阴极保护原理及维护

阴极保护原理及维护2016年3月14日目录一、阴极保护原理二、牺牲阳极阴极保护三、外加电流阴极保护四、阴极保护效果判断五、阴极保护测试方法六、阴极保护日常维护七、杂散电流干扰腐蚀八、恒电位仪故障判断一、阴极保护原理1.腐蚀的原因将金属放入电解质后，金属不同的部位，电极电位是不同的，从而形成腐蚀电池。电极电位的不同是金属自身或环境状况不同所引起的。-0.5V-0.6V电流e管道阳极阴极2.发生腐蚀的4个条件（1）阳极和阴极必须同时存在，（阳极、阴极组成腐蚀电池）；（2）阴、阳极之间必须有电位差；（3）阴、阳极之间必须有电气连接；（4）阴、阳极必须处于电解质中。去除四个条件中的任何一个，腐蚀就会停止。3.防腐层从理论上讲，如果防腐层是完整、无缺陷的，那么，防腐层自己就可以完成防腐任务。然而，要做到防腐层无缺陷，实际上是很困难或不经济的。因此，防腐层与阴极保护的结合，99%的防腐任务由防腐层承担、阴极保护对防腐层缺陷处进行保护，是最经济、有效的防腐措施。4.阴极保护原理强制电流从周围电介质中流向被保护结构表面，使金属表面全部处于阴极状态，就可抑制阴极区金属表面电子释放。施加的电流越大，产生的阴极极化越强。电流e管道阳极阴极-0.5V-0.6V4.阴极保护原理强制电流从周围电介质中流向被保护结构表面，使金属表面全部处于阴极状态，就可抑制阴极区金属表面电子释放。施加的电流越大，产生的阴极极化越强。电流管道阳极阴极-0.6Ve-0.5V-0.6Ve4.阴极保护原理强制电流从周围电介质中流向被保护结构表面，使金属表面全部处于阴极状态，就可抑制阴极区金属表面电子释放。施加的电流越大，产生的阴极极化越强。电流管道阳极阴极e-0.8V-0.8Ve5.阴极保护途径实现阴极保护有两个途径，即：外加电流和牺牲阳极阴极保护。6.阴极保护须具备的条件从技术可行性上讲，阴极保护必须具备三个使用条件：1.管道纵向连续导电，确保阴极保护电流畅通，是阴极保护的必要条件之一。法兰、丝扣部位需要电缆跨接。2.具有足够绝缘电阻的管道覆盖层。覆盖层的主要作用是隔离土壤介质，阻止形成腐蚀电池。覆盖层绝缘电阻愈大，需要的阴极保护电流愈小。3.管道与其他非保护构筑物之间电绝缘。电绝缘可以防止阴极保护电流流失，减轻杂散电流干扰等。二、牺牲阳极阴极保护1.牺牲阳极阴极保护原理根据金属在电动势序列中相对位置的不同，当将两种金属连接在一起，并处于同一电解质中时，电流将从较活性的金属流向较惰性的金属，为较惰性的金属提供保护。由于离子的溶解速度低于电子的移动速度,所以,阳极的电位正向偏移，管道电位负向偏移。2.牺牲阳极材料与埋设常用的牺牲阳极材料有三类：镁和镁合金、锌和锌合金、铝和铝合金。榆济线设计时对于站内埋地管线采用镁合金牺牲阳极保护。牺牲阳极可以单独埋设，也可以成组埋设。3.牺牲阳极保护优缺点优点:不需外部电源，应用灵活、易于安装、运行维护简单.对附近非保护金属构筑物无干扰。缺点:输出电流小（一般小于1A)、仅用于保护电流需求小的场合。驱动电压低，运行电位不可调，受环境因素影响较大，仅用于低土壤电阻率环境。4.牺牲阳极接线箱5.回填料如果直接将阳极埋设在土壤中，由于土壤成分的不同，会加剧阳极的自身腐蚀，并使阳极消耗不均匀。填料可以吸收、保持水分，降低阳极接地电阻，提高阳极效率，保证阳极表面均匀消耗。榆济线设计时填包料厚度大于100mm，填包料配方是:石膏粉：膨润土：工业硫酸钠=75：20：5（质量百分比）三、外加电流阴极保护1.外加电流阴极保护原理利用外部电源和辅助阳极地床迫使电流通过辅助阳极从周围介质中流向被保护结构，从而消除腐蚀。管道阳极管道阳极1.外加电流阴极保护原理榆济线设计时，外部电源用的就是恒电位仪，辅助阳极用的深井阳极地床。阳极地床距被保护结构一定距离，恒电位仪的正极与阳极地床连接，负极与管道连接。电流通过阳极地床进入土壤，然后通过土壤到达管道。管道辅助阳极2.恒电位仪榆济线用的是IHF数控高频开关恒电位仪，注意的几点：（1）恒电位仪正常情况下应保持恒电位运行状态，在出现故障后可暂时恒电流运行。（2）在恒电位出现故障时，自动切换到恒电流工作状态，并恒定在预先设定的电流值上。（3）在恒电位输出的状态下，整流电源自动调节输出电压、电流，使管/地电位维持在设定值。（4）控制室一般二台恒电位仪，一台作为工作机，一台为备用机。工作一段时间后（如一个月）更换运行，以延长仪器的使用寿命。2.恒电位仪榆济线用的是IHF数控高频开关恒电位仪，注意的几点：（5）电位超限报警：如果控制电位超过预置电位±50mV时，仪器显示电位超限报警，液晶屏状态栏显示“R”。（6）电流超限报警：如果输出电流超过额定电流的105％时，仪器显示电流超限报警，液晶屏状态栏显示“C”。（7）电压超限报警：如果输出电压超过额定电压的105％时，仪器显示电压超限报警，液晶屏状态栏显示“V”。（8）温度过高报警：如果机内温度过高，系统将由于温度保护而自动停机，停机同时，仪器显示温度过高报警，液晶屏状态栏显示“T”。2.恒电位仪3.阴极保护原理接线图4.汇流点接线箱5.辅助阳极榆济线辅助阳极用的是深井阳极地床，设计井深在50米。深井阳极用分段预制式阳极体，阳极体由贵金属氧化物阳极、焦炭填料和套管组成。贵金属氧化物阳极基体材料采用工业纯钛。一座阳极井安装3支阳极体，1支阳极体长6m，内置3支贵金属氧化物阳极，并填充焦炭填料，外用带有网状透水孔的钢套管包裹。焦炭填料作用：（1）增大阳极与土壤的接触面积，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。6.深井阳极地床设计图7.阳极接线盒8.绝缘法兰作用：限制阴极保护电流在指定的范围内，与其他金属结构或环境进行电气绝缘，防止阴极保护电流的散失，使系统得到有效阴极保护。场站、阀室进出站都装有绝缘法兰。由于绝缘法兰两侧的电位差，会对管道产生干扰，加速腐蚀，所以绝缘法兰两侧10m内，管道外表面作特别加强级防护。8.绝缘法兰9.绝缘接头测试箱9.绝缘接头测试箱9.绝缘接头测试箱10.接地电池为了防止高压电涌及强电以外作用对绝缘接头的损坏，在绝缘接头处设置接地电池。榆济线设计的为双锌棒接地电池。结构如下：四、阴极保护效果判断1.阴极保护电位包括1.腐蚀电位（自然电位）：将金属放入电解液中，金属与参比电极之间的电位。2.阴极极化:由于电解液与电极之间电流的流动而导致的电极腐蚀电位的偏移。3.极化电位:结构与电解液接触面之间的电位，它是腐蚀电位与阴极极化之和。4.通电电位：在阴极保护系统正常工作的情况下测量的管道/地电位，其中包括极化电位与IR降。IR降：由于阴极保护电流在土壤中流动，在土壤电阻上产生的电压降。5.瞬时断电电位：在切断阴极保护电源1秒中之内测量的管/地电位。1.阴极保护电位包括V1:腐蚀电位(自然电位),V2：阴极极化；V1+V2:极化电位(瞬时断电电位),V=V1+V2+IR：通电电位管道阳极V参比电极V1V2IR2.充分阴极保护的判断指标GB/T21447-2008《钢质管道外腐蚀控制规范》中规定正常情况下的阴极保护效果应达到下列任意一项或全部指标：a)在施加阴极保护时，测得的管道/电解质电位达到-850mV或更负（相对饱和硫酸铜参比电极，以下简称CSE）。测量电位时，必须考虑消除IR降的影响，以便对测量结果做出准确的评价。b)管道极化后电位达到-850mV或更负（相对CSE）。c)在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护管道表面与土壤接触、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mV3.过保护防腐是否成功，取决于阴极保护电位，阴极保护电位过正，不能达到充分保护；阴极保护电位过负，将破坏防腐层：过量阴极保护会使涂层产生剥离。GB/T21448-2008要求，阴极保护状态下管道的极限保护电位（即管地界面极化电位）不能比-1200mV（CSE）更负。五、阴极保护测试方法1.通电电位（1）测量前，应确认阴极保护运行正常，管道已充分极化。（3）测量时，将硫酸铜电极放置在管顶正上方地表的潮湿土壤上，应保证硫酸铜电极底部与土接触良好。（3）电压表的负接线柱（COM）与硫酸铜电极连接，正接线柱（V）与管道连接。2.自然电位对已实施过阴极保护的管道宜在完全断电24h后进行。新建管道自然电位一般在–0.5V至–0.7V,之间。3.断电电位利用阴极保护设备固有同步通断功能，使同一相关管段上所有阴极保护电源同步工作在12秒通、3秒断状态，人工在断电周期内测量的管/地电位为瞬时断电电位。读数时间一般为断电后0.5秒-1秒之间。4.极化探头法1)将试片回填，试片埋深及回填状态与管道相同。2)将试片与管道连通，试片充分极化。3)测量中，试片与数字万用表的正极连接，硫酸铜电极与数字万用表的负极连接。4)将试片与管道断开，立即测量并记录相对于对硫酸铜电极的断电电位。此过程应尽可能快，以避免试片的去极化。管道试片V参比电极4.极化探头法5.牺牲阳极开路电位1)测量前，应断开牺牲阳极与管道的连接。2)测量中，按图中的测量接线方式，将数字万用表的正极与牺牲阳极连接，负极与硫酸铜电极连接。6.牺牲阳极保护电位管道保护电位的测量将牺牲阳极与管道连通，测量的管道电位为管道保护电位。GB/T21448-2008要求用远参比法。将硫酸铜电极朝远离牺牲阳极的方向逐次安放在地表上，第一个安放点距管道测试点不小于20m，以后逐次移动5m。将数字万用表调至适宜的量程上，读取数据，作好电位值和极性记录，当相邻两个安放点测试的管地电位相差小于2.5mV时，参比电极不再往远方移动，取最远处的管地电位值作为该测试点的管道对远方大地的电位值。7.阳极接地电阻的测量测量前，必须将牺牲阳极与管道断开，然后按图中所示的接线图沿垂直于管道的一条直线布置电极，d13约40m，d12取20m左右，转动接地电阻测量仪的手柄，使手摇发电机达到额定转速，调节平衡旋钮，直至电表指针停在黑线上，此时黑线指示的度盘值乘以倍率即为接地电阻值。8.土壤电阻率测量土壤电阻率的测量通常采用四极法，工具使用接地电阻测量仪，它是在地表面沿直线方向均布四支电极，电极间距一般为管道埋深。在外侧两个电极上输入电流，在内侧两支电极上测量电压降，记录表显电阻R值并计算土壤电阻率。土壤电阻率按下式计算：P=2x3.14xaxR:a:电极之间的距离R:仪表测得的电阻值P:深度为a地层土壤电阻率。8.土壤电阻率测量六、阴极保护日常维护1.运行管理要求外防腐涂层和阴极保护联合保护是管道防腐的主要手段，阴极保护系统一经运行，要确保阴极保护通电率98%，阴极保护达标率100%。恒电位仪通电电位设置应使管道保护电位达标：-0.85V～-1.15V(CSE)；上述电位均应为不包含IR降的真实管地电位。阴极保护电位的测量每月进行一次，通过管道沿线每公里埋设的电位测试桩，测量所辖管道的保护电位。1.运行管要求2.阴极保护参数测量在进行保护电位测量时，有时会发现，在离开汇流点一段距离的地方测量电位比汇流点处还要负。解释如下：汇流点附近，有短路接地或防腐层有大漏点，造成在汇流点处测量时，电位较正。而离开汇流点一段距离后，接地、防腐层的漏点对电位的影响减弱。测量到的电位更负一些。1.运行管要求3.阳极地床维护如果深井阳极失效，修复的可能性很小。在有些情况下，由于气阻造成的阳极地床接地电阻增大可以通过沿排气管注入空气和水的方式来解决。4.绝缘接头的维护应当对绝缘接头进行检测，保证其具有良好的绝缘性。可以通过测量绝缘接头两侧的电位来判断绝缘接头的绝缘性能。非阴极保护侧的电位要比保护侧电位正许多。检测时，要拆掉锌接地电池。1.运行管要求5.测试桩、跨接线维护测试桩必须保证与管道完好的电气连接及桩体、测试部位完好，对断线等缺陷及时修复。如果电位测量时发现电位很正，多半是电缆与管道断开，应当尽快修复。跨接线接线要正确，避免接线错误导致的短路情况。七、杂散电流干扰腐蚀1.杂散电流定义杂散电流是沿规定路径之外的途径流动的电流，它在土