方案均可以提供足够的保护电流,需用的质量相同,采用4支ZR-2与2支ZR-1相比,理论上均可以提供足够的保护电流,亦可达到同样的使用寿命;在管道已铺设的条件下,采用方案一即2支ZR-1布置与方案二用4支ZR-2相比,可以减少施工反开挖的土方工程量,以及减少电缆连接数量,施工管理难度更小,且工程造价低,故推荐采用2支ZR-1布置。

3.4 PCCP阴极保护实施

根据设计方案选择及布置,拟在管道两侧各埋设一根ZR-1高纯锌带,平行于PCCP管道,对PCCP管道内的钢筒和预应力钢丝筋进行保护,阳极成分选择GB/T 21448标准中高纯锌型,带状阳极的安装应与PCCP管道安装同步进行,当PCCP管沟挖好后,根据带状阳极设计图(如图2所示)所示位置安装带状锌阳极。带状锌阳极应置于阳极沟中,阳极沟宽200mm,深100mm,阳极周围应填充特定组分的化学填料,应采取一定措施防止填料和泥土混合,阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。阳极电缆与带状锌阳极采用压接方式进行连接,并采用专用电缆连接套进行连接和防腐。

4 阴极保护测试系统

牺牲阳极的阴极保护设计计算依据GB/T21448-2008并参照国内有关试验数据和经验,由于目前国内新建PCCP管的阴极防护所需保护电流尚处在研究阶段,阴极保护设计很难准确选择管道所需保护电流,电流密度选择过小,保护不足,达不到预期保护效果,相反,电流密度选取过大,造成不必要的浪费,甚至产生“过保护”现象,对结构反而造成损害;另外,由于自然电位的不确定性等一些因素的存在,必然使得设计计算成果产生偏差。

基于以上认识,本工程设计要求测试系统同步实施,采用实测数据对设计进行校核,最终以实测的数据满足阴极保护准则为准,确保管道阴极保护的有效性。

摘要：介绍牺牲阳极的阴极保护技术在金钟水利枢纽引水配套工程的PCCP管道中应用,从PCCPDE管道自身结构特点、国内外工程实践以及本工程地质环境分析等论证实施阴极保护的必要性,从技术经济条件方面论证阴极保护的方案选择,对类似工程及地质条件下采用阴极保护技术提供了借鉴。

关键词：牺牲阳极的阴极保护,必要性,方案比选

参考文献

[1]胡士信,徐快.阴极技术基础知识[Z].宁夏青龙管业股份有限公司.

牺牲阳极阴极保护技术篇2

海水冷却换热设备是船舶工程中不可缺少的设备。由于铜合金热导率高、防海生物污损,且具备一定的耐蚀能力,因此目前大部分船用的冷凝器、冷却器由铜合金制备,如B10、B30合金等。随着技术发展,铜合金海水冷却设备服役时面临着越来越苛刻的海水腐蚀环境,特别是海水腐蚀冲刷,铜合金的腐蚀防护是影响冷却设备功能的主要问题,采用牺牲阳极阴极保护是目前换热设备通用的防腐蚀措施[1,2]。

目前,船用铜合金冷却设备牺牲阳极保护主要采用锌阳极,虽然具有明显的保护作用,但由于锌合金阳极与被保护铜合金的腐蚀电位差过大(约800 m V),阳极溶解过快,寿命太短,不能满足设备的技术指标要求[3,4]。

铁合金开路电位约为-700 m V左右(相对于饱和甘汞电极,下同),舰船海水管路最常用的B10铜合金自腐蚀电位约-260 m V,保护电位约为-450 m V左右。若采用铁合金对B10海水管路提供牺牲阳极阴极保护,铁基牺牲阳极和被保护铜结构之间至少有440 m V的电位差,比锌合金牺牲阳极与钢结构的电位差还大,距保护电位有250 m V电位差,也比锌阳极和碳钢保护电位之间的差值略大。从电偶腐蚀理论上讲,采用铁合金保护铜合金,其电偶腐蚀驱动电位合适,满足牺牲阳极阴极保护的热力学条件和动力学条件,理论上可行。然而,在实际应用中,还有许多工程问题需要解决,例如铁基阳极的使用寿命、保护效果和保护范围等。针对目前船用海水冷却器锌阳极消耗过快的问题,本工作综合采用电化学分析计算、腐蚀仿真及样机腐蚀试验,从多方面综合研究了采用铁合金阳极对船用铜质海水冷却器施加阴极保护的可行性,对铁合金的保护效果和使用寿命进行了核算,研究结论对实际工程应用有着重要的指导意义。

1 试验

1.1 试材

选择B10合金作为船用海水冷却器的典型被保护材料,牺牲阳极对比选用现役的三元Zn-Al-Cd阳极和Fe-Mn-Cr合金阳极,3种材料的化学成分见表1。

1.2 测试分析

1.2.1 电化学测试

对比研究Zn基阳极和Fe基阳极对B10铜合金阴极保护的可能性,3种材料的极化曲线测试在Auto Lab电化学工作站上进行,采用标准三电极体系,参比电极为Ag/Ag Cl电极,辅助电极为铂电极。腐蚀介质为3.5%Na Cl溶液,温度为室温,极化曲线扫描从-0.25 V(相对于开路电位)开始,扫描速率为0.33 m V/s。极化曲线测试前测量材料开路电位的变化,待开路电位稳定后开始测量。

1.2.2 腐蚀仿真分析

采用Beasy腐蚀仿真软件分析Fe-Cr-Mn牺牲阳极对B10材质的冷却设备的保护范围和效果。在保护过程中,Fe-Cr-Mn作为阳极,B10作为阴极,分别选取两种材料的阳极曲线和阴极曲线作为仿真计算的边界条件。

1.2.3 样机腐蚀试验

采用样机腐蚀试验验证牺牲阳极在模拟实际工况下的服役寿命及腐蚀保护电位分布。样机根据某型冷凝器水室端盖结构制作,材料为B10。试验的牺牲阳极材料包括锌阳极和Fe-Mn-Cr铁阳极两种,尺寸均为100 mm×20 mm,采用螺栓连接的方式安装在端盖手孔内。采用Ag/Ag Cl参比电极测量端盖不同位置的保护电位分布。腐蚀样机及电位测量点见图1。其中1号测量点距离阳极20 mm;2号测量点距离单侧阳极30mm;3号测量点位于两支阳极之间,距离左右阳极各50 mm;4号测量点处于最远端,与两支阳极距离均为100 mm。通过不同位置处保护电位的测量,研究空间距离效应对牺牲阳极保护效果的影响。

腐蚀试验参照GB/T 19291-2003《金属和合金的腐蚀腐蚀试验一般原则》开展[5],试验介质为海水,温度为室温,样机端盖内海水流速控制在1.5 m/s左右,腐蚀试验周期为20 d。采用电位测量法检测施加铁合金阳极保护后的保护电位分布。采用腐蚀速率测量法计算铁合金阳极的腐蚀寿命。

2 结果与讨论

2.1 极化曲线

参考GB/T 16166-2013《滨海电厂海水冷却系统牺牲阳极阴极保护》,铜及铜合金制成的设备、部件和管道,保护电位范围应达到-0.50~-0.65 V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极),保护电流密度为150~200 m A/m2[6]。

采用极化曲线研究不同材质牺牲阳极保护铜合金的可行性,极化曲线测试结果见图2。

从自腐蚀电位差来看,Fe-Mn-Cr合金阳极自腐蚀电位约为-700 m V,B10的自腐蚀电位约-240 m V,FeMn-Cr合金阳极和被保护B10之间至少存在460 m V的电位差;一般的Zn基牺牲阳极自腐蚀电位为-1 100m V左右,钢的自腐蚀电位在-700 m V左右,锌合金牺牲阳极与被保护钢结构的电位差约310 m V左右。从自腐蚀电位差来看,铁基合金与铜的自腐蚀电位差比锌基合金与钢的大,采用铁合金保护铜合金,热力学条件完全满足。此外,铜合金的保护电位为-0.50~-0.65 V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极),铁合金的自腐蚀电位与铜的保护电位之间差值也在200 m V以上,电化学保护的驱动力充足[7,8]。

通过电偶腐蚀分析,铜合金与铁合金耦合后,铁为阳极,铜为阴极,保护电位在-500 m V左右,符合铜合金阴极保护要求。从极化曲线分析,铁合金作为阳极保护铜合金是可行的。

2.2 阳极使用寿命计算

参考船舶行业标准CB/T 3855-2013《海船牺牲阳极阴极保护设计与安装》中规定的计算流程,核算相同尺寸下铁合金阳极与三元锌阳极的使用寿命[9]。牺牲阳极寿命计算公式如下:

式中t———牺牲阳极使用寿命,a

G———每块牺牲阳极质量,kg

Q———牺牲阳极实际电容量,A·h/kg

η———阳极浸水率,%

1/K———牺牲阳极有效利用系数,0.80~0.85

Im———每只牺牲阳极平均发生电流量,m A

式中If———每只牺牲阳极发生电流量,A

式中△E———阳极驱动电位,V

R———牺牲阳极接水电阻,Ω

牺牲阳极接水电阻计算公式为

式中ρ———海水电阻率,取25Ω·cm

A———阳极暴露面积,cm2

根据牺牲阳极寿命计算公式,对比计算现役锌阳极和新型铁阳极的寿命,计算过程如下:

(a)牺牲阳极材质

三元锌阳极:△E=0.8 V,Q=800 A·h/kg;铁合金阳极:△E=0.3 V,Q=1 000A·h/kg。

(b)阳极尺寸

采用相同尺寸的牺牲阳极,尺寸为ф10 cm×2 cm,阳极暴露面积为A=πr2+2πrd=141.3cm2,接水电阻R=0.66Ω;根据计算公式(3):三元锌阳极发生电流If=△E/R=0.80/0.66=1.2 A;铁合金阳极发生电流If=△E/R=0.30/0.66=0.45 A。

(c)阳极质量

G=πr2Lρ0,ρ0为铁阳极密度,取ρFe=7.85 g/cm3,ρZn=7.14 g/cm3。

(d)阳极浸水率

阳极浸水率取η=60%。

(e)阳极寿命计算

将有关参数分别代入计算公式中计算阳极寿命。

对于现役锌阳极:

对于铁合金阳极:

根据计算结果,对于铜合金的阴极保护,在相同的环境下,同样尺寸的铁阳极使用寿命是锌阳极的3倍左右。根据计算结果,通海设备牺牲阳极材料更换为铁合金材料是可行的。

2.3 腐蚀仿真计算

采用仿真计算方法验证铁合金牺牲阳极对B10铜合金的保护效果。仿真计算的数字模型如图3,包含B10端盖和Fe-Mn-Cr合金阳极,计算的边界条件为图2所示的极化曲线。

在牺牲阳极初装时,左端盖的保护电位分布如图4。此时左端盖的保护电位范围为-0.53~-0.54 V,此时端盖可以得到有效保护。计算得出此时单支阳极发出电流为31.83 m A。

在牺牲阳极服役1.5 a后,即牺牲阳极消耗约50%时,左端盖的保护电位情况如图5。此时左端盖的保护电位范围为-0.51~-0.52 V,端盖仍可得到有效保护。

通过采用数值模拟的方法对典型通海设备的牺牲阳极阴极保护效果进行仿真计算,结果得到:当采用Fe-Cr-Mn牺牲阳极时,B10样机端盖安装两支盘状阳极时,保护电位达-0.50 V以下,阳极仿真计算寿命可达3 a,在阳极消耗50%后,左端盖保护电位仍达-0.50V,可以得到有效保护。

2.4 腐蚀试验结果

通过样机腐蚀试验测试验证Fe-Mn-Cr阳极和ZnAl-Cd阳极在模拟实际服役工况下的腐蚀寿命机保护电位分布。两种阳极材料腐蚀试验后的消耗率见表2。在同样环境下,Fe-Mn-Cr阳极的使用寿命约是Zn-AlCd阳极的2.3倍。试验后,锌阳极表面有部分白色腐蚀产物附着,但腐蚀产物疏松,易脱落;去除腐蚀产物后,阳极表面呈均匀溶解形貌。铁阳极表面有部分红色腐蚀产物附着,腐蚀产物疏松,易脱落;去除腐蚀产物后,表面呈均匀溶解形貌。

采用Fe-Cr-Mn阳极保护B10样机时,内壁保护电位测量数据如图6。极化稳定后B10样机内壁的电偶腐蚀电位处于-500 m V以下,距阳极越近,电位越低。从样机腐蚀试验过程中的阴极电位来看,采用铁合金阳极对海水环境下的铜质设备进行阴极保护是可行的。

采用铁合金保护海水环境下服役的铜质冷却设备具有以下优点:

(1)海水中铜合金的最佳保护电位为-450 m V。铁合金牺牲阳极开路电位(-700±25)m V,与被保护结构间驱动电位合适。用锌合金保护铜及其合金,由于二者间电位差过大(约800 m V),加速阳极消耗,缩短使用寿命,且阴极表面易生成脆质的钙质膜,易导致铜合金的局部斑点腐蚀,铁阳极保护无此缺点。

(2)在同样保护电流密度下,铁阳极比锌阳极消耗少,在海水环境下以相同阴、阳面积比保护铜合金,铁阳极的消耗率比锌阳极小,而且铁阳极相对锌阳极电容量大、密度大,因此铁阳极明显比锌阳极寿命长,可靠性更高。

(3)铁合金阳极除了对铜合金有电化学保护作用外,溶解下来的铁离子还能在铜合金表面上形成富铁保护膜,从而降低阴极保护有效区段内的保护电流输出,减少阳极消耗,延长阳极使用寿命,还能缓解距阳极较远、阴极保护有效区段外的铜合金表面的腐蚀。

3 结论

铁合金阳极与铜合金开路电位差值合理,在提供充分的阴极保护驱动电位的前提下,能够有效降低阳极材料的溶解速率,比锌合金阳极更适合于铜合金的阴极保护。Fe-Mn-Cr合金阳极可以在保证铜合金阴极保护效果的基础上,有效提高自身服役寿命,可靠性优于现役的Zn-Al-Cd合金阳极,具有良好的工程应用价值。

参考文献

[1]柯伟.中国腐蚀调查报告[R].北京:化学工业出版社,2003:45~50.

[2]胡士信.阴极保护工程手册[K].北京:化学工业出版社,1999:65~68.

[3]黄佳典,郭伟,刘波,等.铁合金牺牲阳极在铜及其合金海水管路中的应用[J].中国修船,2002(4):37~38.

[4]王顺,孙虎元,孙立娟.海水、淡水中铁基牺牲阳极的性能研究[J].腐蚀与防护,2008,29(5):281~283.

[5]GB/T 19291-2003,金属和合金的腐蚀腐蚀试验一般原则[S].

[6]GB/T 16166-2013,滨海电厂海水冷却系统牺牲阳极阴极保护[S].

[7]王日义.紫铜在流动海水中的腐蚀与防护[J].材料开发与应用,1994,9(6):24~29.

[8]王洪仁,邓春龙,董飒英,等.高锰铝青铜在流动海水中阴极保护参数的研究[J].海洋科学,2005,29(7):55~58.

牺牲阳极阴极保护技术篇3

阴极保护需要一定的管道条件:其一为电绝缘, 即被保护管段应与非保护管段和场区接地系统电绝缘;其二为电连续性, 即被保护管段全线为电导通状态;其三为接地要求, 即被保护管段的保护和工作接地应采用锌接地极, 并不得对管道阴极保护造成不利影响。

正确选择和计算阳极材料、处理好套管内管段的附加保护和阳极地床是设计工作中的重要环节。

1 阳极材料的选择

阴极保护系统分为强制电流系统和牺牲阳极系统。由于城镇燃气管道主要分布在城镇市域范围内, 该范围内地下管线及构筑物非常拥挤, 为了降低对相邻管线及建筑物的不利影响, 在城镇市域范围内钢制管线的阴极保护多采用牺牲阳极系统。

《燃气工程技术手册》和《管线腐蚀控制》对金属的腐蚀原理都有明确的描述。“金属转化成低能量氧化物的过程称为腐蚀”。金属失去电子被氧化而导致金属损失就是腐蚀, “如在金属和电解质溶液的界面堆积大量的负电荷, 腐蚀过程就会停止”, 采用牺牲阳极阴极保护技术就是利用了这个原理。常见的几种金属在电解液中的标准电极电位由小到大的顺序 (亦即金属在电解液中失去电子的能力由大到小的顺序) 依次是:镁、铝、锌、铁、铜, 因此原理上采用镁、铝、锌任一种材料通过电化学反应对钢铁材料的腐蚀都能起到保护作用, 事实上也确实如此。“但到目前为止, 还没有证据表明铝适合埋设在土壤中使用”, 因此, 埋地钢质管道牺牲阳极保护用的阳极材料主要是镁和锌。

由于金属镁比较活泼, 表面不易极化, 腐蚀产物容易脱落, 电极电位比较负等优异特性, 所以镁成了理想的阳极材料。但纯镁的电流效率不高, 且造价昂贵, 所以镁合金成为了阳极材料的首选。

2 阳极材料的计算

《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008的颁布和实施, 对管道阴极保护的要求就更加具体和明确, 特别是附录A的内容使阴极保护设计的可操作性变得更强。GB/T21448-2008明确了管道阴极保护的最低要求, 即管道阴极保护电位应为-850mV (CSE) 或更负, 极限保护电位不能比-1200mV (CSE) 更负。该规范没有提及CJJ95-2003中3.0.2款提及的管径和压力的要求。GB/T21448-2008对管道外防护层及其对应的保护电流密度的选取没有论述。随着科技的进步, 目前管道外防护层变得单一, 并且多为三层PE。具有三层PE防护层的管道, 其保护电流密度的选取主要依据《石油工业中的腐蚀与防护》中的相关数据:既三层PE防护层面电阻为100000Ω.m2, 相应地保护电流密度应>10μA/m2。设计实践中针对具有三层PE防护层的管道其保护电流密度多取30μA/m2。基于这些基本准则的确立, 加之设计时收集到的管线附近的土壤参数和管线设计专业提供的管道设计施工图, 按照GB/T21448-2008附录A.2给出的公式就可以进行牺牲阳极系统的相关计算, 并最终确定牺牲阳极数量。

GB/T21448-2008附录A.2给出的公式很明确, 但使用起来并不方便。为了方便使用这些公式, 本人在参照相关施工经验、相关阳极材料厂商的技术资料及《管线腐蚀控制》中给出的相关数据的基础上对公式中诸多参数进行了确定, 并针对常用的几种规格镁阳极将A.15&A.16公式进行简化处理:

A.15的简化公式

A.16的简化公式

为使管道得到较好的保护, 牺牲阳极数量确定后, 在牺牲阳极保护半径内使之均匀分布就显得尤为重要。本人认为在城镇市域范围内取牺牲阳极 (组) 间距300m~500m较为合适, 市域外地下管线或构筑物较少的开阔地区取<1000m较为合适。

3 套管内管段的附加保护措施

在阴极保护设计工作中, 经常会遇到管道的局部管段加装套管, 从而需要采取附加措施的情况。GB/T21448-2008中明确指出“不宜使用金属套管”, 但在设计实践中遇到使用钢套管的情况还是时有发生。金属套管存在套管与管线短路的可能, 从而使套管内的管段完全收集不到阴极保护电流, 该管段处在自由腐蚀的状态;即使套管与管线处在绝缘状态, 由于电化学的作用钢套管的内表面也将遭到严重腐蚀。因此应避免使用钢套管。

设计过程中遇到的需要采取附加措施最多的情况是用水泥套管做保护的管段, 具体措施是在套管内的管线段上另外敷设镁或锌材质的阳极带, 并依管径大小以不同角度沿管道外壁缠绕。“当燃气管道外径≤DN200时, 阳极带沿管道外壁等距且与管道轴向成30°角缠绕;当燃气管道外径为DN200~DN350之间时, 沿管道外壁等距且与管道轴向成45°角缠绕;当燃气管道外径≥DN350时, 沿管道外壁等距且与管道轴向成60°角缠绕。”除了缠绕阳极带之外, 另外一种附加措施是在套管内的管线段上安装一定数量的镯式阳极。

4 牺牲阳极地床

为了让阳极在土壤中能可靠的工作, 并能够有效防止土壤对阳极的钝化作用, 牺牲阳极地床专门采用具有特定组分的化学填包料。这种阳极地床能够起到溶解阳极腐蚀产物、维持阳极周围持久湿润、将阳极材料与当地土壤隔离的作用, 为阳极材料提供一个电阻率在1Ω.m左右稳定良好的工作环境, 同时增加阳极输出电流。镁合金牺牲阳极在土壤电阻率>20Ω.m时, 其填包料应按石膏粉75%、膨润土20%、工业硫酸钠5%的质量分数进行配比。填包料应用棉布袋或麻袋进行预包装, 厚度≥50mm, 并保证阳极四周厚度一致、组分均匀、密实。

管道牺牲阳极阴极保护方法除了防腐以外, 亦有排除管道杂散电流、管道防雷及防静电接地等多种功能, 加之这种方法简单易行, 对临近设施不造成干扰等独特优点, 因而该技术必将在我国经济建设的更大领域得到推广和发展, 也必将在产品系列化、标准化方向得到发展。

摘要：在明确了阴极保护的管道条件前提下, 文章简述了埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护基本原理、确定了应采用的阳极材料;给出了规范要求和设计参数、以及镁阳极接地电阻的简化计算公式;明确了不宜使用钢套管及对水泥套管内管道采取的保护措施;给出了阳极地床填包料的组分。

关键词：牺牲阳极,牺牲阳极阴极保护,牺牲阳极地床

参考文献

[1]《燃气工程技术手册》

[2]《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008

[3]《石油工业中的腐蚀与防护》

[4]《管道腐蚀控制》原著[美]A.W.皮博迪

牺牲阳极阴极保护技术篇4

关键词：阴极保护,外加电流,牺牲阳极

在港口码头工程中, 通常采用钢质结构 (钢板桩、钢管桩等) 。但这些钢质结构物在海水介质和海洋环境中遭受着严重的腐蚀, 其平均腐蚀速度达到0.1～0.4mm/年, 严重影响着设计使用寿命较长的港口码头的安全使用。阴极保护是水下区域最有效的防腐手段之一。实践证明, 它可以使这些钢结构的腐蚀速度降至0.02mm/年以下, 使用寿命延长一倍以上。本文针对盘锦港海港区油品码头工程钢管桩具体情况, 从施工、安装和后期维护方面对两种保护方法进行了经济、技术分析。

1 阴极保护技术的一般原理

阴极保护有两个基本类型。一种称为“牺牲阳极”。该工艺是基于钢结构 (阴极) 和牺牲阳极之间存在的自然电位差。牺牲阳极发出保护电流并融解于电解质中;从而使钢结构 (钢管桩) 得到电流而受到保护。

阴极保护的另一种方法是外加电流保护法, 即将惰性阳极与直流电源的正极相连, 将受保护的钢结构 (钢管桩) 与直流电源的负极相连, 保护电流是由电源提供的。辅助阳极可选用耐腐蚀的材料 (如钛金属) 。保护原理如图1所示。

从原理和技术方面考虑, 外加电流和牺牲阳极两种保护方法都是可行的, 均可适用于盘锦港海港区油品码头工程的需要。

2 适用性分析

2.1 输出电流能力

牺牲阳极法依靠牺牲阳极与钢结构之间的自然电位差发出保护电流, 发出的保护电流有限;外加电流法依靠外部电源发出保护电流, 输出电流连续可调, 可满足较大的保护电流密度要求。

外加电流法使用的辅助阳极数量少、重量轻, 保护电流连续可调, 可对钢管桩的保护状态进行监控与调节, 确保保护电位满足要求;牺牲阳极法的输出电流调节能力有限, 在所需保护电流变化较大时 (如海水污染加剧时等情况) , 容易出现保护不足现象。

2.2 施工因素

牺牲阳极法需要安装大量的阳极块, 在施工时须动用浮吊等船机设备, 存在与主体工程交叉作业现象, 阳极与钢管桩之间的短路连接需采用水下CO2局部排水干法焊接工艺, 工作量和施工的难度较高;外加电流保护法使用辅助阳极数量少, 单根阳极质量轻 (仅10kg/个左右) , 阳极和参比电极安装作业可在水上进行。施工的难度较小。

2.3 维护管理

牺牲阳极法安装完毕后, 无法对保护系统状态进行实时监控和调节, 如果想了解系统使用情况, 需要组织现场调查检测。但随着我国质量控制意识的提高和监控技术的发展, 最近投入使用的牺牲阳极保护工程也已经要求安装电位遥测系统, 这样可实时检测保护状态, 但仍无法调节阳极的输出电流。无法根据现场的条件变化实时调整。

牺牲阳极保护法的一个优点就是基本不需要后期管理, 而实际上, 由于码头淤积 (天津港南三、南四钢管桩下层的牺牲阳极被淤泥覆盖, 影响保护电流的发出) , 环境变化和牺牲阳极融解的程度不同, 造成保护效果受到很大影响。因而牺牲阳极保护法并非不需要后期维护。

外加电流法通过无线传输技术, 可在远端监控系统工作, 因而大大减少了维护管理的强度。随着计算机技术以及无线传输技术的发展, 控制设备能够做到自动控制最佳输出电流。并且实现设备小型化。业主只需在办公室中, 通过登陆互联网定期检查系统是否工作正常。出现问题再到现场解决。

2.4 工程成本

根据盘锦油码头实际保护工程量和《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》得出两种阴极保护方法的工程成本为:外加电流阴极保护系统总费用:665.8万元;牺牲阳极阴极保护系统总费用:830.89万元。

从以上两种保护方法的价格比较可以看出, 牺牲阳极法的工程造价高于外加电流法 (相差830.89-665.8=165.09万元) 。牺牲阳极保护法造价高出外加电流阴极保护法24.8%;如果考虑到工程差价的利息, 50年保护总成本如按现行价格分析, 外加电流法更优。

3 其他比较

(1) 电流分布:牺牲阳极因驱动电位小, 输出电流能力较弱, 因而需大量分散安装阳极, 但正因如此, 牺牲阳极保护系统的电流分布比较均匀, 不容易存在局部保护不足现象。而外加电流法因使用的阳极数量少, 必须精心设计, 避免出现局部保护不足现象。

(2) 保护电位:如上所述, 牺牲阳极因驱动电位小, 因而不存在过保护问题;外加电流法需小心调节输出电流, 避免过保护, 在使用期间需注意输出监控。

(3) 对环境的影响及对环境变化的适应性:牺牲阳极在使用过程中会溶解出镉离子, 对海水水质有轻微影响;外加电流系统可能会对邻近钢结构和停靠船舶造成一定程度的干扰腐蚀, 不过, 已采用阴极保护的船舶能自动消除这种不利影响。

(4) 从水质看, 如果将来因水质污染造成微生物腐蚀, 外加电流法可通过调节输出电流来满足保护要求, 如果使用牺牲阳极, 则其保护成本也将大幅度增加。

4 结语

(1) 外加电流和牺牲阳极两种保护方法从技术和工艺方面考虑是可行的, 均可适用于盘锦港海港区油品码头工程钢管桩阴极保护的需要。