陰極保護工作原理.doc

陰極保護基本原理內(nèi)容：一、腐蝕電位或自然電位每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位）。腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子，我們稱失去電子的部位為陽極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(qū)由于失去電子（如，鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕而陰極區(qū)得到電子受到保護。相對于飽和硫酸銅參比電極(CSE)，不同金屬的在土壤中的腐蝕電位（V）金屬電位（CSE）高純鎂-1.75鎂合金(6%Al，3%Zn，0.15%Mn)-1.60鋅-1.10鋁合金(5%Zn)-1.05純鋁-0.80低碳鋼(表面光亮)-0.50to-0.80低碳鋼(表面銹蝕)-0.20to-0.50鑄鐵-0.50混凝土中的低碳鋼-0.20銅-0.20在同一電解質(zhì)中，不同的金屬具有不同的腐蝕電位，如輪船船體是鋼，推進器是青銅制成的，銅的電位比鋼高，所以電子從船體流向青銅推進器，船體受到腐蝕，青銅器得到保護。鋼管的本體金屬和焊縫金屬由于成分不一樣，兩者的腐蝕電位差有時可達0.275V，埋入地下后，電位低的部位遭受腐蝕。新舊管道連接后，由于新管道腐蝕電位低，舊管道電位高，電子從新管道流向舊管道，新管道首先腐蝕。同一種金屬接觸不同的電解質(zhì)溶液（如土壤），或電解質(zhì)的濃度、溫度、氣體壓力、流速等條件不同，也會造成金屬表面各點電位的不同。二、參比電極為了對各種金屬的電極電位進行比較，必須有一個公共的參比電極。飽和硫酸銅參比電極，其電極電位具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，構(gòu)造簡單，在陰極保護領(lǐng)域中得到廣泛采用。不同參比電極之間的電位比較：土壤中或浸水鋼鐵結(jié)構(gòu)最小陰極保護電位（V）被保護結(jié)構(gòu)相對于不同參比電極的電位飽和硫酸銅氯化銀鋅飽和甘汞鋼鐵（土壤或水中）-0.85-0.750.25-0.778鋼鐵（硫酸鹽還原菌）-0.95-0.850.15-0.878三、陰極保護陰極保護的原理是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實現(xiàn)這一目的，即，犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。1、犧牲陽極陰極保護是將電位更負的金屬與被保護金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護金屬上去，使整個被保護金屬處于一個較負的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少產(chǎn)生腐蝕干擾，廣泛應(yīng)用于保護小型（電流一般小于1安培）或處于低土壤電阻率環(huán)境下（土壤電阻率小于100歐姆.米）的金屬結(jié)構(gòu)。如，城市管網(wǎng)、小型儲罐等。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料的報道，對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓，認為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年，最多5年。犧牲陽極陰極保護失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。本人認為，產(chǎn)生該問題的主要原因是陽極成份達不到規(guī)范要求，其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設(shè)計犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)時，除了嚴格控制陽極成份外，一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。2、外加電流陰極保護是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤中流向被保護金屬，使被保護金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境。該方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長輸埋地管道，大型罐群等。陰極保護的運行管理內(nèi)容：一、陰極保護投入前的準備和驗收(一)陰極保護投入前對被保護管道的檢查1、管道對地絕緣的檢查從陰極保護的原理介紹，已得知沒有絕緣就沒有保護。為了確保陰極保護的正常運行，在施加陰極保護電流前，必須確保管道的各項絕緣措施正確無誤。應(yīng)檢查管道的絕緣法蘭的絕緣性能是否正常；管道沿線布置的設(shè)施如閥門、抽水缸、閘井均應(yīng)與土壤有良好的絕緣；管道與固定墩、跨越塔架、穿越套管處也應(yīng)有正確有效的絕緣處理措施。管道在地下不應(yīng)與其它金屬構(gòu)筑物有“短接”等故障。管道表面防腐層應(yīng)無漏敷點，所有施工時期引起的缺陷與損傷，均應(yīng)在施工驗收時使用DCVG檢漏儀檢測，修補后回填。2、管道導(dǎo)電性檢查對被保護管道應(yīng)具有連續(xù)的導(dǎo)電性能。3、舊管道對地絕緣狀態(tài)的檢查，應(yīng)按設(shè)計要求處理。對是否修補防腐涂層，排除接地故障(如防靜電接地極等)，應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟條件比較確定。對管道導(dǎo)電性的檢查，仍需按前述要求進行。(二)對陰極保護施工質(zhì)量的驗收1、對陰極保護間內(nèi)所有電氣設(shè)備的安裝是否符合電氣設(shè)備安裝規(guī)程的要求，各種接地設(shè)施是否完成，并符合圖紙設(shè)計要求。2、對陰極保護的站外設(shè)置的選材、施工是否與設(shè)計一致。對通電點、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應(yīng)嚴格符合規(guī)范要求。尤其是陽極引線接正極，管道匯流點接負極，嚴禁電極接反。3、圖紙、設(shè)計資料齊全完備。二、陰極保護投入運行1、 組織人員測定全線管道自然電位、土壤電阻率、各站陽極地床接地電阻。同時對管道環(huán)境有一個比較詳盡的了解，這些資料均需分別記錄整理，存檔備用。2、陰極保護站投入運行按照直流電源(整流器、恒電位儀、蓄電池等)操作程序給管道送電，使電位保持在-1.30伏左右，待管道陰極極化一段時間(四小時以上)開始測試直流電源輸出電流、電壓、通電點電位、管道沿線保護電位、保護距離等。然后根據(jù)所測保護電位，調(diào)整通電點電位至規(guī)定值，繼續(xù)給管道送電使其完全極化(通常在24小時以上)。再重復(fù)第一次測試工作，并做好記錄。若個別管段保護電位過低，則需再適當調(diào)節(jié)通電點電位至滿足全線陰極保護電位指標為止。3、保護電位的控制各站通電點電位的控制數(shù)值，應(yīng)能保證相鄰兩站間的管段保護電位達到-0.85伏，同時，各站通電點最負電位不允許超過規(guī)定數(shù)值。調(diào)節(jié)通電點電位時，管道上相鄰陰極保護站間加強聯(lián)系，保證各站通電點電位均衡。4、當管道全線達到最小陰極保護電位指標后，投運操作完畢。各陰極保護站進入正常連續(xù)工作階段。三、陰極保護站的日常維護管理1、陰極保護設(shè)施的日常維護電氣設(shè)備定期技術(shù)檢查。電氣設(shè)備的檢查每周不得少于一次，有下列內(nèi)容：1)檢查各電氣設(shè)備電路接觸的牢固性，安裝的正確性，個別元件是否有機械障礙。檢查接接陰極保護站的電源導(dǎo)線，以及接至陽極地床、通電點的導(dǎo)線是否完好，接頭是否牢固。2)檢查配電盤上熔斷器的保險絲是否按規(guī)定接好，當交流回路中的熔斷器保險絲被燒毀時，應(yīng)查明原因及時恢復(fù)供電。3)觀察電氣儀表，在專用的表格上記錄輸出電壓、電流、通電點電位數(shù)值，與前次記錄(或值班記錄)對照是否有變化，若不相同，應(yīng)查找原因，采取相應(yīng)措施，使管道全線達到陰極保護。4)應(yīng)定期檢查工作接地和避雷器接地，并保證其接地電阻不大于10歐姆，在雷雨季節(jié)要注意防雷。5)搞好站內(nèi)設(shè)備的清潔衛(wèi)生，注意保持室內(nèi)干燥，通電良好，防止儀器過熱。2、恒電位儀的維護。1)陰極保護恒電位儀一般都配置兩臺，互為備用，因此應(yīng)按管理要求定時切換使用。改用備用的儀器時，應(yīng)即時進行一次觀測和維修。儀器維修過程中不得帶電插、拔各插接件、印刷電路板等。2)觀察全部零件是否正常，元件有無腐蝕，脫焊、虛焊、損壞、各連接點是否可靠，電路有無故障，各緊固件是否松動，熔斷器是否完好，如有熔斷，需查清原因再更換。3)清潔內(nèi)部，除去外來物。4)發(fā)現(xiàn)儀器故障應(yīng)及時檢修，并投入備用儀器，保證供電。每年要計算開機率。全年小時數(shù)-全年停機小時數(shù)開機率=全年小時數(shù)3、硫酸銅電極的維護。1)使用定型產(chǎn)品或自制硫酸銅電極，其底部均要求做到滲而不漏，忌污染。使用后應(yīng)保持清潔，防止溶液大量漏失。2)作為恒定電位儀信號源的埋地硫酸銅參比電極，在使用過程中需每周查看一次，及時添加飽和硫酸銅溶液。嚴防凍結(jié)和干涸，影響儀器正常工作。3)電極中的紫銅棒使用一段時間后，表面會粘附一層蘭色污物，應(yīng)定期擦洗干凈，露出銅的本色。配制飽和硫酸銅溶液必須使用純凈的硫酸銅和蒸餾水。4、陽極地床的維護。1)陽極架空線：每月檢查一次線路是否完好，如電桿有無傾斜，瓷瓶、導(dǎo)線是否松動，陽極導(dǎo)線與地床的連接是否牢固，地床埋設(shè)標志是否完好等。發(fā)現(xiàn)問題及時整改。2)陽極地床接地電阻每半年測試一次，接地電阻增大至影響恒電位儀不能提供管道所需保護電流時，應(yīng)該更換陽極地床或進行維修，以減小接地電阻。5、測試樁的維護。1)檢查接線柱與大地絕緣情況，電阻值應(yīng)大于100千歐，用萬用表測量，若小于此值應(yīng)檢查接線柱與外套鋼管有無接地，若有，則需更換或維修。2)測試樁應(yīng)每年定期刷漆和編號。3)防止測試樁的破壞丟失，對沿線城鄉(xiāng)居民及兒童作好愛護國家財產(chǎn)的宣傳教育工作。6、絕緣法蘭的維護。1)定期檢測絕緣法蘭兩側(cè)管地電位，若與原始記錄有差異時，應(yīng)對其性能好壞作鑒別。如有漏電情況應(yīng)采取相應(yīng)措施。2)對有附屬設(shè)備的絕緣法蘭(如限流電阻、過壓保護二極管、防雨護罩等)均應(yīng)加強維護管理工作，保證完好。3)保持絕緣法蘭清潔、干燥，定期刷漆。7、陰極保護管理1)每條陰極保護管道，都應(yīng)制符合本管道實際情況的陰極保護運行管理規(guī)定，使陰極保護的日常測試、控制、調(diào)整、維修等方面的工作均按此進行。2)加強陰極保護的組織、領(lǐng)導(dǎo)。保持室內(nèi)設(shè)備整潔，達到無故障、無缺陷、無銹蝕、無外來物。實現(xiàn)三圖上墻，即線路走向圖、保護電位曲線圖、崗位責任制。3)陰極保護站投產(chǎn)后，電氣設(shè)備接線不得擅自改動，需要改變的應(yīng)由主管部門作出方案，經(jīng)批準后方能執(zhí)行。4)每日檢查測量通電點電位，填寫好運行日志，向生產(chǎn)調(diào)度部門匯報陰極保護站運行情況。5)陰極保護站向管道輸送電不得中斷。停運一天以上須報主管部門備案。利用管道停電方法調(diào)整儀器，一次不得超過2小時，全年不超過30小時。保證全年98以上時間給管道送電。6)保持通電點電位在規(guī)定值，沿管道測定陰極保護電位，此種測量在陰極保護站運行初期每周一次，以后每兩周或一月測量一次。并將保護電位測量記錄造表、繪圖上報主管部門。7)每年在規(guī)定時間內(nèi)測量管道沿線自然電位和土壤電阻率各一次。8)檢查和消除管道接地故障，使全線達到完全的陰極保護。四、犧牲陽極的維護管道犧牲陽極保護日常維護工作量不多，除按外加電流陰極保護的要求進行保護電位測量，測試樁維護保養(yǎng)，絕緣法蘭檢測，接地故障排除等工作外，建議每月測定各參數(shù)。據(jù)此分析管道保護狀況。若陽極性能變壞，則需采取相應(yīng)措施。五、陰極保護系統(tǒng)常見故障的分析1、保護管道絕緣不良，漏電故障的危害在陰極保護站投入運行，或犧牲陽極保護投產(chǎn)一段時間后，出現(xiàn)了在規(guī)定的通電點電位下，輸出電流增大，管道保護距離卻縮短的現(xiàn)象，或者在犧牲陽極系統(tǒng)中，犧牲陽極組的輸出電流量增大，其值已超過管道的保護電流需要，但保護電位仍達不到規(guī)定指標的現(xiàn)象。發(fā)生上述情況的原因，主要是被保護金屬管道與未被保護的金屬結(jié)構(gòu)物“短路”，這種現(xiàn)象稱之為陰極保護管道漏電，或者叫做“接地故障”。接地故障，使得被保護管道的陰極保護電流流入非保護金屬體，在兩管道的“短接”處形成“漏電點”，這就會造成陰極保護電流的增大；陰極保護電源的過負荷和陰極保護引起的干擾。另外，陽極地床斷路、陰極開路、零位接陰斷路都會導(dǎo)致陰極保護不能投保。例如：格爾木站、甘森站，93年由于陽極電纜斷路，造成陰極保護體系不能正常工作，判斷陽極地床連接電纜斷路時，可采用：(1)測輸出電流，將恒電位儀開啟，在恒電位儀陽極輸出端串上一電流表，如果電流為零，則說明有斷路現(xiàn)象。(2)將恒電位儀機后陽極輸出線斷開，接入臨時地床或其它接地裝置，若有輸出電壓、電流，則可斷定陽極地床連接線斷路。在陽極電纜與地床陽極接線處應(yīng)設(shè)置接線用水泥井或標志。2、造成管道漏電的原因(1)施工不當，交叉管道間距不合規(guī)范，即當兩條管道，一條為陰極保護的管道，另一條為未保護的管道交叉時，施工要求應(yīng)保持管道間的垂直凈距不小于0.3m，并在交叉點前后一定長度內(nèi)將管道作特別絕緣，如果施工時不嚴格按照上述規(guī)定去做，那么在管道埋設(shè)一段時間后，在土壤應(yīng)力的作用下，管道相互可能搭接在一起，會造成絕緣層破損，金屬與金屬的相連，形成漏電點。(2)絕緣法蘭失效或漏電，絕緣法蘭質(zhì)量欠佳，在使用一段時間后絕緣零件受損或變質(zhì)，使法蘭不再絕緣，從而使得兩法蘭盤側(cè)不再具有絕緣性能，陰極保護電流也就不再有限制；或者是輸送介質(zhì)中有一些電解質(zhì)雜質(zhì)使絕緣法蘭導(dǎo)通，不再具有絕緣性能。從上述原因看，漏電點只可能發(fā)生在保護管道與非保護管道的交叉點，或保護管道的絕緣法蘭處，因此查找漏電點就帶有上述局限性。但如果地下管網(wǎng)復(fù)雜，被保護管道與多條和線有交叉穿越，則使得漏電點的查找出現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象。常常要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，反復(fù)測量、多方位檢查并綜合判斷才能找到真正的漏電故障點。3、漏電點的查找(1)利用查找管道絕緣層破損點，從而確定管道的漏電點或短接點的方法。此方法首先將脈沖信號送到被測管道上，如果管道防腐絕緣層良好，流入管道的電流很弱，儀表沒有顯示。如果管道防腐層有破損，電流將從土壤中通過破損處漏入管道，電流的流動會在周圍土壤中將產(chǎn)生明顯的電位梯度。當探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時，伏特計將明顯的抖動，當伏特計指針停止抖動時，兩個參比電極的中間既為防腐層漏點位置，該方法簡便宜行，定位準確，是目前國際上公認的檢漏方法(DCVG)。(2)可利用測定管內(nèi)電流大小的方法尋找漏電點。因為無分支的陰極保護管道，管內(nèi)電流是從遠端流向通電點。當非保護管道接入后就會形成分支電路，使保護電流經(jīng)過漏電點會變小。因此，可利此法來尋找漏電點的位置。利用此法測定時，在有懷疑的管段上可依次選點，用IR壓降法或者補償法(詳見有關(guān)說明)測定管內(nèi)電流。再通過比較各點電流的大小來確定漏電點的電位。(3)絕緣法蘭漏電的測定。當絕緣法蘭漏電而導(dǎo)致陰極保護系統(tǒng)故障時，則可通過在絕緣法蘭兩側(cè)管段上，分別測量管地電位，若保護側(cè)為保護電位，非保護側(cè)為自然電位，則絕緣法蘭正常。否則，有問題存在。也可在非保護側(cè)測法蘭端部的對地電位，如此電位比非保護管道或其它金屬構(gòu)筑物的電位要負，則此絕緣法蘭漏電。測定流過絕緣法蘭的電流，也可用來判定絕緣法蘭的性能。若絕緣法蘭非保護端一側(cè)，能測出電流，則法蘭漏電；若測不出電流，絕緣法蘭不漏電。(4)近間距電位測量法CIPS.在測試樁上測量保護電位只能反映管道的整體保護水平，不能說明管道各點都得到了保護。采用近間距測量方式，是沿管道每隔12米測量一次管地電位，可以準確的檢測出沒有得到保護的管段。4、陽極接地故障陰極保護另一常見故障是由陽極接地引起的。陽極接地電阻與陽極地床的設(shè)計與施工質(zhì)量密切相關(guān)?！皟鐾痢睍龟枠O地床電阻增加幾倍至十幾倍，“氣阻”也會使陽極地床電阻增加。當陽極使用一段時間后，也會由于腐蝕嚴重，表面溶解不均勻造成電流障礙。因此，在陰極保護的儀器上會出現(xiàn)電位升高，而保護電流下降的現(xiàn)象。此時，應(yīng)通過測量，更換或檢修陽極地床，來使陰極保護正常運行。另一薄弱環(huán)節(jié)，是陽極電纜線與陽極接頭處的密封與絕緣，若施工不妥則會造成接頭處的腐蝕與斷路。使陰極保護電流斷路而無法輸入給管道。輔助陽極的選擇及計算內(nèi)容：輔助陽極又稱陽極接地裝置，陽極地床。它是強制電流陰極保護中不可缺少的重要組成部分，通過輔助陽極把保護電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護的管道，使管道表面進行陰極極化(防止電化學腐蝕)電流再由管道流入電源負極形成一個回路，這一回路形成了一個電解池，管道為負極處于還原環(huán)境中，防止腐蝕；而輔助陽極進行氧化反應(yīng)，遭受腐蝕，也可能是周圍電解質(zhì)被氧化。陰保站的電能60消耗在陽極接地電阻上，故陽極材料的選擇和埋設(shè)方式、場所的選擇，對減小電阻節(jié)約電能是至關(guān)重要的。陽極材料必須有良好的導(dǎo)電性能，在與土壤或地下水接觸時有穩(wěn)定的接地電阻，即使在高電流密度下，其表面的極化較??；化學穩(wěn)定性好，在惡劣環(huán)境中腐蝕率??；有一定的機械強度并便于加工和安裝；價格低來源方便。1、輔助陽極埋設(shè)位置的選擇輔助陽極與管道距離愈遠電流分布愈均勻，但過遠會增加引線上的電壓降和投資。從實測數(shù)據(jù)來看輔助陽極距匯流點200米以內(nèi)時，對電流分布影響較大，遠于300米后影響就不大了。故在長輸管道的干線上陽極一般設(shè)在距管道300500米之間為宜。管道較短或油氣管道較密集的地區(qū)，采用50300米之間是合適的?；ǜ窬€設(shè)計是450m，對于土壤電阻率很大的地區(qū)是否過遠，是值得研究的問題。因此對處于特殊地形、環(huán)境的管道，輔助陽極的距離和埋設(shè)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況慎重選定。在陰保站址選定的同時，應(yīng)在預(yù)選站址與管道的一側(cè)選擇陽極安裝的位置，其原則是：(1)地下水位較高或潮濕低洼處；(2)土層厚，無塊石，便于施工；(3)土壤電阻率一般應(yīng)小于50歐姆米，特殊地區(qū)也應(yīng)小于100歐姆米(4)對鄰近的地下金屬構(gòu)筑物干擾小，陽極地床與被保護管道之間不得有其它金屬管道。(5)考慮陽極附近地域近期發(fā)展規(guī)劃及管道發(fā)展規(guī)劃以避免建后可能出現(xiàn)的搬遷。(6)陽極地床位置與管道匯流點距離適當(7)地面金屬構(gòu)筑物較多，用地狹窄時，可采用深井陽極，以減小對其它金屬構(gòu)物的干擾又節(jié)約用地。陽極接地電阻約占直流回路電阻60左右，大部分能量損失是由它造成的，因此合理選擇陽極地床位置，降低接地電阻是十分重要的工作。2、 輔助陽極的結(jié)構(gòu)2.1淺埋式地床結(jié)構(gòu)將電極埋入距地表15米的土層中，這是管道陰極保護一般選用的陽極埋設(shè)形式。淺埋式陽極又可分為立式，水平式兩種，對于鋼鐵陽極可能兩種聯(lián)合稱為聯(lián)合式陽極。(1)立式陽極由一根或多根垂直埋入地中的陽極排列構(gòu)成，電極間用電纜聯(lián)接。其優(yōu)點有：a.全年接地電阻變化不大；b.當陽極尺寸相同時，立式地床的接地電阻較水平式小。(2)水平式陽極將陽極以水平方向埋入一定深度的地層中，其優(yōu)點有：a.安裝土石方量較小，易于施工；b.容易檢查地床各部分的工作情況。(3)聯(lián)合式陽極指采用鋼鐵材料制成地床，它由上端聯(lián)接著水平干線的一排立式陽極