阴极保护工程技术手册-基础知识

阴极保护工程技术手册---基础知识篇一、阴极保护简介：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。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。实现这一目的的方法有两种：一种是牺牲阳极阴极保护，一种是外加电流阴极保护。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电位下。此方法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。外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从阳极体经过土壤流向被保护金属，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。二、阴极保护相关定义：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-0.4V～0.7V(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。2、保护电位：保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止时所需要的电位值。3、保护电流密度：保护电流密度系指被保护构筑物单位面积上所需的保护电流。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/m2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。5、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”。6、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。三、阴极保护材料-《牺牲阳极》1、镁阳极：镁的密度为１.74ｇ/cm3，开路电位：-1.56V，但土壤中电流效率低，只有50％左右。标准电极电位：－2.37V，海水中的稳定电位为：-1.45Ｖ△E=0.7V在土壤电阻率小于１００Ω.m的地方可选用镁阳极。高纯镁如果加工成带状阳极，可把应用范围扩大到1170Ω.m的环境中。裸阳极带填包料阳极带状镁阳极Ｄ型镁阳极:主要应用在土壤环境中。镁阳极形状、尺寸详细数据见《阴极保护工程手册》第72页带状镁阳极形状及性能截面（A×B）9.5×19mm钢芯直径单重，kg/m3.2mm0.37电流输出海水土壤（5000Ω.cm）淡水(15000Ω.cm)2.4A/m10ｍＡ／ｍ３ｍＡ／ｍ2、锌阳极：锌的密度为7.14ｇ/cm3，开路电位：－1.03V，土壤中电流效率大于６５％△E=0.2V通常应用在小于500Ω.cm电阻率的水中。在小于15Ω.m土壤电阻率的土壤中也可用锌阳极。高纯锌通常用来制造挤压的带状阳极或作为固定参比电极、接地电池用。锌也可做成镯式阳极，主要应用在水下和海底管道上，一种是作成块状然后焊接在钢支架上形成一个圆形，还有直接做成半环状，直接扣在管道上。＞尺寸：25.4×28.5mm15.8×22.2mm12.7×14.2mm8.7×11.9mmф3.9mm锌带不加填包料的锌接地电池特殊用途：锌接地极，参比电极，接地电池，防交流干扰(《阴极保护工程手册》78页)3、铝阳极：铝的密度为2.7ｇ/cm3，开路电位：－１.05V左右，电流效率大于70%，△E=0.25V通常应用在小于150Ω.cm电阻率的水中，铝阳极通常不在土壤中使用。各种牺牲阳极的规格可以参照《阴极保护工程手册》第71页〉储罐用铝阳极铝合金阳极牺牲阳极种类的应用选择：水中土壤中可选阳极种类电阻率，Ω.cm可选阳极种类电阻率，Ω.cm铝锌镁＜150＜500＞500带状镁阳极镁（-1.7v）镁镁（-1.5V）镁（-1.5V），锌锌或AL-ZN-IN-SI＞10060-10040-60＜40＜15＜5（含CL—）阴极保护材料——《外加电流》1、可溶性金属和合金：钢铁：优点是运行时电极上析出气体很少，因而不存在“气阻”问题，因无氯气析出，所有在封闭的容器中可应用钢阳极。埋设方式：一、竖向立式埋设，横向电缆连接。二、竖向立式埋设，横向仍用钢铁（扁钢、圆钢或钢管）连接。三、深井式地床，为了起到深井阳极地床的作用，在整体形钢管阳极的上部，如15m以内，要进行防腐绝缘。钢铁阳极已很少应用，不过在高电阻率环境中，仍是首选材料。有色金属：铝的腐蚀产物无毒，无色，工作时不析出氯气，所以可以用于封闭的容器和淡水储罐中的保护。而用铝作辅助阳极，其产物还可起到一定的降垢和缓蚀作用。通常使用20mm直径的长条型挤压阳极，海水中最好用纯铝。2、整体非金属导体磁性氧化铁，本身受制造工艺的限制，现在还不能制造大型的电极，仅制作热水器等水中构筑物的电化学用辅助阳极。碳素阳极，主要是石墨阳极和碳两种。碳素回填料主要是为了避免“气阻”，延长阳极寿命。通常的冶金焦炭渣便可满足。3、部分钝化的金属和合金高硅铸铁：可单独使用也可和碳素填料一起使用，后者情况和石墨阳极情况相似。高硅铸铁的电缆接头过渡电阻小于0.01欧，脱出拉力大于阳极体自重的两倍。对于高硅铸铁可以做成预制式阳极体、深井阳极体。单支高硅铸铁预包装高硅铸铁阳极体4、完全钝化的金属镀铂钛：可以加工成各种形状。还有镀铂铌和镀铂钽两种材料形式。镀铂阳极对电流波纹很敏感，当通以50HZ交流电时，铂的表面会形成褐色的氧化物，产生铂的高腐蚀率。镀铂阳极在1KA/m2的高电流密度下应用，因阴极析氢，也会导致表面膜的破坏，原因可能是氢渗入到钛基中的后果。镀铂型阳极的基体：1、钛：在阴极保护领域中，镀铂型阳极的基体多选用钛。同样也可以做成预制阳极体和深井阳极体。2、铌和钽：价格比镀铂钛贵，但它具有良好的电导性和较高的击穿电压。这两种金属主要用于海洋构筑物中，当用于高电阻率水，需要较高激励电压的船舶上选择阳极，以及固定构筑物上阳极距离较远且电流较大时，这时选用铌就比钽经济。管状硅金属氧化物阳极预制式深井阳极体贵金属氧化物阳极带镀铂型阳极的选用：阴极保护大量应用镀铂型阳极防止与海水接触的钢构筑物的腐蚀。而在淡水中虽然镀铂阳极的溶解速度在淡水中比在海水中高出５倍，但镀铂型阳极在这一领域还是合适的。5、柔性阳极：柔性阳极用导电塑料制成，把导电塑料包覆在铜芯上，美国瑞侃公司生产带有碳粉填包的柔性阳极。强制电流的电源输出的电能约有80%消耗在阳极地床上，所以阳极的数量和敷设方式决定了系统的经济性。阳极数量少，地床电阻高、耗电量大，虽然建设费用低，但运行费用高，反之，阳极数量多，地床电阻小，耗电量减少，建设费用虽高，但运行费用低，根据设计给定的保护电流和土壤电阻率选取最佳的阳极数量。阴极保护材料介绍——《配套材料》1、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，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。参比电极根据其材质的不同分为:铜/硫酸铜参比电极（Cu/CuSO4）、锌参比（ZN）、银/氯化银参比（Ag/AgCL）,锌参比主要应用在海水中，在土壤中应用锌参比时，其土壤成分应是氯化物类型。长效硫酸铜参比电极高纯锌参比电极便携式参比电极现在阴极保护工程中通常采用硫酸铜参比电极。硫酸铜参比电极分：长效硫酸铜参比电极（单陶型和双陶型），便携式参比电极。土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位（V）被保护结构相对于不同参比电极的电位饱和硫酸铜参比电极氯化银参比电极锌参比电极饱和甘汞参比电极钢铁（土壤或水中）-0.85-0.750.25-0.778钢铁（硫酸盐还原菌）-0.95-0.850.15-0.8782、测试桩测试桩用于阴极保护参数的检测，是管道管理维护中必不可少的装置，按照测试功能沿线布设。通常测试桩每公里设置一支，电流测试桩通常5-8公里设置一支。特殊地段可根据情况增加。现在的测试桩有水泥测试桩，钢管测试桩，玻璃钢测试桩，塑料测试桩等。根据测试桩的类型分为：电位测试桩和电流测试桩，以及套管测试桩，绝缘连接测试桩，牺牲阳极测试桩及其他测试桩。普通钢管测试桩防雨型测试桩丝扣型测试桩3、锌接地电池：在交流干扰影响范围内以及雷电多发区里，为了防止强电流冲击引起的破坏，需要在绝缘装置两侧或电力接地体与管道之间装设由牺牲阳极构成的锌接地电池，这一要求在NACERP01-77和SY/T0086-95中都有规定。预包装好的锌接地电池锌接地电池内部结构它由两支或四支牺牲阳极（多采用锌阳极）用塑料垫块隔开并成双的绑在一起，阳极材料尺寸；40mm×40mm×500mm，装在填满导电性填包料的袋子里。由被隔开的牺牲阳极各引出一根导线接至相邻的两侧，一旦有强电冲击，强大的电涌将通过填料的低电阻传到另一侧，而不损坏被保护构筑物。四、牺牲阳极与外加电流阴极保护方法比较：方法优点缺点强制电流１、输出电流连续可调２、保护范围大３、不受环境电阻率影响４、工程越大越经济５、保护装置寿命长１、需要外部电源２、对邻近金属构筑物干扰大３、维护管理工作量大牺牲阳极１、不需要外部电源２、对邻近构筑物无干扰或很小３、投产调试后可不需管理４、工程越小越经济５、保护电流分布均匀，利用率高１、高电阻率环境中不宜使用２、保护电流几乎不可调３、覆盖层质量必须好４、投产调试工作复杂５、消耗有色金属排流保护极性排流１、利用杂散电流保护管道２、经济实用３、方法简单，只需简单管理４、有杂散电流时，可自动防止杂散电流腐蚀１、对其他构筑物有干扰影响２、干扰源停运时，保护体得不到保护３、易造成过负电位强制排流１、保护范围广２、电压、电流连续可调３、以干扰源的负馈线代替辅助阳极，结构简单４、干扰源停运时，保护体仍被保护５、不存在阳极干扰１、对其他构筑物有干扰影响２、需要外部电源３、排流点易过保护五、钢质构筑物所需阴极保护电流密度钢构筑物覆盖层状况保护电流密度，mA/㎡埋地管道、容器、储罐、电缆、导管塑料沥青玻璃布沥青羊毛毡0.001-0.010.01-0.050.3-7.0凯装电缆套管、接地极油浸黄麻无覆盖层3-1710-100淡水桥梁、上、下水构筑物闸门，水坝水罐，水井热交换器，锅炉良好涂覆层旧涂覆层无涂覆无涂覆0.05-0.60.5-85-13100-600海水浮标，船底航行中的船舶码头设施，浮桥，浮筒钢板桩，压载舱良好涂覆旧涂覆层旧涂覆层无涂覆层0.2-2020-100050-1000100-1000六、阴极保护参数的测量：1、测量仪器(1)、电流安培计单位安培A毫安计单位毫安mA(2)、电压伏特计单位伏特V毫伏计单位毫伏mV(3)、电阻欧姆计单位欧姆Ω兆欧计单位兆欧MΩ(4)、电功率P=VI单位mW、W、kW2、测量方法(1)、仪表应具有满足测试要求，显示速度，携带方便，耗电小，坚固耐震，按国家有关规定进行校验。(2)、提高准确度宜选用数字式仪表。(3)、直流电流表选用原则3.1、内阻应小于被测回路总电阻的5％；阴极保护基础知识3.2电流表的灵敏阀应小于被测电流值的5％；3.3电流表准确度应不低于2.5级。（4）、直流电压表选用