阴极过程

阴极过程（共9篇）

阴极过程 篇1

摘要：针对当前电解锰行业中阴极板矫直领域缺乏矫直理论研究以致矫直精度、效率偏低的问题, 文中以电解锰阴极板为例研究了阴极板矫直过程中的理论分析并进行有限元分析, 为实现电解锰阴极板的自动矫直过程提供理论基础。

关键词：电解锰阴极板,矫直,弹塑性形变,有限元

1 引言

工业生产锰的过程中, 电解锰阴极板在电解槽内通电后会因受很大的电解力的作用而发生弹塑性变形, 由于矫直过程中无理论依据, 目前国内矫直反弯量完全由工人凭经验进行估算, 矫直精度很难保证[1], 为实现电解锰阴极板的自动矫直过程, 亟需解决阴极板矫直过程的理论分析研究。

2 电解锰阴极板弹塑性变形理论研究

工业生产中常用0Cr18Ni9不锈钢板作为电解锰的阴极板, 电解过程中电解锰阴极板会因电解力作用而发生弹塑性变形, 电解锰阴极板的变形过程如图1所示。

从图1中可以看出, 如果载荷在B点之前卸去, 阴极板的应力应变曲线会沿着原路径返回;当阴极板的应力超过该点时, 假设已达到图中的D点, 此时阴极板就会发生明显的塑性变形, 当加载辊载荷卸去后, 应力应变曲线不会按原来的路径返回, 而是沿着图中直线DE返回, 很明显图中OE部分为阴极板发生塑性变形的部分, 该过程是不可逆的[2]。

3 电解锰阴极板矫直理论研究及参数的计算

对于电解锰阴极板这种尺寸较小、厚度很薄的零件来说, 无法采用传统的多辊式矫直机进行矫直[3], 采用三点反弯矫直法 (即压力矫直法) 具有结构简单、矫直效率高的特点, 压力矫直原理如图2所示。矫直时将阴极板固定于两支撑辊之间, 加载辊在板子上方进行加载, 使阴极板产生与原始弯曲相反方向的变形, 待加载辊载荷卸去后阴极板发生回弹, 若弹复后阴极板的曲率为零, 则认为矫直成功[4]。

为了能够准确地对电解锰阴极板进行矫直, 必须确定矫直中各参数之间的运算关系, 并给出矫直辊距、矫直加载速度、载荷保持时间的具体数值。此外, 考虑到矫直设备的矫直能力和阴极板的应力极限等因素, 还需计算出矫直弯曲力矩, 由此确定矫直过程的极限载荷。工程实践中研究塑性弯曲通常不考虑材料切应力的影响, 故该类矫直可以看作是纯弯曲。根据平面假设可以确定弹塑形弯曲时应力沿阴极板厚度方向的变化, 其效果如图3所示。

由此可得塑性的弯曲力矩为

带入相关数据整理

其中, Z0-开始塑性变形的金属层距中性层的距离;σs-屈服强度;F-钢材的断面面积;η-强化系数, 即强化模量E1与弹性模量E的比值, η=E1/E;Z-金属层的坐标;h-钢材的厚度。

令阴极板的宽度为b, d F=bdz, 代入上式积分并简化可得

其中, k0-表示塑性变形的深度系数

式 (3) 为电解锰阴极板塑性弯曲力矩的计算公式, 该式是推导矫直弹复曲率与弹复挠度之间运算关系的基础。

4 电解锰阴极板矫直过程有限元分析

经典的隐式有限元法相对于显式动力学模块来讲提供的接触单元较少, 对瞬态的非线性塑性变形进行仿真时可能产生结果不收敛的情况。采用显式动力学模块进行仿真时, 该模块提供了丰富的接触单元和算法, 对于这类非线性问题的求解十分有效, 此外显式动力学仿真在计算时占用计算机资源很小, 求解速度快而且不会出现不收敛的问题, 因此本文采用显式动力学模块进行仿真, 该仿真过程不仅需要模拟加载辊对阴极板加载使其产生反方向塑性变形的过程, 还要对卸载后的阴极板在回弹变化阶段进行仿真。

本文采用ANSYS软件进行有限元仿真分析, 阴极板模型选择shell163单元来划分网格, 采用BelytschkoWong-Chiang算法迭代计算, 该单元实常数设置为:计算积分点数为5, 剪切因子为5/6, 壳的厚度为0.0013。对于矫直辊模型选择SOLID164体单元进行划分, 无实常数。阴极板材料模型选择双线性各向同性曲线, 矫直辊设置为刚性材料, 约束的准则是只留有加载方向和绕矫直辊自身轴线旋转方向的自由度, 仿真所用材料的相关数据如表1所示。

仿真模型通过Solidworks软件建立并通过和ANSYS之间的接口导入ANSYS软件, 对于矫直辊采用扫略网格的划分方式, 阴极板采用映射网格的划分方法, 反弯矫直仿真计算中接触类型选择了surface to surface、automatic (面对面自动搜索) 的接触方式, 仿真模型如图4所示, 加载过程模拟模型如图5所示, 本文分别以矫直辊距、加载辊的运行速度和载荷的保持时间为影响因素, 对弯曲的阴极板进行仿真分析。

5 电解锰阴极板有限元仿真结果及分析

为研究矫直辊距、加载辊的运行速度和载荷的保持时间等因素对电解锰阴极板矫直效果的影响, 分别调整矫直辊之间的间距分别为90mm、100mm和110mm, 调整加载辊运行速度为8.3mm/s、10mm/s、11.7mm/s, 载荷保持时间分别为1.5s、2s、2.5s, 分析阴极板矫直后的效果及阴极板的米泽斯应力分布, 分别如图6、图7、图8所示。

由图6仿真结果可以看出, 在其他参数相同的条件下, 辊距为110mm时具有较好的矫直效果, 阴极板的矫直效果也相对较好。此外, 从阴极板的残余应力方面看, 采用辊距110mm进行矫直时, 其残余应力区域和数值均为三种辊距中最小, 这对电解锰阴极板的重复利用和矫直都是十分重要的, 因此矫直辊距选择110mm。

从图7中可以看出当辊子间距均为110mm时, 若加载速度较慢时, 由于阴极板材料性质的原因导致阴极板塑性变形区域较小, 产生局部弯曲效应, 致使无法正常继续对该阴极板进行矫直, 同时造成矫直次数的增加和矫直效率的降低;当加载速度大于10mm/s之后矫直效果都能够达到预计的精度要求, 从阴极板的残余应力来看, 加载速度慢时局部残余应力会很大, 严重影响阴极板的使用寿命, 因此, 在其它矫直参数相同的条件下, 矫直加载速度为11.7mm/s左右时效果较好。

从图8可以看出, 在其它因素相同的条件下, 载荷保持时间为2~2.5s时仿真结果较好。这是因为金属的塑性变形与载荷的加载历史有关, 过快载荷加载速度和较小载荷保持时间都会使塑性变形效果达不到预计要求, 仿真确定载荷保持时间在2.5s左右时为理想参数。

6 结论

本文通过对电解锰阴极板弹塑性变形机理的研究, 分析了阴极板在矫直过程中弯矩与原始曲率、弹复曲率之间的关系, 利用ANSYS有限元软件对阴极板反弯矫直以及回弹过程进行了模拟, 通过分析确定合理矫直参数, 为实现电解锰阴极板的自动矫直过程提供理论基础。

参考文献

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[4]连家创.矫直理论与卷取理论[M].北京:机械工业出版社, 2010:13-18.

阴极过程 篇2

一、金属的阴极保护

1金属的腐蚀

金属有许多优良的性质，例如导电性、导热性、强度、韧性、可塑性、耐磨性、可铸造性等。金属材料至今依然是最重要的结构材料，广泛应用于生产、生活和科技工作的各个方面。金属制品在生产和使用的过程中，受到各种损坏，例如，机械磨损、生物性破坏、腐蚀等。 1.1、金属腐蚀的定义

金属的腐蚀是金属在环境的作用下所引起的破坏或变质。金属的腐蚀还有其他的表述。所谓环境是指和金属接触的物质。例如自然存在的大气、海水、淡水、土壤等，以及生产生活用的原材料和产品。由于这些物质和金属发生化学作用或电化学作用引起金属的腐蚀，在许多功能情况下还同时存在机械力、射线、电流、生物等的作用。金属发生腐蚀的部分，由单质变成化合物，至使生锈、开裂、穿孔、变脆等。因此，在绝大多数的情况下，金属腐蚀的过程是冶金的逆过程。 1.2、金属腐蚀的分类 有多种分类方法。

(1)按腐蚀过程的分，主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中没有电流产生。例如金属在高温的空气中或氯气中的腐蚀，非电解质对金属的腐蚀等。引起金属化学腐蚀的介质不能导电。电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过程中有电流产生。引起电化学腐蚀的介质都能导电。例如，金属在酸、碱、盐、土壤、海水等介质中的腐蚀。电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别在于它可以分解为两个相互独立而又同时进行的阴极过程和阳极过程，而化学腐蚀没有这个特点。电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍。

(2)按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区的分布，分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀，是指腐蚀分布于整个金属的表面。全面腐蚀有各处的腐蚀程度相同的均匀腐蚀;也有不同腐蚀区腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。在用酸洗液清洗钢铁、铝设备时发生的腐蚀一般属于均匀腐蚀。而腐蚀主要集中在金属表面的某些区域称为局部腐蚀。尽管此种腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部腐蚀速度很大，可造成设备的严重破坏，甚至爆炸，因此，其危害更大。金属在不同的环境条件下可以发生不同的局部腐蚀。例如孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀等。还有按腐蚀的环境条件把腐蚀分为高温腐蚀和常温腐蚀;干腐蚀和湿腐蚀等 1.3腐蚀控制措施?

多年的实践证明，最为经济有效的腐蚀控制措施主要是覆盖层(涂层)加阴极保护。与国外相比，我国75%的防蚀费用用在涂装上，而电化学保护使用的相对较低。 5)施加涂层后，为什么还会腐蚀? 涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在;二是在施工、和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。

2阴极保护基本原理 2.1、腐蚀电位或自然电位

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位(自然电位)。腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子(如， 铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤)受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。

相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE), 不同金属的在土壤中的腐蚀电位 (V)

在同一电解质中，不同的金属具有不同的腐蚀电位 ，如轮船船体是钢,推进器是青铜制成的,铜的电位比钢高,所以电子从船体流向青铜推进器，船体受到腐蚀，青铜器得到保护。钢管的本体金属和焊缝金属由于成分不一样, 两者的腐蚀电位差有时可达0.275V,埋入地下后，电位低的部位遭受腐蚀。新旧管道连接后，由于新管道腐蚀电位低，旧管道电位高，电子从新管道流向旧管道，新管道首先腐蚀。同一种金属接触不同的电解质溶液(如土壤),或电解质的浓度、温度、气体压力、流速等条件不同，也会造成金属表面各点电位的不同。 2.2、参比电极

为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。饱和硫酸铜参比电极电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性,构造简单,在阴极保护领域中得到广泛采用。不同参比电极之间的电位比较：

土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位(V)

2.3、阴极保护

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即,牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接,并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的，相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型(电流一般小于1安培)或处于低土壤电阻率环境下(土壤电阻率小于100欧姆.米)的金属结构。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用

寿命一般不会超过3年，最多5 年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。本人认为，产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属,使被保护金属结构电位低于周围环境,。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。 3 阴极保护主要参数 3.1.自然电位

自然电位是金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的对地电位。自然电位随着金属结构的材质、表面状况和土质状况,含水量等因素不同而异, 一般有涂层埋地管道的自然电位在-0.4～0.7 V CSE 之间,在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般取平均值 -0.55V。 3.2.最小保护电位

金属达到完全保护所需要的最低电位值。一般认为，金属在电解质溶液中，极化电位达到阳极区的开路电位时，就达到了完全保护。对于铜饱和硫酸铜参比电极来说，最小保护电位为-0.85伏;相对于稿纯锌参比电极来说，最小保护电位应该是-250毫伏。 3.3.最大保护电位

如前所述，保护电位不是愈低愈好,是有限度的,过低的保护电位会造成管道防腐层漏点处大量析出氢气, 造成涂层与管道脱离， 即，阴极剥离,不仅使防腐层失效,而且电能大量消耗,还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂,所以必须将电位控制在比析氢电位稍高的电位值, 此电位称为最大保护电位,超过最大保护电位时称为“过保护”。 3.4.最小保护电流密度

使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要的保护电流密度,称作最小保护电流密度,其常用单位为mA/m 2表示。处于土壤中的裸露金属，最小保护电流密度一般取10mA/m2。 3.5.瞬时断电电位

在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2 ～ 0.5秒中之内读取得结构对地电位。由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构，所以，所测电位为结构的实际极化电位，不含IR降(介质中的电压降)。由于在断开被保护结构阴极保护系统时，结构对地电位受电感影响，会有一个正向脉冲，所以，应选取0.2 ～0.5 秒之内的电位读数。 4 阴极保护准则

为了便于实际应用，通过多年的实践与研究，得出了以下几个判断结构是否得到充分保护得判断准则。

NACE RP 0169 建议“在通电的情况下,埋地钢铁结构最小保护电位为-0.85V CSE或更负, 在有硫酸盐还原菌存在的情况下，最小保护电位为-0.95V CSE，该电位不含土壤中电压降(IR降)”。实际测量时，应根据瞬时断电电位进行判断。目前流行的通电电位测量方法简便易行，但对测量中IR降的含量没有给予足够重视。其后果是很多认为阴极保护良好的管道发生腐蚀穿孔。这方面的教训是很多的。如：某气田南干线，认为阴极保护良好，但实际内检测发现腐蚀深度在壁厚的10-19% 的点多达410处; 个别位置的点蚀深度达到50%。 进行断电电位测量发现，很多点保护电位(断电电位)没有达到-0.85V CSE。有效的方法是实际测量几点的IR降，保护电位按0.85 + IR 降来确定。IR 降可以通过通电电位减去瞬时断电电位来获得，也可以用瞬时通电电位减去结构自然电位来获得。

瞬时断电电位与自然电位电位之差不得小于100mV。在有些情况下，在断开电源0.2-0.5秒内测量断电电位，待结构去极化后(24 或48 小时后)再测量结构电位(自然电位)，其差值应不小于 100mV。也可以用通电电位(极化后)减去瞬时通电电位来计算极化电位。

最大保护电位的限制应根据覆盖层及环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准,一般瞬时断电电位不得低于-1.10V CSE。由于受旧规范的影响，很多人还认

为阴极保护最大电位不能低于-1.5V CSE。事实上这种观念使错误的，造成的危害也是巨大的。判断阴极保护电位是否过大应以断电电位为判断基础，只要断电电位不低于-1.1V CSE(西欧为-1.15V CSE)，通电电位再大也没有关系。 5 牺牲阳极阴极保护阳极材料

5.1镁牺牲阳极，根据形状以及电极电位的不同，镁阳极可用于电阻率在 20欧姆.米到 100欧姆.米的土壤或淡水环境。高电位镁阳极的电位为 1.75V CSE; 低电位镁阳极的电位为1.55V CSE。

镁阳极阳极规格

镁阳极化学成分

镁阳极电化学性能

5.2锌牺牲阳极

锌牺牲阳极多用于土壤电阻率小于15 欧姆.米的土壤环境或海水环境。电极电位为1.1V CSE。温度高于40 ° C 时，锌阳极的驱动电位下降，并发生晶间腐蚀。高于60 ° C 时，它与钢铁的极性发生逆转，变成阴极受到保护，而钢铁变成阳极受到腐蚀。所以，锌阳极仅能用于温度低于40 ° C的环境。

化学成分

电化学性能

5.3铝牺牲阳极 1)、特点： (1).导电性能好 (2).耐腐蚀，寿命长

(3).极化小，溶解均匀，产物易脱落 (4).腐蚀产物不污染环境，无公害 (5).容易加工，大小长短随意，便于安装

(6).自腐蚀效率小且均匀，具有高而稳定的电流效率 2)、可以用于防腐市的情况

3)铝合金的组成

铝合金阳极生产执行GB4948-《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》

最常用的铝合金阳极有Al-Zn-In系和Al-Zn-Hg系阳及Al-Zn-In―Mg―Ti，适用于石油、天然气埋地管线、海水中的船舶、港工与海洋设施、海水冷却水系统和储罐沉积水部位等构筑物的阴极保护。 化学元素 化学成分，%

种类 Zn In Cd Sn Mg Sl Fe Cu Al

铝-锌-铟-镉 2.5∽ 4.5 0.018∽0.050 0.005∽0.02 / / ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量 铝-锌-铟-锡 2.2∽ 5.2 0.020∽0.045 / 0.018∽0.035 / ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量 铝-锌-铟-硅 5.5∽ 7.0 0.025∽0.035 / / / 0.10∽ 0.15 ≤0.16 ≤0.02 余量

铝-锌-铟-锡-镁 2.5∽ 4.0 0.020∽0.050 / 0.025∽0.075 0.50∽ 1.0 ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量

铝-锌-铟-镁-钛4.0~7.0 0.02~0.050 0.5-1.50 0.01~0.08 0.10 0.15 0.01 4 )电化学性能%

5.4带状阳极 为了减小阳极接地电阻，有时会采用带状镁阳极或锌阳极。 阳极带沿被保护结构铺设，使电流分布更加均匀。当阳极带沿管道铺设时，每隔一段距离就应该与管道连接一次。间距不应太大，因为随着阳极的消耗，截面积不断减小，阳极带电阻会逐步增大。为了减少沿阳极带的电压降，连接间隔一般不大于305米。如果将带状阳极直接埋到土壤或回填砂中，阳极可能会发生自身腐蚀，使用寿命缩短。带状阳极的一般规格为19x9.5mmx305m 每卷。

5.5回填料

当使用填料时，阳极的电流输出效率提高。如果将阳极直接埋入土攘，

由于土壤的成分不均匀，会造成阳极自身腐蚀，从而降低阳极效率。采用填料，一是保持水分，降低阳极的接地电阻，二是使阳极表面均匀腐蚀，提高阳极利用效率

5.6 阳极驱动电位

假设被保护结构的极化电位为 -1.0V，

则驱动电压 D V = V + 1.0。

V = 阳极电位：

高电位镁阳极-1.75V, 低电位镁阳极

-1.55V; 锌阳极电位-1.10V。

5.7牺牲阳极的安装与维护

与外加电流阴极保护相比，牺牲阳极的安装比较简单。当一个位置有几支阳极时，阳极要直线排列以降低电阻。阳极可以与管道垂直，也可以与管道平行。为了减小阳极场的影响，当阳极与管道平行时，镁阳极与管道的距离最小为5米; 锌阳极与管道的最小距离为1.5米(空间允许时，间距最好3米)。如果管道带空间受到限制，也可以将阳极埋设在较深的部位以满足与管道间距的要

求。牺牲阳极阴极保护系统的维护很简单，经常检查阳极的输出电流，阳极消耗尽后，及时更换。

6 外加电流阴极保护用阳极材料

外加电流阴极保护是防止地下金属结构如管道、储罐、等腐蚀的有效方法.辅助阳极是外加电流系统中的重要组成部分，其作用是将保护电流经过介质传递到被保护结构物表面上.

6.1对阳极的性能要求

地下结构物外加电流阴极保护用阳极通常并不直接埋在土壤中，而是在阳极周围填充碳质回填料而构成阳极地床。碳质回填料通常包括冶金焦碳、石油焦碳和石墨颗粒等。回填料的作用是降低阳极地床的接地电阻，延长阳极的使用寿命。

针对阳极的工作环境，结合实际工程的要求，理想的埋地用辅助阳极应当具有如下性能：

(1)良好的导电性能，工作电流密度大，极化小;

(2)在苛刻的环境中，有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低，寿命长;

(3)机械性能好，不易损坏，便于加工制造，运输和安装;

(4)综合保护费用低.

6.2各类阳极的性能特点

6.2.1废钢铁阳极

废钢铁是早期外加电流阴极保护常用阳极材料，其来源广泛，价格低廉.由于是溶解性阳极，表面很少析出气体，因而地床中不存在气阻问题.其缺点是消耗速率大，在土壤中为8.4 kg/A.a，使用寿命较短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。

6.2.2石墨阳极

石墨是由碳素在高温加热后形成的晶体材料，通常用石蜡、亚麻油或树脂进行浸渍处理，以减少电解质的渗入，增加机械强度.经浸渍处理后，石墨阳极的消耗率将明显减小。石墨阳极在地床中的允许电流密度为5～10 A/m2

石墨阳极价格较低，并易于加工，但软而脆，不适于易产生冲刷和冲击作用的环境，在运输和安装时易损坏，随着新的阳极材料出现，其在地床中的应用逐渐减少。

6.2.3高硅铸铁阳极

高硅铸铁几乎可适用于各种环境介质如海水、淡水、咸水、土壤中。当阳极电流通过时，在其表面会发生氧化，形成一层薄的SiO2多孔保护膜，极耐酸，可阻止基体材料的腐蚀，降低阳极的溶解速率.但该膜不耐碱和卤素离子的作用.当土壤或水中氯离子含量大于200×10-4 %时，须采用加4.0 %～4.5 % Cr的含铬高硅铸铁.高硅铸铁阳极在干燥和含有较高硫酸盐的环境中性能不佳，因为表面的保护膜不易形成或易受到损坏。

高硅铸铁阳极具有良好的导电性能，高硅铸铁阳极的允许电流密度为5～80 A/m2，消耗率小于0.5 kg/A.a。除用于焦碳地床中以外，高硅铸铁阳极有时也可直接埋在低电阻率土壤中.

高硅铸铁硬度很高，耐磨蚀和冲刷作用，但不易机械加工，只能铸造成型，另外脆性大，搬运和安装时易损坏.为提高阳极利用率，减少“尖端效应”，可采用中间连接的圆筒形阳极.

6.2.4铂阳极

铂阳极是在钛、铌、钽等阀金属基体上被覆一薄层铂而构成的复合阳极.铂层复合的方法很多，如水溶液电镀、熔盐镀、离子镀、点焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或轧制、热分解沉积等.铂阳极的特点是工作电流密度大，消耗速率小、重量轻，已在海水、淡水阴极保护中得到广泛使用。

钛和铌是应用最多的阳极基体，钽用得较少，这是因为其价格高，而铌和钛通常又能满足使用性能要求.在含有氯离子介质中，钛的击穿电位为12～14 V，而铌的击穿电位为40～50 V。因此在地下水中含有较高氯离子的深井地床中采用铂铌阳极更为可靠。

由于铂阳极价格较昂贵，不可能大面积采用;在地床中消耗速率大;而且地床接地电阻随时间延长逐渐增大，所以铂阳极在地床中远不如高硅铸铁和石墨阳极用得广泛，并且有人不推荐在地床中使用铂阳极。

6.2.5聚合物阳极

聚合物阳极是在铜芯上包覆导电聚合物而构成的连续性阳极，也称柔性阳极或缆形阳极.铜芯起导电的作用，而导电聚合物则参与电化学反应.由于铜芯具有优良的电导性，因此可以在数千米长的阳极上设一汇流点，聚合物阳极在土壤中

使用时，需在其周围填充焦碳粉末而构成阳极地床，其在地床中最大允许工作电流为82 mA/m，尽管与其它阳极相比，其工作电流密度很低，但由于可靠近被保护结构物铺设连续地床，因此可提供均匀、有效的保护.

聚合物阳极安装简便，特别适于裸管或涂层严重破坏的管道、受屏蔽的复杂管网区的保护以及高电阻率的土壤中。但应注意不能过度弯曲。

6.2.6混合金属氧化物阳极

混合金属氧化物阳极是在钛基体上被覆一层具有电催化活性的混合金属氧化物而构成，最早应用于氯碱工业，后推广应用于其它工业，包括阴极保护领域。由于采用钛为基体，因而易于加工成各种所需的形状，并且重量轻，这为搬运和安装带来了方便.由于电极表面为高催化活性的氧化物层所覆盖，在表面的一些缺陷处露出的钛基体的电位通常不会超过2伏，因此钛基体不会产生表面钝化膜击穿破坏(在土壤中使用时，外加电压一般控制在60伏以下)。混合金属氧化物阳极还具有极优异的物理、化学和电化学性能.其涂层的电阻率为10-7 Ω.m，极耐酸性环境的作用，极化小并且消耗率极低.通过调整氧化物层的成份，可以使其适于不同的环境，如海水、淡水、土壤中.

混合金属氧化物阳极在地床中于100 A/m2，工作电流密度下使用寿命可达，其消耗速率约2 mg/A.a,由于混合金属氧化物阳极具有其它阳极所不具备的优点，它已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料.

6.3 辅助阳极的选择及计算

辅助阳极又称阳极接地装置,阳极地床。它是强制电流阴极保护中不可缺少的重要组成部分, 通过辅助阳极把保护电流送入土壤,经土壤流入被保护的管道,使管道表面进行阴极极化 (防止电化学腐蚀)电流再由管道流入电源负极形成一个回路,这一回路形成了一个电解池,管道为负极处于还原环境中，防止腐蚀,而辅助阳极进行氧化反应,遭受腐蚀,也可能是周围电解质被氧化。

阴保站的电能60%消耗在阳极接地电阻上, 故阳极材料的选择和埋设方式,场所的选择,对减小电阻节约电能是至关重要的。阳极材料必须有良好的导电性能,在与土壤或地下水接触时有稳定的接地电阻,即使在高电流密度下, 其表面的极化较小;化学稳定性好,在恶劣环境中腐蚀率小;有一定的机械强度并便于加工和安装;价格低来源方便。

6.3.1.辅助阳极埋设位置的选择

辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀, 但过远会增加引线上的电压降和投资。从实测数据来看辅助阳极距汇流点200米以内时,对电流分布影响较大,远于300米后影响就不大了。故在长输管道的干线上阳极一般设在距管道300～500米之间为宜。管道较短或油气管道较密集的地区, 采用50～300米之间是合适的。花格线设计是450m,对于土壤电阻率很大的地区是否过远, 是值得研究的问题。因此对处于特殊地形、环境的管道,辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况慎重选定。在阴保站址选定的同时, 应在予选站址与管道的一侧选择阳极安装的位置,其原则是:

(1) 地下水位较高或潮湿低洼处;

(2)土层厚,无块石,便于施工;

(3)土壤电阻率一般应小于50欧姆米,特殊地区也应小于100欧姆米

(4)对邻近的地下金属构筑物干扰小,阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道。

(5)考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现的搬迁.

(6)阳极地床位置与管道汇流点距离适当

(7)地面金属构筑物较多,用地狭窄时,可采用深井阳极,以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。

阳极接地电阻约占直流回路电阻60%左右, 大部分能量损失是由它造成的,因此合理选择阳极地床位置,降低接地电阻是十分重要的工作。

6.3.2辅助阳极的结构

1. 浅埋式地床结构

将电极埋入距地表1～5米的土层中, 这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于钢铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。

(1)立式阳极

由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成。电极间用电缆联接。其优点有: a.全年接地电阻变化不大;

b. 当阳极尺寸相同时,立式地床的接地电阻较水平式小。

(2)水平式阳极

将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中,其优点有:

a.安装土石方量较小,易于施工;

b.容易检查地床各部分的工作情况。

(3)联合式阳极

指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成.

6.4.深埋式阳极(深井式)

当阳极地床周围存在干扰、 屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时, 使用深埋式阳 极,可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。 深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(20～40米)、中深井(50～100米)和深井(>100米)三种。

深埋式阳极地床的特点是接地电阻小, 对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其是深度超过100米的深阳极,施工需要大钻机，这就限制了它的应用。

6.5.阳极地床填料的应用

石墨阳极无论采用浅埋或深埋都必须添加回填料。 高硅铁阳极一般需要添加回填料,但在特殊地质可能不使用回填料,如沼泽、流砂层地区等。

(1)阳极地床填料的功能

1)增大阳极与土壤的接触,从而降低地床接地电阻;

2)将阳极电极反应转移到填料与土壤之间进行,延长阳极的使用寿命;

3)填料可以消除气体堵塞。

(2)对填料的要求

1)填料颗粒必须是导电体,以保证阳极与土壤之间良好的导电性。

2)填料应成本低,来源广,具有较连续的接触表面。

常用的回填料是焦炭粒,也可采用石墨加上石灰充填,以保持阳极周围呈碱性。通常用的焦炭粒性能规格见下表。

阳极地床回填用焦炭粒性能规格 表.1

确保阳极与回填料良好的电接触, 填料必须在阳极周围夯实。否则会使一部分电流从阳极直接流向土壤而缩短阳极使用寿命。在粘土地区,若阳极地床通过电流太大,可采用电极带孔的硬塑料管,由填料层直接通地面, 及时地将阳极周围产生的气体排出地面。对于较干燥地区可向地床注水降低接地电阻。

(3)回填料的重量

可用下述简单方法估计填料的容积: 阳极地床孔径为阳极直径的三倍。且在电极上下各填300毫米填料。 对粒径为15mm,比重为0.6吨/米3的焦炭粒来说, 每支ф100×1500阳极的参考用量为200公斤。

6.6阳极数量与接地电阻

阳极数量与接地电阻成反比关系。在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻的作用。 但是由于阳极间的屏蔽效应,往往增加较多支的阳极, 而降低电阻却很少。所以对于阳极数量的选择是一个经济效益问题。在确定阳极数量时需要考虑主要因素为:

1). 要使阳极输出的电流在阳极材料允许的电流额度内,以保证阳极地床的使用寿命。

2).在经济合理的前提下,阳极接地电阻应尽量做到最小,以降低电能耗量。 即对接地电阻规定一个合适的数值。目前接地电阻一般不大于1欧左右,在特殊地区可根据现场情况选定。

6.7阴极保护中的几个屏蔽问题

当管道周围有绝缘层或金属结构存在时, 会影响阴极保护电流的流动, 使管道得不到有效的阴极保护. 即: 电流屏蔽. 目前, 国内采用”管中管”进行防腐保温的长输管道都不同程度的发生了腐蚀事故. 某些套管内的输油管和固定墩内的管道也存在较为严重的腐蚀, 这种状况除了与施工质量控制不严有关外, 阴极保护电流的屏蔽也是一个重要原因.本文就绝缘层, 套管, 混凝土固定墩,区域阴极保护, 以及罐底板阴极保护时的屏蔽问题进行了分析, 以引起管道及储罐设计, 施工, 管理人员的重视.

金属结构对管道的屏蔽

1).管道穿越公路, 铁路,以及河流时套管的屏蔽

在管道穿越公路, 铁路,以及河流时, , 经常需要将输油管放在金属套管中. 以对管道进行附加保护, 并认为, 套管与输送管充分绝缘. 而笔者认为, 采用套管时, 将有以下情况发生:

(1). 输送管与套管完全绝缘, 套管与输送管的环型空间内没有电解液存在. 在这种情况下, 阴极保护电流被完全屏蔽, 但输送管仅受大气腐蚀.

(2). 输送管与套管之间没有电气连接, 但套管内有电解液或泥土, 此时, 阴极保护电流从土壤中经过套管到达输送管, 在这种情况下, 输送管以及套管的外壁会得到阴极保护, 而套管的内壁因为排放电流而加快腐蚀.

(3).套管与输送管短路, 一旦套管与输送管发生短路, 阴极保护电流沿套管通过接触点返回到输送管, 此时, 如果套管与输送管之间有电解液, 输送管将发生严重腐蚀, 即使没有电解液, 如果套管防腐层较差, 也会泄漏大量电流, 使套管附近的一段管道得不到充分保护.

因此, 在设计中, 应该尽量避免采用套管, 而靠提高输送管的壁厚来提高强度. 在必须使用套管的情况下, 应采取必要的密封措施, 防止电解液进入, 并保证套管与输送管的绝缘.

2). 固定墩钢筋的屏蔽

当固定墩内的钢筋与输送管发生意外接触时, 其影响相当于一个短路的套管. 阴极保护电流通过钢筋并通过接触点返回管道. 尽管钢筋之间存在间隙, 但密布的钢筋仍能阻断大部分阴极保护电流, 使固定敦内的管道得不到充分保护. 因此, 在设计中应减小钢筋与套管短路的可能性. 在施工中也要经常检测钢筋与输送管的电阻.

3)绝缘体对管道的屏蔽

“管中管”防腐保温结构的屏蔽问题.

当管道周围有绝缘体存在, 而且绝缘体与管道间有电解液存在时. 由于阴极保护电流无法通过绝缘体到达管道表面, 管道得不到阴极保护. 有人认为, 阴极保护电流可以通过绝缘体与管道之间的空隙到达管道表面, 事实是如果该空隙之间充满电解液, 电阻率很小, 这种看法是正确的. 通过对”管中管”的腐蚀情况进行调查发现, 如果防水层破坏, 水分进入保温层, 如果水分充足, 管道会得到阴极保护, 一般不会发生腐蚀. 如长期处于水下的管道. 如果仅有少量的水分进入管道, 则在漏点两侧(2-3倍间隙的距离以外)一般会发生较严重的腐蚀.

另外, 如果管道附近有其他绝缘体或岩石存在, 也会影响电流的流动, 对管道的保护电流起到屏蔽作用. 因此, 当管道通过岩石地带时, 应采取措施, 如: 采用柔性阳极或带状阳极, 保证阴极保护电流顺利的到达管道表面..

4)区域性阴极保护时, 土壤的屏蔽

对于位于开阔地带的管道, 土壤不会对阴极保护电流产生屏蔽. 但对于站内的管网和管群, 可能会有这种屏蔽问题. 如图 2所示, 由于管道密度较大, 尤其当管道防腐层不好时, 电流的泄漏会使其附近区域的土壤电位随之降低. 此时, 如果参比电极距管道较远, 所测电位并不能说明测点处管道的保护状况. 因此, 管道较密时, 参比电极应尽量靠近测点.

在对罐底板.进行阴极保护时, 也会产生上述问题 如果阳极布置在罐的周围, 则大部分电流沿罐底板周遍进入罐底, 使罐中心得不到充分保护. .罐直径大时, 这种情况更为突出..由于土壤条件的复杂多变, 很难根据罐周围的电位估计出罐中心的保护电位.

可靠的方法是采用混合金属氧化物网状阳极系统，或柔性阳极系统，将参比电极布置在罐底板中心处. 实际测量其保护电位.

二、 罐内阴极保护

原油储罐和部分粗汽油罐内底板由于很强的电化学腐蚀，普通的涂料防腐或喷金属都不能达到长效防腐的效果，因此只有牺牲阳极的阴极保护和绝缘性防腐蚀推荐牺牲阳极的阴极保护。对牺牲阳极种类的选择，考虑到温度的影响不宜选涂料相结合的保护措施方能达到很好的长效防腐蚀效果。就牺牲阳极来说，考虑到安全因素不宜选用镁阳极，由于锌阳极在一定温度下会发生极性逆转，因此选用铝(Al)基合金阳极，该阳极使用寿命长，适宜在含氯离子的电解质中使用。当在罐内采用此方案时，内底板绝对不能使用导静电涂料。因为导静电涂料与牺牲阳极并用会加速阳极溶解，失去应有的阴极保护作用，这一点应特别注意。 目前，牺牲阳极有焊接型和螺栓固定型。最好采用焊接型，因为焊接型经长期使用，电连接牢靠，可以充分发挥阳极效能;螺栓固定型在检修时可达到不动火更换，安装比较方便。

外底板土壤侧的阴极保护(指牺牲阳极法)可选用锌(Zn)基合金牺牲阳极。该阳极自溶性小，电流效率高，表面溶解均匀。当阳极在温度大于50℃的条件

下工作时，会产生晶间腐蚀、极性逆转等问题，因而不适宜在原油罐内使用，而在土壤中则性能良好。

1 油罐内部阴极保护设计、施工及安装

1.1 阴极保护设计对象(以3万立方米原油罐为例)

3万米3原油储罐 直径d=46米

1.2 设计依据

GB50393-《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》

1.3 阴极保护内容选择

A应选用长寿命专用牺牲阳极，对油罐的特定环境可达到良好保护，寿命达20年以上。

b、根据油罐腐蚀特点，可使腐蚀严重部位得到重点保护。

c、一次应用后，不需专人管理，安装维护简单方便。

d、不需外接电源，对罐区的安全可得到充分保证。

1.4设计参数

a、保护方式：牺牲阳极法

b、设计寿命 20～40年

c、电流密度：10mA/m2

d、罐外土壤电阻率：0 ohm・cm

e、设计温度(罐内)：15～50℃

(罐外) ：常温

f、阳极设计型式：罐内：均匀分布

4.2.1 设计步骤

(1) 计算阴极保护面积：罐内为浸水面积;罐外为与土壤接触面积;

?2DD??DH??D(?H)???????????(1)44

?2D???????????????????????(2)4S内?S外?

(2)查询有关标准确定保护电流密度，计算出阴极保护所需总电流;

I总?S?J??????????????????????????(3)

(2) 确定保护年限，计算所需阳极总重量;

W总?I总?8760?F?????????????????????(4)V

(3) 根据每块阳极重量，确定阳极总数量。

M?W总

W单?????????????????????????(5)

公式中：

S内：油罐内部阴极保护面积;m2

S外：油罐外部阴极保护面积;m2

H：油罐内部浸水高度;m

D：油罐直径;m

I总：阴极保护所需总电流;A

J：电流密度;ma/m2

W总：牺牲阳极总重量;kg

W单：牺牲阳极单块重量;kg

V：牺牲阳极理论发生电流量;A・h/kg

F：保护年限;年

M：阳极数量;块

油罐内部防腐施工程序

? 清罐除锈，使罐体金属表面出现光泽，并按要求达到涂料施工标准。 ? 将牺牲阳极块焊在罐底及壁板上并保证焊接牢固，焊后将周围焊渣清除干净。

? 进行涂敷施工。内底板及1m以下壁板采用绝缘型油罐专用防腐涂料，其它部位采用导静电涂料。施工中阳极块只要求暴露本体，焊接引线、焊点及阳极块下部罐底板均涂刷涂料。

1.4 检测方法

本文阐述的.检测方法，其内容只包括涂料的导静电性能和阴性保护要求的保护电位，而对涂料的其他性能检测应根据常规进行。

? 导静电涂料施工后，可采用现场专用的导静电涂料性能检测仪进行表面电阻的测定，其表面电阻值应小于109Ω，否则导静电性能为不合格。

? 内底板阴极保护的电位检测，可采用高阻毫伏计和铜/硫酸铜参比电极，使参比电极尽可能靠近被测设备本体。保护电位在-0.85～-1.0V为宜(相对铜/硫酸铜电极)。对储罐内部阴极保护电位的检测，由于不能象外部那样直接测试，所以可以从罐顶人孔通过长导线，将参比电极及其平衡重物放在内底板上，从而进行检测，实践证明这一方法也是可行的。

设计计算

内底板实际计算(以3万立方米原油罐为例)：

a、计算阴极保护面积：罐内为浸水面积;罐外为与土壤接触部分

S内??2D46D??DH??D(?H)?46?(?1.5)?1878(m2)444

?2?D??462?1661(m2)44S外?

b、计算所需总电流

I总1=S内・J内=1878×20=37560(mA)=38(A)

C、计算所需阳极总重量;

W总=I总/V×8760×F=38/2550×8760×20=2611(kg)

d、根据每块阳极重量，确定阳极总数量;

M=W总/W单=2611/35=75(块)

实际用量为90块

三、 罐外阴极保护

外底板保阴极保护护的几种方案

对油罐外底板的阴极保护，除以上介绍的牺牲阳极法外，还可采取外加电源的阴极保护方法。油罐外底板外加电源法阳极布置有四种方案。一为埋设在罐周边的阳极，这种方法可使罐周边得到重点保护，而底板中心保护底较低，适用于罐底板周边腐蚀较严重的情况。二为埋设在罐底板下边的阳极，与一相比，底板的保护电流较为均匀，但阳极埋设需在建罐时进行，否则就不如一方便。三为深井阳极，该法对罐中心的保护电位与周边能趋于一致，适用于较大直径的油罐。

四为埋设于罐底板下边的斜阳极，与前述几种情况相比该法保护效果最好，当周边的保护电压为-1.0V时，中心保护电压为-0.86V，符合阴极保护原则。

以上几种外加电源法阳极埋设方案的选择，需要根据环境、介质、设备、施工的具体条件等来确定。下面就简单介绍有关情况

1牺牲阳极法

牺牲阳极法在罐外使用时，在安装方式、阳极结构选择方面，也有多种方案，这种方法使用后始终不用管理。同时该牺牲阳极还可兼做储罐的防雷防静电接地。

a罐周围均布阳极法

该方法保护度最高在罐底周边，符合罐底保护形态，对已建或旧罐外底板可采用此法。阳极型号采用AM-90型，阳极通过电连接器连于罐体，并在阳极周围充填助导剂。也可直接制作成袋装阳极。

b线状镁阳极法

该方法在建罐前就应考虑,直接将线状镁阳极布置在罐底板下面的基础砂内,此法不需助导剂,保护电位均匀,选用阳极型号为MG-I型,该方法采用的阳极价格较贵,适宜在高电阻率的土壤,并且应用于5000立方米以下的油罐外底板是较好的选择。

2外加电源阴极保护

该方法的优点是，保护电位可调节，可使保护效果始终调整在最佳状态，保护年限长，大型油罐及灌区群罐一般采用此法，其特点是可实现集中控制(也可单台罐独立进行)，主设备多台罐可共用，保护效果稳定，并可使总投资大大降低。

对双层罐底的阴极保护，分为两部分：一部分为下层罐底的外壁外底板与土壤直接接触，可采用前面介绍的阴极保护技术;二部分为双层罐底的内侧，作为重点保护对象是上底的下部表面。牺牲阳极法和强制电流法都可使用

3.1牺牲阳极外底板的应用

以3万立方米原油罐为例：

a、 计算阴极保护面积：罐外为与土壤接触面积;

S外=3.14/4×D2=3.14/4×462=1661(M2)

b、 计算所需总电流

I总2=S外×J外=1661×2.5=4152(ma)=4.2(A)

C、计算所需阳极总重量;

W总=I总/V×8760×F=4.2/800×8760×20=920(kg)

d、确定阳极总数量;

M=W总/W单=920/92=10(块)

实际使用量为12块更合理

3.2带状镁阳极的应用

以直径为60米的 5万立方米原油油罐阴极保护外底板

3)、 设计依据

3.1) SY/T0088-95

钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准

3.2) SY0007―

钢质管道及储罐腐蚀工程控制设计规范

3.3) SY/T0019-97

埋地管道牺牲阳极阴极保护设计规范

3.4) API RP 05L

地上石油储罐阴极保护

3.5)GB50393-2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》

4)、 设计参数

4.1)、保护方式：牺牲阳极法

4.2)、设计寿命20年

4.3、电流密度：罐外底板5mA/m2

4.4)、罐外土壤电阻率：200 Ω.m

4.5)、阳极设计型式：罐外：均匀分布

4.6)、阳极材料：外底板 镁带

5)、 外底板设计计算

5.1)、计算阴极保护面积：

罐外为与土壤接触面积;

S外=2826(m2)

5.2)、计算所需总电流;

I总=14.13(A)

5.3)、计算所需阳极总长度;

L总=2670(m)(排列57圈，圈距0.52米)

罐内阴极保护方案见图1

外底板阴极保护方案见图2

1、 程任务： 罐容：5万m3 储罐，数量：2座 内(包括1米高的壁板)

外底板阴极保护

2、设计依据：

a、SY/T0088-95，钢制储罐外壁阴极保护技术标准。

b、SY0007―1999，钢质管道及储罐腐蚀工程控制设计规范

c、SY/T0019-，埋地管道牺牲阳极阴极保护设计规范

d、API RP 05L，地上石油储罐阴极保护

3、阴极保护方案选择：

采用油罐专用牺牲阳极阴极保护法

罐外底板为带状镁阳极。

4、有关参数

、罐外地板

阳极深度： D=0.2m

储罐保护面积： 2826(m2)

保护电流： 14.13A

阳极材料 带状镁合金牺牲阳极

理论发生电量：2.21A. h/g

电流效率： 55%

单台罐需阳极长度 ：2670m

阳极外形尺寸： 截面为19*9.5矩形

5、用户协助项目：

混凝土圈梁预留50mm套管，端部有螺扣以便测试电缆穿过连接于测试桩

6、罐外底板阴极保护施工安装说明：

6.1、安装前的准备

(1) 罐基础标高混凝土圈梁预留电缆导管(至少50mm);

(2) 现场焊接用的电源、气焊焊机等

6.2、阳极带的铺设

(1) 先根据图2进行画线定位，然后将整卷阳极带沿画线位置进行滚动铺设，

每圈的接头应在一条直线上。

(2) 阳极带需连接或交叉时，应采用气焊连接，连接时先将阳极带表面金属镁

熔化，然后将钢芯气焊接，焊后采用三油三布密封。

(3) 将四个连接头中的三个引出基础外，以备罐底钢板焊好后焊到底板边沿

上，并将焊点采用环氧胶封闭。另一个接头直接引至测试桩

(4) 回填基础沙，厚度为200毫米，采用机械设备时不要损坏阳极，不要使阳

极移位。

6.3、参比电极及连接箱的安装

(1) 采用预包装长效铜/硫酸铜参比电极，装在有填料的布袋中，并带有2.5mm

截面积的电缆，安装前在水中浸泡2―3天。

(2) 参比电极每罐4支，埋设位置为中心，依次为0m、9.9m、19.8m、29.8m

各一支，编号用干净沙回填(见图-3、图-5)。

(3) 参比电极埋深为沥青沙之下约200mm。

(4) 参比电极电缆引到底板下成蛇形排列，以防止铺设沥青砂和焊接罐底时拉

断。

(5) 安装测试箱，参比电极导线、阳极导线通过混凝土圈梁预留孔接入测试箱

(图-4)。

8、罐外电位测试

罐外电位测试通过接线箱直接进行测试。

9、施工安装图附后

四、试压阶段临时用阴及保护

以5万立方米储罐海水试压临时阴极保护方案为例

1、基本方案

采用张力悬吊式牺牲阳极法保护储罐壁板，防止海水试压时罐体电化学腐蚀。

方案特点：

1)可以采用海水试压，罐体壁板受到阴极保护，免遭海水腐蚀

2)不必在壁板上进行焊接

3)缩短工期、节省投资、施工简单

2、基本结构

采用张力悬吊式牺牲阳极法保护储罐壁板，预先将张力索和电缆与牺牲阳极连接好，并在罐壁底部焊接挂钩和电接线点，罐顶部也同样准备，然后将阳极串悬挂在挂钩上，上下拉紧贴壁。海水试压完毕，取下阳极串，取掉挂钩磨平涂刷涂料即可。电位测量采用悬吊式参比电极。

3、设计计算

a) 计算依据

i.

ii.

iii. 油罐D为60米。罐壁高19.36米。充水高度17.4米，时间90天 保护电位-0.85―1.15V(CSE参比电极) 对罐底板应涂防腐涂料

b) 牺牲阳极类型选择

阳极类型：长条型铝合金牺牲阳极

阳极特点：油罐专用

阳极型号：强海水腐蚀介质下应满足试压90天防腐寿命要求。尺寸为

30*200*500，阳极重量：每支重量3.6公斤

阳极发电量：每个阳极发生电流量为0.88A。

c) 计算

i.

ii.

iii. 保护面积=3.14*60*15=2837M2 保护电流=0.06*2837=170A 阳极个数

n=170/0.88=193。

实际使用时，阳极并联会造成阳极发生电流降低，实际阳极数应为1.5―3倍，N=1.5*193=292个/每台罐

d) 阳极分布

周向均布73串，每串4个阳极

4、实施步骤

i.

ii.

iii. 在罐底部焊接73个挂钩，(均布) 在罐顶部焊接同样数量的挂钩与罐底部的挂钩对应 预制好阳极串。张力索用尼龙绳，电缆与每个阳极应连接良好。电

缆留有一定松弛度。

iv.

v.

vi.

vii.

viii. 预制好足够长的悬吊式参比电极，并标好长度 将阳极串悬吊在上下挂钩上，电缆上下连接点焊好并绝缘好。 在海水注入时测量罐壁电位 试压完毕排完海水时，及时用淡水冲洗罐壁并防腐 冲洗完毕后，拆除阳极串，取掉挂钩并磨平并防腐即可。

注：3万立方米的罐与5万立方米的储罐阴极保护方式和施工等类似，只是阳极串的数量减少而已。

五、 网状阳极的阴极保护体系的设计和安装

网状阳极的阴极保护是国内外近年来兴起的一种专门针对储罐罐底的新型阴极保护体系。它是一种强制电流保护体系，辅制助阳极是由混合金属氧化物阳极带和钛导电片垂直交差焊接而成的金属网，阳极网处于罐基础的回填沙中。是一种特长寿命的阴极保护技术。网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连

接片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极，将该阳极网预埋在储罐基础中，可为储罐底板提供保护电流。该技术为美国CORRPRO集团的专利技术，与其它阴极保护方式相比，具有如下优点。

(1)电流分布非常均匀，输出可调，储罐能得到充分保护。

(2)产生的杂散电流很少，不会对其结构造成腐蚀干扰。

(3)不需回填料，安装简单，可保证质量，储罐与管道之间不需要绝缘。

(4)不容易受日后工程施工损坏，使用寿命长。

网状阳极可放置在罐底板与防渗膜或混凝土基础之间，距离罐底板的最小距离为15cm，无需填料，仍能保证电流的均匀分布。

1、网状阳极系统的组成

网状阳极阴极保护系统(见图1)包括恒电位仪、混合金属氧化物网、接线箱、参比电极和阳/阴极电缆。

图1 网状阳极保护系统

恒电位仪将交流电转换成直流电，由参比电极控制其电流输出，阴极电缆连接在储罐上，阳极电缆连接混合金属氧化物阳极网。系统工作时，电流从阳极网释放到沙层中并流入储罐底板，通过电缆返回到恒电位仪阴极。当储罐底板的电流达到一定密度后，底板将停止腐蚀。建议恒电位仪安装在防爆堤外的控制间内。

阳极网处于罐底板下面的回填沙中，阳极带间距为1～1.5m。该阳极网不需填料，但应铺设在回填沙层中。阳极网距罐底板一般为150～300mm，由于距离储罐底板很近，因此不会产生杂散电流。

1.1、阳极材料

混合金属氧化物阳极带是由TIR2000混合金属氧化物涂敷在钛金属表面上制成，规格如下。

成分：ASTM265，一级钛;

宽度：6.35mm;

厚度：0.635mm;

重量：17.8kg/km;

电阻：0.138Ω/m;

覆盖层：TIR2000金属氧化物。

1.2、钛连接片

钛连接片与阳极带垂直交叉并焊接在一起，规格如下。

成分：ASTM265，一级钛;

宽度：12.7mm;

厚度：0.9mm;

重量：59.6kg/km;

电阻：0.049Ω/m。

1.3、阳极电缆

电缆为高分子聚乙烯铜芯，截面积一般为10mm2。电缆端部连接一根直径为3mm，长度为100mm的钛棒，钛棒与一段钛连接片焊接。在钛棒与电缆连接处用胶密封，并用收缩套包裹。钛片与阳极网上的钛金属连接片焊接。为保证系统可靠性并使电流分布更加均匀，一般采用3根阳极电缆是为了更保险以防任意一根断开等影响电流输入。

1.4、参比电极

采用预包装的铜/硫酸铜参比电极，装在有填料的布袋中，并带有2.5m2截面积的电缆，安装前在水中浸泡15～20min。一般采用3个参比电极，分别埋设在储罐底板中心及边缘处。该参比电极设计寿命一般为，误差为5%。最好

设双参比电极。也就是另外增加高纯锌参比电极，在CSE铜饱和硫酸铜参比电极失效后，高纯锌参比电极任然可以发挥作用，

1.5、接线箱

采用防爆型接线箱，带有8个接线柱和标准电阻的分路，用于测量阳极电流。 2 网状阳极阴极保护系统的设计(以10万立方米原油罐为例)

2.1设计依据

① BS7361阴极保护-陆上海上设计规范，第一部分

② NACE RP―0169 埋地或水中金属管网外腐蚀控制

③ API RP 651 地上油罐的阴极保护

④ SY/T0088-95钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准

2.2设计参数

① 设计寿命 40年

② 保护电流密度 10mA/m2

③ 埋沙电阻率：40000Ω?cm

④ 阳极最大输出电流 20mA/m

⑤ 阳极埋深：据罐底板150-300mm

⑥ 阴极保护方式：网状阳极外加电流阴极保护

⑦ 设计温度：16-48℃;

⑧ 密封膜：无;

⑨ 底板覆盖层：无;

⑩ 电气绝缘：无(采用绝缘法兰将减小电流散失);

? 防雷接地：改用镀锌钢管或钢板接地将减小电流泄漏。

3设计计算

3.1 储罐直径D=80米

保护的底板的面积S=5024m2

保护电流密度 i=10mA/m2

保护电流I总=50.24A

3.2阳极材料或规格：宽6.35mm

厚0.635mm

额定输出电流18.75mA/m

阳极长度 L= I总/I

=50.24/0.0185

=2716米

阳极带间距2米

钛金属导电片规格：640米

宽12.7

厚0.9

电阻率;0.049Ω?m

3.3 钛金属连接片间距;7米/片或8米

3.4实际寿命计算

实际的阳极面积A实=2L实(宽+实)

阳极长度L实=2720米(根据实际布置所用阳极的长度)

阳极的宽度=0.0064米

阳极的厚度=0.00064米

实际阳极的面积=2*2720(0.0064+0.00064)=38.3米2

实际阳极的电流密度=1.3mA/m2

阳极的消耗率=58 mA?a/m2

实际阳极的寿命=阳极消耗率/实际阳极电流密度

=45年

4设计计算

设计时需要计算阳极接地电阻及阳极和钛连接片的用量。阳极长度可根据勾股定理逐根计算或用底板面积除以阳极间距估算。接地电阻可按下式计算： R=0.0016ρ/L(6.3+LnL/r+LnL/D+2 D/L)

式中R--接地电阻，Ω;

ρ--土壤电阻率，Ω.cm;

L--阳极长度，m;

r--等量半径，4.45;

D--阳极埋深，m。

5设计方案

①网状阳极系统：该系统由混合金属氧化物阳极带和钛导电片组成，阳极网状处于罐底板下面的回填沙中，距罐底板350毫米左右，钛连接片与阳极带垂直交叉又焊接在一起，用三根VV29-1KV*35mm2型阳极电缆与钛连接片焊接，保证该

系统的可靠性及电流分布更加

均匀。

②在罐底板中心至圈梁段沿半径均匀分布四支长效Cu/CuSO4参比电极，以

测定罐底板的保护电位。

③电缆连接箱选用防暴接线箱，接线箱至阴极保护间的电缆直埋敷设，电缆露出地面部分套镀锌管，与罐壁用铝热焊焊接，裸露处用环氧树脂防腐。通阴保间的电缆埋深700毫米，周围填100毫米细沙并敷盖红专砖。

6安装

6.1安装前的检查项目

(1)罐基础标高。混凝土圈梁是否预留了电缆导管孔(直径50mm，位于安装恒电位仪的一侧)，孔的高度与阳极网位置平齐。

(2)现场焊接电源、小沙袋是否准备好。

6.2系统安装

(1)对钛片与钛片、钛片与MMO阳极进行试焊，记录焊接设定值。

(2)在混凝土圈梁上标出钛片位置，然后铺设钛片，钛片两端距离圈梁150～200mm。

(3)在圈梁上标出MMO阳极的位置，铺设中间的阳极，用沙袋压住，与钛片焊接。

(4)按设计间距逐根铺设阳极，并与钛片焊接。

(5)每根阳极两端距离罐周边150～200mm。

上述工作由两人完成，安装时禁止踩蹋阳极。

阴极保护系统的安装应在安装好第二次密封垫后沙垫层之后。

① 阳极网 阳极网的安装包括阳极带、钛导电片、长效参比电极和馈电缆

的安装。把阳极带从卷盘中散开，把阳极带和导电片分布于要求的位置，并防止跷起。用焊机焊接阳极带和导电片的每一个交叉处;把馈电缆与导电片在指定的位置焊接;把AWG电缆线散开穿出圈梁。圈梁中的孔应在建圈梁时预留好或在合适的位置处埋一电缆导管。

② 长效参比电极 长效参比电极的位置按设计的进行。安装前将参比电极浸泡2~3天，然后按图纸埋设，把14AWG电缆散开穿出圈梁。

③接线箱 所有馈电缆、参比电极和其他导线都接到接线箱中。 ④恒电位仪，安装设计计算要求来选择安装

⑤回填 网状阳极上面的回填由储罐承建者负责完成。先把阳极带、钛导电片、长效参比电极的上面铺一层沙，以避免翻砂车的操作损坏阳极网。若在构筑罐基础最后一层时，测试发现网状阳极有损坏，则应随时停止一切作业进行检修

6.3注意事项

(1)阳极网安装完毕后，回填罐基础，回填土最小厚度为150mm，最好不用机械设备夯实，以免损坏阳极网。

(2)将参比电极预浸泡后放在设计位置，用净沙回埋。

(3)连接供电电缆、安装接线箱以及参比电极导线，阳极电缆通过混凝土圈梁预留孔接入接线箱。

(4)检验网状阳极系统的连通性以及焊点的牢固程度。

7测试

①电阻的测量 在铺设网状阳极上面的沙子时，应对馈电缆之间以及馈电缆与参比电极之间的电阻进行测量。若电阻过大，则说明阳极网或参比电极有所损坏。必须停止继续铺设，进行维修，

②投入运行 测量储罐的 自然电位并记录。恒电位仪通上电，对储罐进行充分的极化。当储罐内装上一部分产品后，对系统进行最后的调试。调试标准：储罐的极化电压在100毫伏上下波动。

③报告 提交报告，包括所有的测试结果、施工图及操作和维护规程。

下次内容：

.1、深井阳极的设计安装和应用

2、阴极保护运行与管理

3、柔性阳极及其应用

4、两种阳极的比较

5、阴极保护工程验收

6、恒电位仪系统

7、阴极保护参数的测量

8、管线的阴极保护设计

2.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、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。 1834年―― 法拉第→阴极保护原理奠定基础 1890年―― 爱迪生→提出强制电流保护船舶 19―― 柯恩→ 实现了爱迪生的设想 19 ――美国用于锅炉保护 19 ――德国建立第一个阴极保护厂 19 ――命名为电化学保护 1924年 ――地下管网阴极保护

3.阴极保护技术简介

阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流(外加电流)阴极保护。

1)牺牲阳极阴极保护技术

牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属。

优点：

A: 一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用 B: 保护电流的利用率较高，不会产生过保护

C: 对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小 规模的分散管道保护

D: 具有接地和保护兼顾的作用 E: 施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理

缺点：

A: 驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小

B: 使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω?m时，一般不宜选 用牺牲阳极保护法

C: 在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转

D: 有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换

2)强制电流阴极保护技术

强制电流阴极保护技术是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，进而使被保护金属变成阴极，实施保护。

优点：

A: 驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流 输出量，适用于保护范围较大的场合

B: 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用

C: 选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护

D: 每个辅助阳极床的保护范围大，当管道防腐层质量良好时， 一个阴极保护站的保护范围可达数十公里

E: 对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护

缺点：

A: 一次性投资费用偏高，而且运行过程中需要支付电费

B: 阴极保护系统运行过程中，需要严格的专业维护管理

C: 离不开外部电源，需常年外供电

D：对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用

4.阴极保护效果的判据

1)普通钢阴极保护准则

◆施加阴极保护时被保护结构物的电位负移至少达到-850mV或更负(相对饱和硫酸铜参比 电极CSE)。 ◆相对于饱和硫酸铜参比电极的负极化电位至少为850mV。 ◆在构筑物表面与接触电解质的稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV。 ◆存在硫酸盐还原菌的环境，被保护结构物的电位负移至950mV(CSE)或更负。

2)铝合金阴极保护准则：

◆构筑物与电解质中稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV，准则适用于极化建立或衰减过程。 ◆极化电位不应负于-1200mV(CSE)。

3)铜合金阴极保护准则：

◆构筑物与电解质中稳定参比电极的阴极极化值最小为100mV。极化建立或衰减过程均可以被应用。

4)异种金属阴极保护准则：

◆所有金属表面与电解质中稳定参比电极之间的负电压等于活性最强的阳极区金属的保护电位。 5)高强钢阴极保护准则： ◆700MPa以上的钢腐蚀速率降低至0.0001mm/a的保护电位为-760～-790mV(Ag/AgCl)。 ◆在存在硫酸盐还原菌的环境下，钢屈服强度大于700MPa，保护电位应在800-950mV(Ag/AgCl)的范围内。 ◆屈服强度大于800MPa的钢，其保护电位应不低于-800mV(Ag/AgCl)。

5.阴极保护技术问答

1)什么是强制电流阴极保护系统?

强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属变成阴极实施保护。

2)什么是牺牲阳极阴极保护系统?

牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。

3)强制电流阴极保护系统的组成有什么?

强制电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭(碳素)填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。

4)电源的作用是什么?

电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流。电源主要有恒流、恒压整流器、恒电位仪。

5)电源的类型主要有哪几种?

从整流形式上主要有可控硅、磁饱和、数控高频开关。可控硅和磁饱和恒电位仪体积较大、纹波系数较大、控制精度较差，效率较低(低于70%)不易实现数字化。磁饱和恒电位仪除了上述不足外，额定功率20%以下的输出无法控制。数控高频开关恒电位仪体积较小、纹波系数小、控制精度高、效率较高(90%以上)。

6)辅助阳极的作用是什么?

辅助阳极的作用是通过其本身的溶解，与介质(如土壤、水)、电源、管道形成电回路。

7)辅助阳极的种类有多少?

辅助阳极根据介质来分，土壤中有废钢、硅铁、石墨、混合氧化物阳极、柔性阳极。水介质中有混合氧化物阳极、硅铁阳极、铅阳极等。

8)控制参比电极的有那些?

1.1.1.1.1.2

控制参比电极主要有长寿命饱和硫酸铜参比电极、高纯锌参比电极、银/氯化银参比电极、二氧化钼参比电极。土壤中可使用饱和硫酸铜参比电极和高纯锌参比电极，水介质中使用高纯锌参比电极和银/氯化银参比电极。二氧化钼参比电极主要用于混凝土中。饱和硫酸参比电极的寿命一般小于。其它的参比电极可以根据寿命来设计。

9)为什么需要采用电绝缘?

在阴极保护技术中，要求被保护结构需要电绝缘，主要是由于如果不绝缘，保护电流会流失到未被保护的金属构筑物上，设计的电流需求量可能不足，保护效果不理想，另外，可能会产生杂散电流的干扰。

10)测试桩的作用是什么?

测试桩的作用主要是用于检测阴极保护效果和运行参数。根据作用不同有电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片测试桩桩。

11)牺牲阳极阴极保护系统的组成有什么?

土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填报料、布袋、贴片、电缆、测试桩组成。水环境中牺牲阳极直接焊接到被保护结构上。

12)牺牲阳极主要有那些?

阴极过程 篇3

近年来, 伴随着我国经济的不断发展, 以及现代工业体系的不断完善, 对石油天然气能源的需求量越来越大。石油及天然气资源的应用必须满足运输需求, 即从能源产地到消费场所的传输, 国内石油化工企业主要采用的有两种方式, 即罐车运输和管道运输。其中, 罐车运输由于受到经济性、安全性等方面的制约, 主要在短距离内发挥作用。相对而言, 管道运输由于不受时间空间限制, 具有成本低、安全性高、不间断作业等优势, 被视为长距离输送的最佳选择。

结合现状分析, 我国的石油天然气长输管道铺设过程中主要采用掩埋的方式, 尽管在管道外部做了敷设防护, 但由于土壤成分复杂、地形迥异等问题, 依然会形成一定的破坏作用, 其中最明显的就是腐蚀问题。

长埋地下的管道与土壤接触, 长期收到土壤介质中的水分、细菌、酸碱等因素干扰, 腐蚀因素慢慢积累, 经过量变完成质变。一旦发生管道腐蚀泄露, 就会导致重大的经济损失甚至人身安全事故, 造成不良的社会影响。而对于企业而言, 腐蚀问题会导致整个管线的停运, 受到巨大的直接经济损失和间接经济损失。

基于以上原因, 针对长输管道进行腐蚀预防是十分必要的, 无论多么严密的仿佛绝缘层或隔离措施, 都不可能完全避免腐蚀因素的干扰, 同时, 由于长输管道长埋于土壤之中, 无法进行定期观察检修, 更不可能采用常规手段进行维护。

根据阴极保护的原理不难看出, 只需要确保长输管道获得稳定的电子补充, 就可以有效组织腐蚀问题的发生, 因此, 阴极保护是最经济、最有效、最合理的措施。

2 管道阴极保护管理模式的创新研究

石油天然气长输管道在我国经济建设中发挥了重要的作用, 从经济效益上说, 运输成本低、全天候作业、能源消耗少, 从环境效益上说, 由于采取全封闭的运输模式, 对自然环境的影响微乎其微。但同时, 石油天然气管道的建设周期较长, 客观上要求它必须实现一定的使用年限, 因此进行腐蚀防护就显得尤为重要。

2.1 阴极保护的基本设置

根据金属管道在泥土中的腐蚀机理研究不难看出, 在管道表面出现土壤腐蚀、大气腐蚀、细菌腐蚀等因素情况下, 会导致电子流失, 形成局部腐蚀现象。阴极保护即采用补充电子的方式, 是典型的电化学预防方式, 是针对金属材质最本质的腐蚀预防手段。

在具体的执行中分为牺牲阳极法和强制电流法两种形式, 前者的优势在于不需要外部电源, 不受外界干扰影响, 不需要额外设备和占地面积等优势, 这种方式较为适合掩埋在地下的金属材质管道, 但防腐效果有限;对应地, 强制电流法的保护范围大、适用范围广, 采用电流输出的方式进行补充, 因此比较适合长输管道的应用。

2.2 阴极保护的设计要点

第一, 优化接地电池的设置。传统的阴极保护设置只注重管道防腐本身, 对设备保护缺乏认识。结合创新的思想, 采取安装接地电池的方法, 将雷击和静电破坏因素考虑在内, 防止绝缘设备与保护电流之间的相互干扰。

第二, 杜绝杂散电流的现象。杂散电流的不稳定性是导致电化学腐蚀程度加剧的原因, 一般来说, 在管道附近5米以内、电位差高于0.5m V/m时, 就会导致大量的杂乱电流出现, 会加速绝缘层的破裂速度。可以通过设置排流锌阳极组来减少干扰, 实现防腐的目的。

第三, 复杂区域的特殊保护。石油天然气管道在建设中会发生与其他设施较差的局面, 如公路、铁路等地理位置上的重叠, 由于大量金属材质的集中, 会出现腐蚀的共生性。基于此, 应该对这种情况进行特殊保护, 如增加套管、开凿焊点增加锌阳极保护等。

2.3 阴极保护的创新应用

一般来说, 石油天然气长输管道的维护都是有自身企业完成, 这不仅需要投入大量的人力、物力、财力, 同时还面临技术不专业、安排不科学、劳动强度大等弊端。从管理体制方面进行创新, 可以考虑维护外包的方式。将长输管道阴极保护的工作以承包的方式转接给国内具有相关资质的企业, 以专业团队为基础, 进行现场监督、维护处理和定期汇总。

3 结语

综上所述, 管道阴极保护技术的应用要结合实际情况开展, 结合实际情况分析, 杂散电流造成的腐蚀是阴极保护的一个关键技术障碍, 尤其在复杂区域内实现电流稳定控制的难度较大。结合创新的管道防腐蚀维护方式, 以专业的手段增加阳极防护方法, 可以实现很好的预防效果。

参考文献

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[2]李晓星.阴极保护原理与新技术[J].合肥学院学报 (自然科学版) , 2006, S1:50-54.

[3]薛致远, 毕武喜, 陈振华, 张丰, 陈洪源.油气管道阴极保护技术现状与展望[J].油气储运, 2014, 09:938-944.

[4]颜东洲, 黄海, 李春燕.国内外阴极保护技术的发展和进展[J].全面腐蚀控制, 2010, 03:18-21.

牺牲阳极法阴极保护方案 篇4

一、概述................................................1

（一）工程概况...................................1

（二）保护原理...................................1

（三）牺牲阳极法阴极保护的优点....................1

（四）应用标准和规范..............................1

二、本工程管道牺牲阳极保护法的设计.......................1

三、施工方法............................................2

1、牺牲阳极法阴极保护施工安装程序简述:............2

2、牺牲阳极法的施工:..............................2

一、概述

（一）工程概况

本保护管段范围为北河路（天华路至体育场段）工业水管线。管径为DN500，管道敷设在北河路南侧，单管保护长度为约2.6km。本工程采用牺牲阳极法。

（二）保护原理

将被保护的金属结构连接一种比其电位更负的金属或合金，该金属或合金为阳极，依靠它的优先溶解所释放出的电流使金属结构阴极极化到所需的电位而实现保护，这种方法称为牺牲阳极法阴极保护。

（三）牺牲阳极法阴极保护的优点

1、不需要外部电源；

2、对邻近金属构筑物无干扰或很小；

3、电流输出虽不能控制，但有自动调节倾向，且覆盖层不易损坏。

4、调试后，可不需日常管理；

5、保护电流分布均匀，利用率高。

（四）应用标准和规范

1、《埋地钢质管道阴极保护电参数测试方法》SY/T0023-97

2、《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-97

3、《钢质管道及储罐防腐工程设计规范》SY0007-99

4、《阴极保护管道的电绝缘标准》SY/T0086-95

5、《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-96

二、本工程管道牺牲阳极保护法的设计

该管道为工业水管道，管径500㎜，设计采用如下牺牲阳极保护法。

牺牲阳极选用镁阳极，每240米设1组，每组由3支22kg的镁阳极组成。

共埋设镁阳极48支，距管道垂直距离＞1.5m，阳极周边用填料包围以减少接地电阻及促进腐蚀产物的溶解。汇流点及中间点设测试桩3支，测试桩按照1支/km的原则埋设。

三、施工方法

1、牺牲阳极法阴极保护施工安装程序简述: 袋装阳极制作→阳极床定位→阳极床开挖→阳极埋设→阳极浇水浸透饱和及各参数测试→阳极通电点处理及焊接→通电点导通测试→通电点补口防腐(补口处防腐材料与管体防腐材料是匹配的)→阳极回填→标记记录。

2、牺牲阳极法的施工: 2.1镁阳极安装

2.1.1牺牲阳极的施工：牺牲阳极土壤中的施工，包括埋设前的组装、阳极的填充和埋高。2.1.2镁阳极与阳极电缆的组装

阳极与电缆之间的联接采用锡焊。在焊接点上涂覆环氧涂料，加缠电工胶布和绝缘胶带，再包覆热收缩套，并再缠胶带保护。必须保证焊接牢固并且绝缘性能良好。2.1.3阳极安装前准备

在组装牺牲阳极之前，应检验阳极表面是否有油污和氧化物。牺牲阳极表面的油污和氧化物能降低阳极的活性，影响阳极电流的发生，所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采用砂纸将阳极表面打磨干净。

填料包的组装可在室内或现场进行，应保证阳极四周的填料厚度一致、密实，各边厚度不小于50mm。填料应调拌均匀，不得混入石块、泥土、杂草等。每支阳极需用填料约50Kg。

2.1.4阳极电缆与钢管的连接

电缆与管道的焊接采用铝热焊法，要求：焊接牢固，焊缝均匀，焊接点电阻要求小于4×10－4Ω，焊接点强度大于焊接后铜芯电缆的承载力。焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口，补口材料采用环氧煤沥青和玻璃布。在电位测试装置处，阳极电缆与管道测试电缆在测试桩内连接。阳极电缆敷设时应留有足够余量，在焊点及其他连接处预留蛇形弯，防止电缆或焊点受力拽脱。2.1.5阳极埋设

当管道的安装与锌阳极埋设同步进行时，牺牲阳极的埋设位置，与管道外壁距离为1.5米左右，最低不应小于0.3m。阳极可埋设在管道的侧方或侧下方,视现场具体工况条件，可选择立式或卧式埋设。埋设深度必须在冻土层以下，一般要求与管道深度一致。见下图。

图1阳极位置示意图

对于已安装完的管道，阳极埋设可在管道中心位置，使得阳极包的中心位置与管道中心位置在同一高程上，施工采用人力钻孔的施工方法。钻孔直径为Ф400，阳极包采用竖向布置。2.1.6 阳极床浇水

阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必须完全浸没填料包，且坑内积水必须保持一段时间，以便彻底浸填料包。2.1.7阳极床回填

阳极床回填时，应向阳极床内回填细土，禁止向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物。过河管道部分镁阳极安装要求

对于已安装完的管道，阳极埋设可在管道中心位置，使得阳极包的中心位置与管道中心位置在同一高程上，施工采用人力钻孔的施工方法。钻孔直径为Ф400，阳极包采用竖向布置。2.1.8阳极床浇水

阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必须完全浸没填料包，且坑内积水必须保持一段时间，以便彻底浸填料包。2.1.9阳极床回填

阳极床回填时，应向阳极床内回填细土，禁止向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物。

2.4电位测试桩的安装 测试桩安装要求

测试桩桩体由水泥制成。内设阴极测试端子和参比电极测试端子。在管底位置埋设一支二氧化锰参比电极或长效硫酸铜参比电极。电位测试桩只提供保护电位数据，可按设定的频率进行人工测量，以了解和掌握阴极保护效果。

2.8阴极保护系统的调运

2.8.1 牺牲阳极保护参数投产测试，必须是在阳极埋入地下及填包料浇水10天后进行。

2.8.2 牺牲阳极投入运行后应进行一下项目的测试

⑴点位：阳极开路点位，阳极闭路点位，管道开路点位，管道保护点位，测试片自然点位。⑵阳极输出电流。⑶阳极接地电阻。⑷埋设点的土壤电阻率。

2.8.3 牺牲阳极投入运行后，应定期进行监测和维护，至少每半年一次。

2.9质量检验标准

2.9.1阳极连接电缆其埋设深度不得小于0.8m，四周应填垫素土或细砂，其上部覆盖有水泥盖板或红砖。

2.9.2布置牺牲阳极时，阳极与管道之间不应有金属结构物。2.9.3与钢制管道相连接的电缆接头，焊接点应重新进行防腐绝缘处理，采用热熔胶和补口片进行绝缘。

2.9.4阳极四周填包料应密实且厚度一致。填包料应均匀，阳极埋地后应充分灌水，并达到饱和。

2.9.5管道必须与支撑的墩台、管柱、管桥、固定墩、支座、管卡、套管或混凝土的钢筋等绝缘。

2.9.6牺牲阳极应达到下列要求为合格：工作点位达到-0.085V或更负。

桥面混凝土阴极保护 篇5

关键词：腐蚀,混凝土,阴极保护

使用融雪剂是我国道路除冰雪技术中的普遍做法, 我国冬季使用的大量氯盐类融雪剂, 在融化冰雪的同时, 盐中的氯离子会渗透到混凝土结构之中。由于氯离子入侵混凝土结构中, 破坏了钢筋表面的钝化氧化膜, 从而引起钢筋锈蚀进而体积增大把很高的内部应力传到周围的混凝土上造成混凝土开裂和剥落, 最终导致钢筋混凝土结构破坏。此种现象非常普遍, 被公认为是导致混凝土结构破坏的主要原因之一。

1 外加电流阴极保护技术

外加电流阴极保护是国外近几十年来开发的控制氯化物环境混凝土中钢筋腐蚀的电化学方法。通过向被保护的钢筋表面通入足够的直流电流, 使其阴极极化以减小或防止金属的腐蚀。国外近30多年的研究实践证明, 不论混凝土中的氯化物含量如何, 阴极保护是有效控制氯化物环境混凝土中钢筋腐蚀的方法。

目前, 混凝土阴极保护在我国仍处于研究起步阶段, 但在发达工业国家则比较普遍。在2 0世纪9 0年代初, 意大利在130000m2的混凝土结构上采用外加电流法阴极保护技术, 该技术已被证明是非常可靠的技术;澳大利亚的悉尼歌剧院A型框架等, 也是混凝土结构成功应用外加电流法阴极保护技术的工程实例。

2 外加电流阴极保护系统组成

2.1 辅助阳极

辅助阳极材料采用混合金属氧化物涂敷的网状钛阳极, 其性能符合《混凝土中钢筋的阴极保护》EN12696的规定, 10mm宽, 扩张厚度1.3 m m, 网孔尺寸2.5 m m×4.6 m m×0.6 m m, 每平方米额定输出电流110m A。

2.2 塑料夹

塑料夹用来固定辅助阳极, 防止阳极和钢筋接触短路。其特殊的结构形式在起到固定和绝缘作用的同时, 又能使混凝土在浇筑过程中与辅助阳极充分接触, 确保保护电流均匀分布。

2.3 参比电极

参比电极应具有极化小、稳定性好、不易损坏、使用寿命长等特性, 并应适用所处的环境介质, 其规格、型号、技术质量指标应满足《钢筋在混凝土中的阴极保护规范》EN12696的规定。混凝土阴极保护通常采用永久性银/氯化银参比电极作为检测、监控用参比电极之一。同时, 由特殊的钛棒、碳化铁体产品、P V C、不锈钢连接物构成的钛参比电极, 也将和银/氯化银参比电极同时使用。

参比电极的作用有两个:一方面用于测量被保护结构物的电位, 监测保护效果另一方面, 为自动控制的恒电位仪提供控制信号, 以调节输出电流, 确保结构物处于良好的保护状态。

2.4 变压整流器

变压整流器是为外加电流阴极保护系统提供直流电源, 该设备应能适应现场工作环境, 长期运行、稳定可靠和便于控制使钢筋得到保护。其工作模式一般有恒电压、恒电流和恒电位三种模式。

2.5 远程监控系统

远程监控系统是指通过安装于变压整流器中的信号采集单元, 收集钢筋保护电位数据以及变压整流器的工作参数, 由控制电缆将收集到的信息传输到集中发射装置, 通过终端计算机接收模块收集并处理各发射装置输出的数据, 控制人员可以通过监控软件, 监测系统工作情况, 并可根据反馈数据, 发出相应的调整指令。该系统解决了由于安装地点分散、仪器的管理和维护不便等困难, 系统管理人员可以在通过i n t e r n e t随时对外加电流阴极保护系统进行全面监控, 及时处理意外情况, 保证系统的安全稳定运行。实施后的远程采集控制系统遵循可管理性、实用性、灵活性、可扩充性、模块化和可靠性的原则。

3 外加电流阴极保护系统施工中的重点难点

(1) 辅助阳极安装之前, 必须进行钢筋电的连续性测量。通过万用表测量任意两条钢筋间的电阻, 以电阻不大于1Ω为电连续性良好。 (2) 辅助阳极安装过程中, 必须进行钢筋与阳极的绝缘情况的测量。通过万用表测量钢筋与阳极间的电阻, 确保阳极与钢筋之间绝缘良好。 (3) 全部或部分预埋在混凝土中的金属装置应当与混凝土中的钢筋焊接。 (4) 混凝土浇筑过程中, 施工方应对阴极预防保护系统预埋件进行必要的保护, 以防止因结构施工造成阳极钛网、电缆等预埋件的损坏。 (5) 在施工和混凝土浇注过程中, 需进行连续监测以保证辅助阳极和钢筋之间电绝缘良好

4 外加电流阴极保护系统调试

外加电流阴极保护系统调试依照欧洲标准EN 12696-2000的规定。

调试初期, 施加一个相对较低的电流一般为整流器额定电流的10%~20%, 使系统慢慢极化。记录如下相关数据: (1) 永久性参比电极和便携式参比电极测出的钢筋电位; (2) 变压整流器的输出电压和输出电流;经过7~2 8天的低电流密度初期极化后, 进行全极化。系统的保护电位一般不超过-1 1 0 0 m v (预应力钢筋不超过-900mv) 系统测试满足下面的条件之一, 则认为系统正常运行 (1) 瞬间断开电位负于-720mv; (2) 24小时电位衰减大于100 mv (3) 更长时间 (超过2 4小时) 电位衰减不小于150 mv

5 应用实例

位于河北省境内的廊坊至涿州高速公路永定河特大桥, 全长5826 m, 跨南、北大堤为现浇预应力混凝土连续箱梁, 设计荷载为公路一Ⅰ级, 计算行车速度120 km/h。作为试验项目, 该桥现浇预应力混凝土连续箱梁段桥面采用外加电流阴极保护系统, 其主要关注点如下: (1) 该项目我国境内第一个桥面外加电流阴极保护系统工程 (2) 该项目为针对北方广泛使用的除冰盐而引起的桥面钢筋的腐蚀。 (3) 该工程的技术、质量标准符合欧洲标准 (EN 12696:2000, CATHODIC PROTECTION OF STEEL IN CONCRETE) 。 (4) 该项目使用的参比电极采用英国Cathodic Protection Ltd.公司的A g/A g c l参比电极, 保证了工程的可靠性。 (5) 该阴极保护系统共分为8个区, 确保保护电流分布的更平均; (6) 该系统共采用13000米的MMO辅助阳极对3600m2的跨南堤和跨北堤部分桥面进行保护 (7) 该系统共采用4 8个A g/A g C l参比电极和4 8个钛参比电极进行监测。

6 结语

除冰盐等因素引起的氯化物环境下钢筋混凝土结构物过早腐蚀破坏, 造成的经济损失是十分巨大的。相信随着国内港口、桥梁工程的大量建设以及人们对钢筋混凝土腐蚀的进一步认识, 外加电流阴极保护系统作为一种成熟、有效、方便的钢筋混凝土保护技术将会得到广泛的采用。

参考文献

[1]Guide Specification for Cathodic Pro-tection of Concrete bridge Decks.1992.Task Force29, Subcommittee on New Highway Materials, Washington, D.C.:Joint Committee of AASHTO-AGC-ARTBA.

[2]黄永昌.钢筋混凝土构筑物的阴极保护[J].腐蚀与防护, 2000, 21 (10) :471～475.

[3]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社, 1998.187～190.

钢管桩阴极保护工艺分析 篇6

1 工程概况

金塘大桥是舟山大陆连岛工程中第五座特大桥, 跨海长度18.4km。所处的灰鳖洋海域泥砂含量多, 水质浑浊, 水下能见度几乎是零。金塘大桥试桩工程进行阴极保护的6个墩台, 共计90根钢管桩。6个墩台号分别为:墩号E52 (编号GT1、里程桩号K37+445、水下泥面标高-9.86m) 、墩号E92 (编号GT2、里程桩号K39+845、水下泥面标高-8.38m) 、墩号E132 (编号GT3、里程桩号K42+245、水下泥面标高-9.74m) 、墩号G16 (编号GT4、里程桩号K44+555、水下泥面标高-4.78m) 、墩号G44 (编号GT5、里程桩号K46+235、水下泥面标高-5.28m) 、墩号C18 (编号GT6、里程桩号K31+435、水下泥面标高-5.95m) 。由于6个墩台作为全面施工的优先墩, 相邻墩台距离大于2Km, 阴极保护工作无法进行连续作业。对阴极保护阳极组的安装施工提出了很高的要求。

2 阴极保护施工前的准备工作

金塘大桥试桩共需要生产制作144块阳极, 合计约11吨, 预制和水下安装阳极36组, 合计约为18吨。

2.1 阳极材料的质量控制

(1) 阳极材料化学成分、电化学性能、牺牲阳极与馈电角钢间的接触电阻按照“GB/T4948-2002铝-锌-镉系合金牺牲阳极”的规定执行。 (2) 牺牲阳极材料原则上采用铝基合金, 所选用的牺牲阳极材料应以最小的重量满足阴极保护的有效寿命。

2.2 阳极材料外观质量控制

牺牲阳极工作面可为铸造面, 但应无氧化渣、毛刺、飞边等缺陷, 牺牲阳极所有表面允许有长度不超过50mm, 深度不超过5mm的横向细裂纹存在, 但不允许裂纹团存在;允许存在铸造缩孔, 但其深度不得超过阳极厚度的10%, 最大深度不得超过10mm;工作面应保护干净, 不得沾有油漆和油污等。

3 阳极组海上安装质量控制

3.1 承台钢底板与钢管桩绝缘性复检及自然电位测试

按承台设计施工图纸要求, 承台封底砼钢底板应与钢管桩绝缘。但经过检测发现, 有些承台钢底板与钢管桩间电阻很小, 甚至完全电连通。从而影响了钢管桩阴极保护效果, 为确保工程质量, 对所有已建成的承台均进行钢底板与钢管桩间绝缘电阻复检。另外, 对钢管桩间电导连也要复检。确认钢底板与钢管桩间绝缘性较好, 且在钢管桩间已电导连的基础上方可进行阳极组安装施工。

3.2 阳极组运输

阳极组组装车间按计划组装好阳极组, 派专用卡车把阳极组运送到码头, 将阳极组吊放到潜水作业船上, 并用钢丝绳绑扎固定好, 以免在船舶航行中摇摆时滑动, 碰坏。

3.3 阳极组的吊装入水定位

(1) 在阳极组安装之前, 用气动打磨机打磨每个阳极组上4个阳极块工作表面, 保证在下水之前阳极块表面的清洁。 (2) 船舶定位后, 组织潜水员下水清理待装阳极组的钢管桩上的海生物, 清理范围大约为5m的位置。 (3) 由潜水安装人员配合船舶吊机司机先将第一个阳极组吊放到要安装的钢管桩位置。再由辅助人员利用阳极组上的第二套吊索将阳极组挂在钢管桩顶端的手拉葫芦上, 再进行脱钩, 利用牵引绳多向索动定位将阳极组套入钢管桩。 (4) 利用手拉葫芦调整阳极组到位, 使馈电角钢顶端离承台底面5m处。辅助人员拉紧牵引绳, 帮助潜水员将卡环上的加强板拉靠拢, 插上螺栓, 并用力矩扳手拧紧螺栓。等潜水员水下固定好阳极组后, 拆除第二套吊索。 (5) 将焊接脚手架放到钢管桩上并固定在适当的位置, 打磨掉阳极组导电角钢与钢管桩壁焊接处的防腐涂层, 将阳极组导电角钢焊接在钢管桩上。

3.4 钢管桩与承台钢底板之间绝缘性与钢管桩电连接, 钢管桩的自然电位三者之间的关系

阳极组的设计是保护钢管桩的破点 (裸露部分) , 如果裸露的钢底板与钢管桩导通, 阳极组会连同钢底板一同保护, 从而降低了阳极组的使用寿命。按设计要求钢管桩之间电阻越小, 阳极组才能更好的保护钢管桩。因为钢管桩不是每根都设计装有阳极组, 15根只有6根钢管桩装有阳极组。只有钢管桩之间导通良好, 阳极组才能够保护到每一根钢管桩。承台底部的自然电位不宜过高, 只有在电位适宜的情况下, 阳极组才能发挥更好的保护钢管桩的作用, 如果自然电位过高, 反而会加速阳极组的腐蚀, 从而减少了阳极组保护钢管桩的使用寿命。

4 主要关键技术问题及处理措施

4.1 阳极安装形式的选择

金塘大桥试桩工程将每个承台下面的15根钢管桩作为一个整体, 在其中的几根钢管桩上安装几组阳极, 从而实现对每个承台下所有钢管桩的保护。采用前面设计的成组安装阳极的办法, 将阳极安装施工的效率大大提高了。

4.2 保证保护电位的有效分布

金塘大桥试桩工程钢管桩具有合适的电位分布是阴极保护设计中必须解决的一个关键技术问题。无论是国外标准“美国腐蚀工程师协会标准, NACERP0176-94 Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Platforms Associated With Petroleum Production”和“挪威船级社标准, DNVRPB 401-1993, CATHODIC PROTECTION DE-SIGN”, 还是国内标准“海港工程钢结构防腐蚀技术规定JTJ230-89”和“港口设施牺牲阳极保护设计和安装GJB156-86”, 都规定施加阴极保护后被保护结构电位应该达到比-0.85V (相对于铜/饱和硫酸铜参比电极) 更负。

5 结束语

在金塘大桥试桩钢管桩阴极保护工程中, 由于各个钢管桩通过承台内的钢筋实现了彼此间的电连接, 而且在钢管桩表面涂有高性能熔融结合环氧粉末复合涂层, 阴极保护电流传输得很远。检测数据如下:E52承台-0.932V、E92承台-0.988V、E132承台-0.893V、G16承台-0.977V、G44承台-1.045V、C18承台-1.032V。从测试得到的数据来看, 达到了合同要求的初期阴极保护电位应该在-0.80V~-1.10V (相对于海水银/氯化银参比电极和相对于铜/饱和硫酸铜参比电极) 之间的指标范围。因此, 钢管桩阴极保护电位水平是可以得到保证的, 可以起到对钢管桩的长效保护作用。同时, 对于氯盐腐蚀环境下混凝土结构物也起到一定的保护作用。牺牲阳极保护法具有无需提供辅助电源、施工简单、不必经常维护的优点。牺牲阳极投入运行后, 应定期进行监测, 每半年进行一次全面电位的测量。

参考文献

[1]NACERP0176-94 Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Platforms Associated with Petroleum Production.美国腐蚀工程师协会标准[S].

[2]DNV RPB401 1993 CATHODIC PROTECTION DESIGN.挪威船级社标准[S].

[3]JTJ230-89.海港工程钢结构防腐蚀技术规定[S].

[4]GJB156-86.港工设施牺牲阳极保护设计和安装[S].

[5]GB/T4948-2002.铝-锌-铟系合金牺牲阳极[S].

埋地管道阴极保护方法探讨 篇7

1 阴极保护简史

早在1823年, 英国学者汉·戴维先生接受英国海军部对木制舰船的铜护套的腐蚀的研究, 试图用锡、铁和锌对铜进行保护, 并将铁和锌对铜的保护列在1824年发表的报告中, 这就是现代腐蚀科学中阴极保护的起点。

戴维的学生米·法拉第于1834年发现了腐蚀电流和腐蚀量的关系。他的这一发现奠定了电化学的理论基础。

1902年K.柯恩使用外加电流成功地实现了实际的阴极保护。1906年卡尔鲁赫公务工程经理赫伯特·盖波特建起了第一座阴极保护站, 用一台容量为10V/12A的直流发电机保护电车轨道电场内300m的煤气和供水管道, 并于1908年获得德国专利。1913年秋, 在日内瓦召开的金属学会大会上命名这一方法为“电化学保护”。R.J.柯恩, 于1928年在新奥尔良州一条长距离输气管道上安装了第一台阴极保护整流器。他通过试验发现, -0.85V (相对饱和铜/硫酸铜电极) 的电位足以防止各种形式的腐蚀。1928年柯恩在国家标准局华盛顿防腐大会上报告了他的实验的重要价值, 为阴极保护进入现代技术奠定了基础。

1936年美国成立了中部大陆阴极保护协会。这个协会成为后来的国家腐蚀工程师协会 (NACE) 的基础。

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20世纪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。20世纪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。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。

2 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。

2.1 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。

为了达到有效保护, 牺牲阳极不仅在开路状态有足够负的开路电位, 而且在闭路状态有足够的闭路电位。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。

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, 加工容易, 价格便宜。

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。

2.2 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。

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。

2.3 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。

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;

(6) 经济性。

摘要：对天然气的测量是为了得到准确的气体流量, 为生产优化, 贸易结算, 输运等提供计量依据。

关键词：关键词:牺牲阳极法,强制电流法,电化学保护

参考文献

[1]W.V.贝克曼著, 胡士信译.阴极保护手册[M].北京:人民邮电出版社, 1990.

山区阴极保护系统施工质量控制 篇8

1.1 普光阴极保护概况

该阴极保护系统共设有6座阴极保护站, 共同保护73Km管道, 在进出站处安装绝缘法兰, 用于站场内外之间的电绝缘, 同时为了保障各段管线之间的电连续性, 在绝缘法兰外侧设置跨接电缆防爆接线性。设置33个智能测试桩, 用于保护电位的测量, 在测试桩处安装有酸气管线与燃料气管线的跨接电缆, 进一步保障电连续性;阴极保护站设置输出信号及管道沿线保护电位, 接入站控室PLC和线路截断阀室RTU, 再上传至净化厂阴极保护智能监测系统服务器, 进行数据处理、分析、报警。

1.2 投运后出现的问题

阴极保护全面投运之后, 对所有测试桩进行电位测试, 在33个测试桩中, 只有3个能到到保护要求, 电位在-0.85—-1.15V之间, 其余均低于-0.85V。

2 原因查找与整改措施

2.1 检查项目

开展了环境调、管道保护电位、自然电位测量、密间隔电位测量、绝缘设施检测、阴极保护站检测、阳极地床检测、杂散电流测试、土壤电阻率测试、土壤氧化还原测定、土壤介质参数及理化分析、防腐层绝缘电阻率评估、管道防腐层缺陷检测等13项内容的检查。

2.2 检查出问题

座阴极保护站阳极地床损坏;有5座集气站存在漏电现象;所有阀室全部存在漏电现象, 漏电点主要存在于阀室管线穿墙套管, BV阀阀体接地线, BV阀内控制线均接地, BV阀放空管线与引压管直接与墙体相接触, 导致漏电;阳极接线箱、汇流箱、跨接箱电缆头铜鼻制作均有虚接与生锈现象;绝大部分穿跨越存在漏电现象;管道防腐层存在破损点, 导致漏电。

2.3 分析问题所在原因

根据以上问题, 分析保护电位达不到标准要求的原因主要有, 一是设计方面原因, 例如阀门阀体存在接地线等。二是施工方面原因施工方面原因, 例如穿跨越处漏电, 由于施工不注意, 导致防腐层破损, 造成管道金属木材直接与穿跨越支架接触, 造成漏电。三是后期维护不利。例如, 电缆铜鼻头生锈, 造成电连续性不良。

2.4 整改措施及结果

2.4.1 站场阀室阴极保护电流泄漏问题

先将29个阀室电器阀接地系统全部断开。在断开接地系统前后, 记录管道对接地网电阻数据, 如果接地系统断开前后阻值增大, 则说明管道与接地网已经断开。如果没有变化, 则证明管道与接地网间还存在其它连接, 继续检查套管与管道的绝缘性能。29个阀室均采用此方法逐个排查, 直至管道对接地网电阻大于30欧姆。

2.4.2 管线跨越段存在漏电现象问题解决

由于管道与跨越架接触点的防腐层已破损, 建议在跨越架管线固定卡与管线之间加装绝缘衬垫的方式解决, 保证管道与支架之间的电绝缘

2.4.3 长效参比电极失效的问题

由于长效参比电极为一体化封装无法维修, P301站重新安装埋设长效参比电极, 参比电极埋设位置为管道零位焊接点附近。

2.4.4 阳极接线箱、汇流箱、跨接箱电缆头铜鼻制作有虚接

按电力标准规范“多股铜芯电缆接头制作”, 电缆接头应采用铜管液压钳接、烫锡方式重新制作;因本地区气候潮湿, 为防止裸露金属在空气中再次氧化, 电缆接头重新制作、端子固定安装后用106硅脂涂覆。

3 设计和施工质量控制

3.1 设计方面

3.1.1 去除阀门接地线

将阀门本体接地线去除、阀门控制线接地去除。

3.1.2 在穿跨越以及阀室套管处增加绝缘措施

在穿跨越与管道接触地方增加绝缘胶皮, 进一步增强绝缘性, 在阀室套管与管道连接处, 除了保障防腐层良好性以外, 还增加了绝缘胶皮。

3.1.3 信号传输方面改进

由485通讯方式调整为硬接线方式, 增强稳定性。

3.2 施工质量控制

3.2.1 阳极地床质量控制

严格按照要求埋设阳极地床, 控制埋设深度, 设计要求垂直埋深不低于2米, 在挖好作业坑后, 采用米尺测量深度, 控制埋深最低2米, 最高不超过2.5米;在每一根阳极周围敷设好焦炭填包料, 并均匀敷设;测试每一根阳极电阻, 并对总电阻进行计算, 确保电阻小于1欧姆。

3.2.2 铝热焊点质量控制

铝热焊点较多, 有跨接处铝热焊、测试桩处铝热焊、汇流点处铝热焊等。首先去除要焊接处防腐层, 然后采用打磨机仔细打磨, 既不损坏管道又保障焊接处木材光滑, 无锈蚀油渍, 完毕之后立即焊接;焊接时严格控制质量, 焊接完毕之后用1Kg铜锤进行测试, 确保不存在虚焊现象, 焊接牢固;焊接合格后, 采用环氧树脂以及热缩套做好防腐, 杜绝出现漏电现象。

3.2.3 接线质量控制

严格控制每一处接线质量, 包括跨接电缆防爆接线箱、汇流点防爆解像与测试桩内部电缆连接, 连接完毕实施手工检验, 避免虚接现象, 同时采用106胶涂敷在接线端子上, 避免以后出现因潮湿而锈蚀情况。

3.2.4 电绝缘控制

对绝缘接头绝缘安装质量开展检测, 一是在未安装之前采用兆欧表检测每一个绝缘接头的电阻, 控制其电阻值在10兆欧之上;二是安装之后采用ZC-8复测每一个绝缘接头电阻, 保障其电阻值在10兆欧之上;三是阴极保护站投运后, 采用电位法测试绝缘接头两端电位, 根据标准提供的计算公式进行计算, 确保合格。

3.2.5 穿跨越控制

为保障穿跨越处不存在漏电情况, 在管线与穿跨越之间安装绝缘胶皮, 自穿跨越建成后就开始巡查, 在其上安装管道时, 现场查看, 安装完毕之后, 进行检查并测试管道与穿跨越处是否连通, 确保电绝缘。

3.2.6 阀室套管绝缘质量控制

保障套管与管道之间有一定距离, 在管道穿进套管内时, 多次检查套管与管道之间是否有足够的空隙 (确保不出现偏心现象) , 对空隙不够的责令整改, 并现场监督;安装胶皮时, 现场查看确保胶皮能够完全覆盖在套管与管道之间, 并测试套管与管道之间电阻大于30欧姆, 保障其不连通。

4 结束语

通过总结经验和教训, 摸清了山区阴极保护易出现问题的方面, 同时验证了相应控制措施的可行性, 对于其它山区油气田阴极保护建设也具有很好的指导及借鉴意义。

参考文献

[1]高瑾, 米琪.防腐蚀工程师必读丛书:防腐蚀涂料与涂装[M].北京:中国石化出版社, 2007[1]高瑾, 米琪.防腐蚀工程师必读丛书:防腐蚀涂料与涂装[M].北京:中国石化出版社, 2007

[2]赵炳刚, 陈群尧, 胡士信.石油工业涂料与涂装技术[M].北京:化学工业出版社, 2001[2]赵炳刚, 陈群尧, 胡士信.石油工业涂料与涂装技术[M].北京:化学工业出版社, 2001

[3]SY/T0413-2002埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准[3]SY/T0413-2002埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准

[4]GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范[4]GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范

[5]GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[5]GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法

海底管道阴极保护电位的分布 篇9

在海底管道阴极保护系统中,牺牲阳极使用较为普遍［1］。由于海底长输管道所处环境复杂,通过实际测量获取其阴极保护电位的真实分布状态非常困难,而采用计算机技术进行数值模拟,可在一定程度上弥补实际测量的不足。如采用边界元方法对船体牺牲阳极保护电位分布进行优化,确定了阳极的最佳位置［2］;采用边界元方法分析了海洋平台导管架的阴极保护电位分布,确定了牺牲阳极的数目［3］; 基于介质在稳态传导过程中的温度场分布与阴极保护电位分布所满足的方程相同,采用FLUENT软件求解温度场分布,获得了输气站场管道阴极保护电位的分布情况［4］。对于以上3 种复杂情况通过传统的理论计算方法很难获得阴极保护电位的分布。由于边界条件的选取对计算结果的影响较大［5］,以阳极开路电位与采用真实极化曲线作为边界的计算误差小于1%［6］,故在模拟中阳极边界采用开路电位。由于阴极极化过程由活化极化和浓差极化共同控制,基于Butler-Volmer极化动力学原理［7］,采用Butler -Volmer公式的推导结果作为阴极边界,通过试验获得了阴极保护参数。以往的研究中,并未考虑海底管道防腐蚀涂层的破损率对阴极保护电位分布的影响。因此,本工作将利用FLUENT软件分析海水电导率和海底管道防腐蚀涂层的破损率对阴极保护电位分布的影响,并将模拟结果与测试结果进行对比,研究结果可为海底管道阴极保护中阳极数量的选择提供理论依据。

1模型的建立

1. 1数学模型与边界条件

实际海底状况复杂,为了便于对海底管道阴极保护电位分布进行研究,通常对模型做如下简化［8］: 海底管道所处的周围介质均匀一致; 阴极保护系统处于稳态; 阴极保护电流遵守欧姆定律; 海水溶液服从电中性原理。

在海水介质中取出的微元体模型见图1。根据经典场理论,海水介质遵循欧姆定律,见式( 1)［9］:

式中Qc———电场中流过某一边界的电荷量,C

σ ———电导率,S / m

φ———电场中某一点的电势,V

A———边界区域面积,m2

x———单位长度,m

t———时间,s

当所考察微元体内部不包含源点和汇点时,由微元体左侧流入的电荷量与从右侧流出的电荷量相同。由式( 1) 推导可得海水电解质区域内电位分布所满足的方程[见式( 2) ]:

边界条件的确定: 在海底管道阴极保护系统中,采用阳极材料的开路电位作为阳极边界。考虑到阴极边界的氧浓差极化和活化极［7］,根据Butler -Volmer极化动力学原理推导获得阴极边界的表达式( 3) ( 无穷远处或海水表面采用绝缘面边界) :

式中J———实测电流密度,A/m2

E———极化电极电位,V

Ecorr———腐蚀电位,V

Jcorr———腐蚀电流密度,A/m2

JL———极限扩散电流密度,A/m2

ba———阳极塔菲尔斜率,V/dec

bc———阴极塔菲尔斜率,V/dec

1. 2 物理模型

根据海底管道较长的特点,建立了2 种不同规格的海底管道模型。模型一为了验证数值模拟结果的有效性,模型二为了研究防腐蚀涂层破损率及海水电导率对海底管道阴极保护电位分布的影响。模型一是表面没有防腐蚀涂层的裸管,尺寸为 0. 10 m × 1. 10 m,柱状阳极位于管道长度方向的中心位置,尺寸为 0. 04m × 0. 20 m; 模型二是表面有防腐蚀涂层的管道,尺寸为 1. 00 m × 600. 00 m,手镯状阳极位于管道一端100. 00 m的位置,阳极尺寸为外径1. 30 m,内径1. 10m,长度1. 00 m。阳极材料为锌基合金,开路电位取- 1. 102 V( vs Ag / Ag Cl)［10］。

模型求解: 利用FLUENT软件对海底管道进行阴极保护电位的计算和分析,步骤如下: ( 1) 采用FLU-ENT的前处理模块GAMBIT建立两种几何形状不同的物理模型。对模型一的阳极区域进行网格局部加密。将模型二中的管道分为3 段,阳极存在的位置对网格进行加密,其他位置采用扫略网格处理; ( 2) 将物理模型导入FLUENT中,选用二阶迎风离散格式。在方程组求解时,采用分离式解法; 启用能量方程,并选择能量方程的二阶迎风算法。阴极边界采用非线性边界,用UDF( 用户自定义) 进行设置,阳极边界不考虑阳极极化作用( 即设置为恒定值) 。

2 阴极保护电位测试验证

对海水中的Q235A钢进行阴极保护参数测试,结果如下: Q235A钢尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm; 电化学工作站为GAMRY,参比电极为Ag /Ag Cl。腐蚀电位Ecorr= - 0. 514 V ( vs Ag / Ag Cl) ,腐蚀电流密度Jcorr=1. 5 × 10－ 5A / m2,阳极塔菲尔斜率ba= 0. 1 V / dec,阴极塔菲尔斜率bc= 0. 1 V / dec,极限扩散电流密度JL=3. 0 × 10－ 3A / m2,电导率 σ = 5 S /m。

对海水中的Q235A钢管进行阴极保护电位测试:阴极材料为Q235A薄管道,尺寸为 0. 1 m × 1. 1 m; 阳极材料为Zn -Al -Mn合金材料,尺寸为 0. 4 m × 0. 2m; 绝缘玻璃容器尺寸为1. 20 m × 0. 40 m × 0. 50 m。阳极位于管道长度方向的中心位置,离阴极管道轴心距离为0. 25 m。整个阴极保护系统放置在3. 5% Na Cl( 质量分数) 溶液中。图2 为其测试点的布局。

3 结果与讨论

3. 1 海水电导率对阴极保护电位分布不均匀性的影响

分别取海水电导率 σ 为2,4,6,8,10 S /m、管道防腐蚀涂层的破损率为10%［11］的海底管道进行阴极保护电位分布的研究,以海底管道轴线方向为X轴,对数值计算结果进行对比分析,获得海水电导率对阴极保护电位分布的影响规律。图3 为电位分布趋势。由图3 可知: 随着海水电导率的升高,管道的阴极保护电位负向偏移,其偏移的速度随着电导率的升高逐渐减缓,最终不同电导率所对应的管道同一位置阴极保护电位的差值不再发生明显变化; 在海水电导率较低的情况下,远离阳极位置的阴极保护电位数值与靠近阳极位置的相差较大,随着海水电导率的升高,电位的差值逐渐减少,两者之间的电位差不再明显发生变化。

3. 2 防腐蚀涂层对阴极保护电位分布不均匀性的影响

图4 为防腐蚀涂层破损率为0. 8% ~ 20. 0% 和防腐蚀涂层完全脱落时阴极保护电位分布的数值计算( 计算时海水电导率 σ 取5 S /m) 。由图4 可以看出:随着管道防腐蚀涂层破损率的降低,管道阴极保护的距离急剧增加,其阴极保护电位分布趋于均匀,有认为阴极保护的有效电位分布为806 ~ 1 126 m V( vs Ag /Ag Cl)［12］; 当管道表面防腐蚀涂层完全脱落时,阴极保护长度仅为150 m; 当防腐蚀涂层的破损率为0. 8% 时,600 m长的管道均处于阴极保护的电位范围内,两相邻阳极块的阴极保护长度可以增加到1 200m。因此,工程中可以通过控制管道防腐蚀涂层的破损率达到增加管道阴极保护距离的目的。

3. 3 海底管道阴极保护电位模拟的有效性验证

取电导率 σ 为5 S /m的海水对模型一进行数值求解［13］,得到海底管道阴极保护电位的分布数据,同时对其进行了测试,表1 是用2 种方法得到的海底管道的阴极保护电位分布的结果。由表1 可知: 管道阴极保护电位分布的结果与数值计算的结果相差较小,最大相对误差为3. 29% ,这表明数值计算方法能够有效获得管道阴极保护电位的分布规律; 测试值靠近阳极的位置阴极保护电位较负,远离阳极的位置阴极保护电位较正,最大差值为31. 6 m V,这是因为在阴极保护系统中,在氧化还原反应中阴、阳极附近有离子的消耗,在浓差和电场力的共同作用下阴、阳离子分别从两极发生迁移,在远离阳极的位置,电场力较弱,离子迁移困难,管道表面的阴极保护电位相对较正。因此,可以确定实际测试的海底管道阴极保护电位分布规律与数值模拟所得规律基本一致。

4 结论

( 1) 管道防腐蚀涂层的完好率和海水电导率对海底管道阴极保护电位的分布有极大的影响。海水电导率升高,海底管道的阴极保护电位负向偏移,但偏移的速度逐渐减缓,管道阴极保护电位分布将趋于均匀; 阴极保护距离随着管道防腐蚀涂层的破损率减小而剧增,管道防腐蚀涂层的破损率越低,越有利于阴极保护电位的均匀分布。当管道防腐蚀涂层的破损率为0. 8% 时,在牺牲阳极的阴极保护方式下,施加单个手镯状阳极就能够对长度为600 m的管道进行有效保护。

( 2) 利用FLUENT建立的物理模型能够有效地模拟海底管道阴极保护电位的分布。模拟电位分布与实测的最大相对误差仅为3. 29% ,两者的吻合性良好。数值计算方法能够为阴极保护电位分布的研究提供可靠的依据。

摘要：海底管道将穿越不同环境的海水,海水的电导率和管道本身防腐蚀涂层的完好率,将极大地影响海底管道阴极保护电位的分布,而实测又受到多种因素的限制。为了准确地获取其真实分布状态,建立了海底管道阴极保护电位分布的数学模型,采用FLUENT软件对海底管道阴极保护电位进行模拟计算,研究了不同海水电导率和管道涂层破损率对管道阴极保护电位分布的影响。结果表明:模拟计算结果与实际测量结果吻合良好;阴极保护电位随海水电导率的升高而降低;管道涂层的破损率越低,越有利于阴极保护电位的均匀分布。