燃气管道阴极保护

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/T10123-2001）1.1.2防蚀意义腐蚀损失UK，Hoar,1969为13.65亿英镑3.5%GDP；US1975，700亿4.2%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2E-pH理论3极化理论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（NACERP0169-96、SY/T0036）：（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见表6-1CATHODICCORROSIONPROTECTION2.4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；（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⑴依据环境条件选用（表8-13）⑵依据保护对象选⑶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ALTERNATIVEDC-POWERSOURCESFORCATHODICPROTECTIONUNITS4.1.3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3~15mm(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5.1.1DC杂散电流判据（1）管/地电位偏移+20mV或地电位梯度大于0.5mV/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。5.1.2DC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5.2.1AC杂散电流感应影响（1）干扰源：大于110kV高压线路、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)SIGNIFICANTPARAMETERSINANALYSISOFHVACINTERFERENCEONPIPELINESElectromagneticfieldSoilresistivityWxmCoatingqualityCoatingresistanceLengthofparallelismOffsetdistanceHIGHVOLTAGEINTERFERENCEINDUCEDPIPETOSOILVOLTAGE5.2.2AC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6.5.1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-850mV7.2.3极化电位-850mV7.2.4100mV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)/S7.4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MEASUREMENTOFCURRENTDENSITYANDCOATINGRESISTANCECATHODICPROTECTIONOFPIPELINES7.5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乘积。——单位：Ωm2。——测量方法的区别——NACETM0102《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。•NACETM0102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8.1.1.1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