阴极保护原理讲义

第一章绪论第二章阴极保护基本原理第三章阴极保护主要参数第四章阴极保护准则第五章牺牲阳极保护阳极材料第六章外加电流阴极保护阳极材料第七章辅助阳极的选择第八章恒电位仪操作规定第九章阴极保护参数的测量第十章阴极保护的运行管理第十一章阴极保护中的几个屏蔽问题第十二章阴极保护站常见故障处理第一章绪论一、腐蚀的危害1、阻碍新技术的发展2、造成巨大的经济损失3、造成设备的破坏事故4、金属资源和能源的浪费腐蚀的定义1：我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀。腐蚀的定义2：金属材料和周围环境发生化学或电化学的作用而破坏。腐蚀过程的本质：金属→金属化合物二、腐蚀的定义六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。三、防腐蚀工程发展概况我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。第二章阴极保护基本原理一、腐蚀电位或自然电位腐蚀电位（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，阴极区得到电子受到保护。二、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。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）-0.95-0.850.15-0.878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。三、阴极保护有两种办法可以实现这一目的：1、牺牲阳极阴极保护2、外加电流阴极保护1、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。特点：该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰。应用：保护小型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。阴极阳极I阳极牺牲牺牲阳极保护原理图2、外加电流阴极保护：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。应用：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。外加电流阴极保护原理外加电流阴极保护示意图电流关系:ⅠIcⅠ＝ⅠIcⅠ-Ia外加电流阴极保护阳极区阴极区腐蚀金属阴极阳极IcorIaIc腐蚀电池－＋I直流电源辅助阳极阴极阳极辅助阳极I－－＋IcIaIaI-第三章阴极保护主要参数1、自然电位金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的腐蚀电位。影响自然电位因素：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～－0.7VCSE（硫酸铜参比电极）之间，在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般新管道设计阴极保护时取平均值－0.55V。2、最小保护电位：金属达到完全保护所需要的、绝对值最小的负电位值（相对于CSE为－0.85V)。3、最大保护电位：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(相对于CSE为－1.25V)。（在阴极保护条件下，允许绝对值最大的负电位值）超过最大保护电位时称为过保护。过保护对管道的影响：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。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。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秒中之内读取的结构对地电位。由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构，所测电位为结构的实际极化电位，不含IR降（介质中的电压降）。第四章阴极保护准则1、“在通电的情况下，埋地钢铁结构最小保护电位为-0.85VCSE或更负，在有硫酸盐还原菌存在的情况下，最小保护电位为-0.95VCSE，该电位不含土壤中电压降（IR降：电流在介质中流动所造成的电阻压降）”。2、瞬时断电电位与自然电位之差不得小于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。3、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－1.10VCSE。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－1.1VCSE，通电电位再大也没有关系。第五章牺牲阳极保护阳极材料1、镁牺牲阳极：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-1.75VCSE，低电位镁阳极的电位为-1.55VCSE。2、锌牺牲阳极：锌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－1.1VCSE。3、铝牺牲阳极：大多用于海水环境金属结构或原油储罐内底板的阴极保护。其电极电位为-1.05VCSE。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。带状阳极的一般规格为19x9.5mmx305m每卷。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壤，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。填料作用：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。第六章外加电流阴极保护阳极材料辅助阳极：与强制电流电源的正极相连，仅限于导电为目的的电极，是外加电流系统中的重要组成部分。作用：将保护电流经过介质传递到被保护结构物表面上。阳极地床：是由辅助阳极和其周围的填充碳质回填料而构成。1、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。2、目前主要使用的几种阳极材料及性能废钢铁阳极：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8.4kg/A.a，使用寿命较短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。石墨阳极：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。石墨阳极价格较低，并易于加工，但软而脆，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。高硅铸铁阳极：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，具有良好的导电性能。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。第七章辅助阳极的选择辅助阳极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。1、辅助阳极埋设位置的选择输管道的干线上：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。选择阳极安装的位置的原则：(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。2、辅助阳极的结构1.1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。(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。(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。(2)水平式阳极:将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中。2.2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。优点:接地电阻小，对周围干扰小，消耗功率低，电流分布比较理想。缺点: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。3、阳极地床填料(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。4、接地电阻目前接地电阻一般不大于1欧左右。第八章恒电位仪操作规定一、恒电位仪使用保养1、恒电位仪要保持性能良好，能够正常开机，并保持输出电流正常无杂音，各部位无锈蚀、灰尘，机壳表面完好明亮。2、经常检查电路输入、阳极和阴极输出线、参比电极是否接触良好，是否有干涸，每月检查一次，每季度测阳极地床电阻一次。二、KHL-30/40可控硅恒电位仪（一）操作注意事项：1、安装、接线等作业，请务必在切断全部电源后进行；2、清扫及拧紧端子须在关闭电源后进行，以防短路及触电；3、更换控制板或元器件时须在关闭电源后进行，以防损坏设备。（二）性能参数：输入电压：220±10%VAC，50HZ电位控制精度：≤±5mV参比电极：使用任意长效电极，极化电位-3V~3V任选（三）使用说明KHL-30/40型可控硅恒电位仪的使用，请遵照以下步骤进行：1、连接电缆打开装置的后盖板，将准备好的电缆按接线端子上的标识，一一对应接好，接线端子图如下：说明：交流输入端子：交流220V电源进线；输出正端和输出负端：是恒电位仪的直流输出端，它接阳极和管道（阴极）；零位：是参比电极的参考零位，接在管道阴极上；参比：是参比电极给出的参比电位，接参比电极。2、操作方法：手动方法和自动方法2.1手动方式手动方式主要用于检查、调试以及阴极初始极化时使用，其操