埋地管道的陰極保護

會計學1埋地管道的陰極保護2023/1/14西南石油學院儲運研究所2

陰極保護技術在我國石油管道上的應用研究始于1958年。到了60年代初期，在新疆、大慶、四川等油氣管道上陸續(xù)推廣了陰極保護技術。70年代，我國的長輸管道已廣泛采用了陰極保護。目前，國外陰極保護技術已做到了法律化。標準化，比較重要的有《美國氣體管道聯(lián)邦最低安全標準》、德國的《長輸管道運輸危險液體的規(guī)定》、NACE的《埋地及水下金屬管道外腐蝕控制推薦作法》等。

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中國的第一部管道防腐蝕技術標準是SYJ7-84鋼質(zhì)管道和儲罐防腐蝕工程設計規(guī)范》。第一部法規(guī)是國務院1989年頒布的《石油、天然氣管道管理條例》，條例首次將管道陰極保護的要求列入了管理的內(nèi)容。目前，國內(nèi)一萬七千余公里的長距離油氣管道已經(jīng)全部采用了陰極保護，為國民經(jīng)濟的發(fā)展提供了保障。

第2頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所4一、陰極保護原理用圖3-l的極化圖解可以清楚地說明陰極保護的工作原理。以外加電流的陰極保護為例，暫不考慮腐蝕電池的回路電阻，則在未通電流保護以前，腐蝕原電池的自然腐蝕電位為E，相應的最大腐蝕電流為IC。第3頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所5

通上外加電流后，由電解質(zhì)流入陰極的電流量增加，由于陰極的進一步極化，其電位將降低。如流入陰極電流為ID，則其電位降至E′，此時由原來的陽極流出的腐蝕電流將由IC降至I′。ID與I′的差值就是由輔助陽極流出的外加電流量。為了使金屬構筑物得到完全保護，即沒有腐蝕電流從其上流出，就需進一步將陰極極化到使總電位降至等于陽極的初始電位EAO，此時外加的保護電流值為IP。從圖上可以看出，要達到完全保護，外加的保護電流要比原來的腐蝕電流大得多。

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顯然，保護電流IP與最大腐蝕電流IC的差值決定于腐蝕電池的控制因素。受陰極極化控制時，二者的差值要比受陽極極化時小得多。因此，采用陰極保護的經(jīng)濟效果較好。二、陰極保護的方法實現(xiàn)陰極保護的方法通常有犧牲陽極法和強制電流法。由于雜散電流排除過程中，在管道上保留有一定的負電位，使管道得到了陰極保護，所以排流保護也是一種限定條件下的陰極保護方法。

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1.犧牲陽極法在腐蝕電池中，陽極腐蝕，陰極不腐蝕。利用這一原理，以犧牲陽極優(yōu)先溶解。使金屬構筑物成為陰極而實現(xiàn)保護的方法稱為犧牲陽極法（圖3-2）。第6頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所8

為了達到有效保護，犧牲陽極不僅在開路狀態(tài)（犧牲陽極與被保護金屬之間的電路未接通）有足夠負的開路電位（即自然腐蝕電位），而且在閉路狀態(tài)（電路接通后）有足夠的閉路電位（即工作電位）。這樣，在工作時可保持足夠的驅(qū)動電壓。驅(qū)動電壓指犧牲陽極的閉路電位與金屬構筑物陰極極化后的電位兩者之差，亦稱為有效電壓。第7頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所9

作為犧牲陽極材料，必須具有下列條件：(1)要有足夠的負電位，且很穩(wěn)定；(2)工作中陽極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫落；(3)陽極必須有高的電流效率，即實際電容量和理論電容量之比的百分數(shù)要大；(4)電化當量高，即單位重量的電容量要大；(5)腐蝕產(chǎn)物無毒，不污染環(huán)境；(6)材料來源廣，加攻容易，價格便宜。第8頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所10

在土壤環(huán)境中常用的陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金；在海洋環(huán)境中還有鋁合金。這三類犧牲陽極已在世界范圍內(nèi)廣泛應用。

2.強制電流法根據(jù)陰極保護的原理，用外部的直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極接管道（被保護構筑物），將電源的正極接至輔助陽極，在電流的作用下，使管道發(fā)生陰極極化，實現(xiàn)陰極保護（圖3-2）。

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強制電流法的電源常用的有整流器，還有太陽能電池、熱電發(fā)生器、風力發(fā)電機等。輔助陽極的常用材料有高硅鑄鐵、石墨，磁性氧化鐵及廢鋼鐵等。強制電流法是目前長距離管道最主要的保護方法。

3.排流保護當有雜散電流存在時，通過排流可以實現(xiàn)對管道的陰極極化，這時雜散電流就成了陰極保護的電流源。但排流保護是受到雜散電流所限制的。通常的排流方式有直接排流、極性排流、強制排流三種形式。各種形式都有一定的局限性。第10頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所12

當對被保護構筑物選用陰極保護方式時主要考慮的因素有：（1）保護范圍的大?。捍笳邚娭齐娏鲀?yōu)越，小者犧牲陽極經(jīng)濟；（2）土壤電阻率的限制：電阻率太高不宜采用犧牲陽極；（3）周圍鄰近的金屬構筑物：有時因干擾而限制了強制電流的應用；（4）覆蓋層的質(zhì)量：對于覆蓋層太差或裸露的金屬表面，因其所需保護電流太大而使犧牲陽極不適用；（5）可利用的電源因素；

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（6）經(jīng)濟性。表3-1是陰極保護與排流保護的比較。

三、陰極保護參數(shù)在圖3-1中，可以看到與陰極保護相關的幾個參數(shù)：自然腐蝕電位、保護電位、保護電流（可以換算成電流密度）。正確選擇和控制這些參數(shù)是決定保護效果的關鍵。為了直觀。定量地比較陰極保護的效果，有時還要引用陰極保護保護度參數(shù)。而在實際保護中入們僅把保護電位作為控制參數(shù)，因為它受自然腐蝕電位和保護電流所控制，而且在實踐中容易操作。第12頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所14第13頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所15

1.自然腐蝕電位無論采用犧牲陽極法還是采用強制電流陰極保護，被保護構筑物的自然腐蝕電位都是一個極為重要的參數(shù)。它體現(xiàn)了構筑物本身的活性，決定了陰極保護所需電流的大小，同時又是陰極保護準則中重要的參考點。

2.保護電位按國標GB/T10123-88的定義，保護電位為“進入保護電位范圍所必須達到的腐蝕電位的臨界值”。保護電位是陰極保護的關鍵參數(shù)，它標志了陰極極化的程度，是監(jiān)視和控制陰極保護效果的重要指標。

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為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達到的電位稱為最小保護電位，也就是腐蝕原電池陽極的起始電位。其數(shù)值與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成。濃度及溫度等有關。根據(jù)實驗測定，碳鋼在土壤及海水中的最小保護電位為-0.85V（CSE）左右。第15頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所17

管道通入陰極電流后，其負電位提高到一定程度時，由于H+在陰極上的還原，管道表面會析出氫氣，減弱甚至破壞防腐層的粘結力，不同防腐層的析氫電位不同。瀝青防腐層在外加電位低于-1.20V（CSE）時開始有氫氣析出，當電位達到-1.5OV（CSE）時將有大量氫析出。因此，對于瀝青防腐層取最大保護電位為-1.20V（CH）。若采用其他防腐層，最大保護電位值也應經(jīng)過實驗確定。聚乙烯防腐層的最大保護電位可取-1.50V（CSE）。

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3.保護電流密度在國標GB/T10123-88中，保護電流密度的定義是：“從恒定在保護電位范圍內(nèi)某一電位的電極表面上流入或流出的電流密度”。此定義適用于陰極保護和陽極保護，對于陰極保護來說只能是“流入”。保護電流密度與金屬性質(zhì)、介質(zhì)成分、濃度。溫度、表面狀態(tài)（如管道防腐層狀況）、介質(zhì)的流動、表面陰極沉積物等因素有關。對于土壤環(huán)境而言，有時還受季節(jié)因素的影響。第17頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所19

因保護電流密度不是固定不變的數(shù)值，所以，一般不用它作為陰極保護的控制參數(shù)；只有無法測定電位時，才把保護電流密度作為控制參數(shù)。例如在油井套管的保護中，電流密度是一個重要參數(shù)，可以作為控制參數(shù)用。第18頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所20

不同表面狀況的鋼管的最小保護電流密度見表3-2。從表中可以看出：裸管比有防腐層的管道需要的保護電流密度大得多；土壤電阻率愈小，需要的保護電流密度愈大。由于在實際工作中很難測定腐蝕電池的陰、陽極的具體位置和面積大小，故表中所列數(shù)據(jù)都是按與電解質(zhì)接觸的整個被保護金屬表面積計算的。類似的試驗數(shù)據(jù)對于較小的金屬構筑物，如油罐的罐底、平臺的樁等是適用的；對于沿途土壤電阻率和防腐層質(zhì)量變化較大的長距離管道，則往往偏差較大。故對于管道的陰極保護，常以最小保護電位和最大保護電位作為衡量標準。

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四、陰極保護準則自從1928年美國J.柯恩通過試驗發(fā)現(xiàn)-0.85V（CSE）電位能控制電化學腐蝕之后，這一標準經(jīng)過實踐考驗，成為公認的最小保護電位。第20頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所22

從電化學理論上分析，鐵在腐蝕時，以二價離子形式出現(xiàn)，用能斯特方程式表達為式中——鐵的標準電極電位；

R——氣體常數(shù)；

T——絕對溫度；

F——法拉第常數(shù)；

——靠近電極的電解液層中鐵離子的活度。

第21頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所23當pH＞5.5時，和作用生成難溶的，此時，取決于的溶度積。25℃時，第22頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所24

按，在pH值為5.5～10的電解液中，計算出保護電位在-0.38～-0.64V(SHE)之間變化。換算成相對飽和Cu/CuSO4電解的電位為-0.7～-0.96V。鋼在土壤中(pH=8.3～9.6)的保護電位為-0.541～-0.618V(SHE)，平均為-0.58V(SHE)，相對飽和Cu/CuSO4電極的電位為-0.90V。第23頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所25

計算出鋼的保護電位與鋼在該電解液中的初始電位值之差，即可認為是陰極極化值或負向偏移。例如，鋼在干燥土壤中的自然電位Vx=-0.3V（SHE），其陰極極化值計算得：

根據(jù)電化學理論，陰極保護判據(jù)是多因素決定的，相當復雜。但-0.85V（CSE）是既有理論基礎，又有實踐依據(jù)，已為世界各國所接受。第24頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所26

對于鋼鐵的陰極保護準則，各國標準的表達方式也不相同，采用下述之一或幾個作為判據(jù)：（1）施加陰極保護時陰極的負電位至少為850mV，這一電位是相對于接觸電解質(zhì)的飽和Cu/CuSO4參比電極測量的。測量中必須排除IR降影響。（2）相對于飽和Cu/CuSO4參比電極的負極化電位至少為850mV。（3）在構筑物表面與接觸電解質(zhì)的參比電極之間的陰極極化值最小為100mV。這一數(shù)據(jù)的測定可以在極化的形成過程或是衰減過程中進行。第25頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所27

-850mV（CSE）適用于各種土壤環(huán)境中鋼鐵構筑物的陰極保護，是世界公認的通用準則。對于有良好覆蓋層的管道，這一準則很實際。但是當覆蓋層的質(zhì)量太劣或是裸管，采用-850mV的準則就顯得過保護和浪費，所以國外學者主張在這種條件下采用-100mV極化電位準則。其理由是腐蝕體系ic=（Ec-Ea）/（Rc+Ra），式中ic為腐蝕電流，要使ic很小，必須使陰極電位Ec和陽極電位Ea很接近，即Ec=Ea或ΔE=Ec-E。很小。在裸管上就是ΔE，故100mV極化值遠遠大于這個ΔE，足以達到保護要求。第26頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所28

采用-100mV極化電位準則，有個基準點的問題。雖然準則在陰極極化建立或衰減過程中都可以采用，但在建立過程中由于有IR降的影響，使得100mV的精度受到了限制，故衰減過程中采用該準則比較實際。表3-4是在一條109mm直徑的裸管道上測得的電位，表3-5是一條直徑為319mm的舊防腐層管道上測得的電位，前者的保護電流密度是13.67mA/m2，后者為1.51mA/m2。第27頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所29第28頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所30第29頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所31

在考慮通氣程度時，英國BS7361標準中，通氣環(huán)境為-0.85V，不通氣環(huán)境為-0.95V。德國的DIN30676標準則給出溫度和砂土兩個條件：溫度高于60℃為-0.95V；在砂土中，p＞500Ω·m時，為-0.75V。以上電位測量均相對Cu/CuSO4電極。

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五、管道實施陰極保護的基本條件管道實施陰極保護的基本條件為：有可靠的直流電源，以保證提供充足的保護電流；管道必須處于有電解質(zhì)的環(huán)境中（如士壤、河流、海水等）；保持管道縱向電連續(xù)性；為確保管道系統(tǒng)陰極保護的有效性和提高保護效率，必須做好管道的電絕緣，如選用高質(zhì)量的管道覆蓋層以及合理布局絕緣連接體。以下主要討論管道絕緣連接及管道縱向電連續(xù)性的問題。

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1.管道的電絕緣

1）絕緣接頭管道的絕緣接頭有法蘭型、整體型（埋地）、活接頭等各種型式。近幾年開發(fā)的整體埋地型絕緣接頭具有整體結構。直接埋地和高的絕緣性能，克服了絕緣法蘭密封性能不好、裝配影響絕緣質(zhì)量、不能埋地、外緣盤易集塵等不良影響，是管道理想的絕緣連接裝置。圖3-2是整體型絕緣接頭的結構圖。

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需要設置絕緣連接的場所有：管道與井、站、庫的連接處；管道與設備所有權的分界處；支線管道與干線管道的連接處；不同材質(zhì)、新舊管道及有防腐層與無防腐層管道間連接處；大型穿、跨越段的兩端；雜散電流干擾段；使用不同陰極保護方法的交界處。

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2）絕緣支墩（墊）當管道采用套管形式穿墻或穿越公路、鐵路時，管道與套管必須電絕緣。通常采用絕緣支墩或絕緣墊。管道及支撐架、管橋、穿管隧道、樁、混凝土中的鋼筋等必須電絕緣。若管段兩端已裝有絕緣接頭，使架空管段與埋地管道相絕緣，則此時管道可以直接架設在支撐架上而無需電絕緣。

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3）其他電絕緣當管道穿越河流，采用加重塊、固定錨、混凝土、加重覆蓋層時，管道必須與混凝土鋼筋電絕緣，安裝時不得損壞管道原有防腐層。管道與所有相遇的金屬構筑物（如電纜、管道）必須保持電絕緣。

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2．管道縱向電的連續(xù)性對于非焊接的管道連接頭，應焊接跨接導線來保證管道縱向電的連續(xù)性，確保電流的流動。對于預應力混凝土管道，施加陰極保護時，每節(jié)管道的縱向鋼筋必須首尾跨接，以保證陰極保護電流的縱向?qū)?。有時還可平行敷設一條電纜，每節(jié)預應力管道與之相連來實現(xiàn)電的連續(xù)性。第36頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所38

3.陰極保護管道的附件

1）檢查片檢查片材質(zhì)應與被保護的管道相同，用于定量分析陰極保護的效果及土壤的腐蝕性。也有用于其他目的的檢查片，如在犧牲陽極保護段，用于代表管道，測量自然電位用。檢查片的推薦尺寸為100mm×50mm×5mm，采用鋸、氣割方法制取。為不改變檢查片的冶金狀態(tài)，氣割邊緣應去掉20～30mm。檢查片應有安裝孔和編號，編號可用鋼字模打印。第37頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所39

一般檢查片應埋設在有代表意義的腐蝕性地段（環(huán)境中），如污染區(qū)、高鹽堿地帶。雜散電流嚴重地區(qū)以及管道陰極保護范圍末端。

2）測試樁為了測量陰極保護管道的電參數(shù)，必須在管道沿線設計不同功能的測試樁。在國外的文獻中稱之為防腐測試站（TestStation）。測試樁設置原則為：

第38頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所40——電位測試樁，一般每公里處設一支，需要時可以加密或減少；——電流測試樁，每5～8km處設一支；——套管測試樁，套管穿越處一端或兩端設置；——絕緣接頭測試樁，每一絕緣接頭處設一支；——跨接測試樁，與其他管道、電纜等構筑物相交處設一支；——站內(nèi)測試樁，視需要而設；——犧牲陽極測試樁，一般設在兩組陽極的中間部位。第39頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所41

以上設置的測試樁，可以測取管道的保護電位、管道保護電流的大小和流向、電絕緣性能及干擾方面的參數(shù)。測試樁的功能主要區(qū)別在接線上。最簡單的是電位測試樁，只需引接兩根導線；測管道電流要接四根導線；測兩者間的干擾或絕緣要在相鄰構筑物上各引出兩根導線。一般來說，測試樁的功能可以結合在一起使用，有時測試樁還可和里程樁相結合。第40頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所42

第二節(jié)

強制電流法陰極保護

一、強制電流陰極保護的工藝計算管道陰極保護范圍的制約因素是管道防腐層電阻和管徑，它以最大保護電位和最小保護電位的臨界點來劃分。因此保護一條管道常常需要設一個或幾個陰極保護站。為了求得保護長度，必須知道當管道上通入陰極極化電流后所產(chǎn)生的極化電位的沿線分布，求取最大保護電位經(jīng)過多少公里降低到最小保護電位。第41頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所43

1.管道沿線外加電位與電流的分布規(guī)律

如圖3-3所示，外加電流的電源正極接輔助陽極，負極接在被保護管段的中央，這一點稱為匯流點或通電點。電流自電源正極流出，經(jīng)陽極和大地流至匯流點兩側管道，在兩側金屬管壁中流動的電流是流向匯流點的。因此，沿線電流密度和電位的分布是不均勻的。理論上在匯流點處的管道沿線電位分布的基本公式是根據(jù)下列假設條件推出的：第42頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所44

(1)管道防腐層均勻一致，并具有良好的電絕緣性能，與土壤接觸且土質(zhì)均勻一致，因此管道沿線各點的單位面積過渡電阻相等。過渡電阻指電流從土壤沿徑向流入管道時的電阻，其數(shù)值主要決定于防腐層電阻。

(2)因土壤截面積很大，土壤電阻可以忽略不計。

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如圖3-3所示，在離匯流點。公里處取一微元段dX，由于通入外電流以后的陰極極化作用，dX小段處的管地電位往負的方向上偏移，設其偏移值為E，E等于通電后的保護電位與自然電位之差。

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設單位長度金屬管道的電阻力rT，單位面積的防腐層過渡電阻為Rp，單位長度上電流從土壤流入金屬管道的過渡電阻為RT，如管外徑為D，則RT=RP/(πD)。在dX小段上電流的增量打就是在該小段上從土壤流入管道的保護電流，由于忽略土壤電壓降，故第45頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所47

負號表示電流的流動方向與x的增量方向相反。當電流I軸向流過管道時，由于管道金屬本身的電阻所產(chǎn)生的壓降為第46頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所48

式(3-6)和式(3-7)為二階常系數(shù)齊次線性微分方程，其通解為

式中系數(shù)A1、A2、B1、B2可根據(jù)邊界條件求出。邊界條件通常有三種情況：

(1)無限長管段的計算：即全線只有一個陰極保護站，線路上沒有用絕緣法蘭。第47頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所49(2)有限長管段的計算：即全線有多個陰極保護站，兩個相鄰站之間的管道由兩個站共同保護。

(3)保護段終點有絕緣法蘭的計算：一般設有陰極保護的管道在進入輸油站或油庫以前須裝設絕緣法蘭，以免保護電流向站內(nèi)或庫內(nèi)流失。

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2.保護范圍的計算

1)無限長管道的計算在匯流點處x=0，I=I0，E=E0。I0為管道一側的電流，距匯流點無限遠處x→∞，I=0，E=0。將此邊界條件代入通解式(3-8)和式(3-9)得A0=0，B1=I0；A2=0，B2=E0。故無限長管道的外加電位及電流的分布方程式為第49頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所51

由式（3-10）。式（3-11）可解出沿線各處電位與電流的相互關系為

在匯流點處，x=0，故匯流點一側的電流為第50頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所52

匯流點處的總電流就是該保護裝置的輸出電流，它等于管道一側流至匯流點電流的兩倍，即I=2I0。方程式（3-10）和（3-11）說明當全線只有一個陰極保護站時，管道沿線的電位及電流值按對數(shù)曲線規(guī)律下降。在匯流點附近的電位和電流值變化激烈，離匯流點愈遠變化愈平緩。曲線的陡度決定于衰減因數(shù)，主要是防腐層過渡電阻RT的影響。第51頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所53

如前所述，由于最大保護電位是有限度的，故匯流點處的電位應小于或等于最大保護電位Emax當沿線的管/地電位降至最小保護電位Emin處，就是保護段的末端。故一個陰極保護站所可能保護的一側的最長距離，可由式（3-11）算出。取EO=Emax，E=Emin，x=Lmax代入，可得

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由式（3-12）和式（3-13）可見，陰極保護管道所需保護電流I0的大小和可保護段落長度受防腐層電阻的影響很大。防腐層質(zhì)量好，則電能消耗少，保護距離也長。根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗，當瀝青防腐層的施工質(zhì)量較好時，管道單位面積防腐層過渡電阻能達到10000Ω·m2以上，有的達20000～30000Ω·m2。故目前按標準規(guī)范要求，在設計計算中常取防腐層的RP=10000Ω·m2，對于合成樹脂類防腐層均會高出此值。第53頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所55

計算中需要注意的是，式（3-13）中的Emax和Emin均為陰極極化值，相對自然電位的偏移值，而前面所述最大和最小保護電位系相對于硫酸銅電極測得的極化電位。在大多數(shù)土壤中，用硫酸銅電極測得的鋼管的自然電位約在-0.50～-0.60V之間。若實測平均值為-0.55V，則當取最大保護電位為-1.20V，最小保護電位為-0.85V時，其陰極極化值為第54頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所56

對于長度超出一個站保護范圍的長距離管道，常需在沿線設若干個陰極保護站，其保護段長度應按有限長管道計算。第55頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所57

2)有限長管道的計算有限長管道的保護段即指兩個相鄰的陰極保護站之間的管段，或兩端設有絕緣接頭的管段近似按有限長考慮。其極化電位和電流的變化受兩個站的共同作用。由于兩個站的相互影響，將使極化電位變化曲線抬高，如圖3—4所示。因此，有限長管道比無限長管道的保護距離長，如圖l1＞l2。

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設兩個站間距離為2l，在中點處（x=l）正好達到保護所需要的最小保護電位，El=Emin。電位變化曲線在中點處發(fā)生轉(zhuǎn)折，即。由于保護電流來自兩個站，其電流流動方向相反，故在中點處電流為零，邊界條件為

第57頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所59代入通解式（3-8）和式（3-9），可得

式中ch（m）和sh（m）分別為雙曲函數(shù)的余弦和正弦。

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由方程式（3-5）、式（3-14）得

在匯流點處x=0，I=I0，代入上式得匯流點一側電流為

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由公式（3-14）可求出

得有限長管道一側的保護長度

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考慮到雙曲余弦函數(shù)這項很小，可近似忽略，將上式簡化為

將有限長管道與無限長管道的公式進行比較可見：

（1）無限長管道的電位是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化，而有限長管道是按雙曲函數(shù)的規(guī)律變化，故有限長管道電位和電流分布的變化較緩慢，其保護距離比無限長管道長。第61頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所63

（2）有限長管道消耗的電能比無限長管道少。管道末端有絕緣法蘭的計算與有限長管道的計算結果相近，故實際工作中都按有限長計算。根據(jù)上述公式，可以估算被保護管道全線所需的陰極保護站的數(shù)量及其位置（通常盡可能設在泵站或壓縮機站上）。但必須強調(diào)指出的是：在上述推導過程中忽略了土壤中的IR降，并認為沿線防腐層過渡電阻均勻一致；實際上在幾十公里長的管道沿線，不僅土壤電阻率變化較大，防腐層質(zhì)量也難能一致，故在設計中要留有一定的余地。第62頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所64

3)圖解法估算埋地管道陰極保護的范圍主要與平均電流密度有關，與管道縱向電阻所允許的電壓降的大小有關。設管道的保護電流密度為Js，管道L的電壓降為第63頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所65第64頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所66rT——單位長度管道縱向電阻，Ω/m；pT——鋼管電阻率，Ω·mm2/m；δ——管壁厚度，mm。在圖3-5中繪出了保護范圍2L和保護電流密度Js的關系曲線。對應方程（3-19），I0的計算如下：第65頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所67第66頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所68第67頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所69的選擇及其埋置場所的處理，對節(jié)省電能消耗至關重要。值得注意的是，在選擇電源設備和運行期間，應考慮陰極保護系統(tǒng)輔助陽極的接地電阻值與電源額定負載（R額）相匹配。第68頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所70

式中V額——額定輸出電壓，V；

I額——額定輸出電流，A。陽極地床的接地電阻必須比額定負載小，才能保證所設計的保護電流的輸出。同時，也要從技術經(jīng)濟角度分析，使該保護系統(tǒng)陽極地床的設計與電源設備的選擇是經(jīng)濟合理的。第69頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所71

4.陽極接地裝置的計算

1)接地電阻的計算輔助陽極的接地電阻，因地床結構不同而有所區(qū)別。各種結構的接地電阻的計算公式可參見有關手冊。這里給出三種常用埋設方式的陽極接地電阻計算公式。

(1)單支立式陽極接地電阻的計算：第70頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所72(2)深埋式陽極接地電阻的計算：

(3)單水平武陽極接地電阻的計算：

上三式中RV1——單支立式陽極接地電阻，Ω；

RV2——深埋式陽極接地電阻，Ω；第71頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所73RH——單支水平式陽極接地電阻，Ω；

L——陽極長度（含填料），m；

d——陽極直徑（含填料），m；

t——埋深，m；

p——土壤電阻率，Ω·m。(4)組合陽極接地電阻的計算：式中Rg——陽極組接地電阻，Ω；

n——陽極支數(shù)；

F——修正系數(shù)（查圖3-7）；

Rv——單支陽極接地電阻，Ω。第72頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所74第73頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所752)輔助陽極壽命的計算

輔助陽極的工作壽命是指陽極工作到因陽極消耗的時間致陽極電阻上升使電源設備輸出不匹配，而不能正常工作。當然，這里的壽命計算不包括地床設計不合理造成的“氣阻”，施工質(zhì)量不可靠造成的陽極電纜斷線等因素引起的陽極報廢。

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通常陽極的工作壽命由式（3-26）計算：

式中T——陽極工作壽命，a；

K——陽極利用系數(shù)，常取0.7～

0.85；

G——陽極重量，kg；

g——陽極消耗率，kg/(A·a)，查表3-6。

I——陽極工作電流，A。第75頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所773)所需輔助陽極支數(shù)的計算所需輔助陽極的支數(shù)由陽極的設計壽命及消耗率所決定。可按式（3-26）換算得到陽極的總重量G=TgI/K，再從接地電阻和規(guī)格型號選取陽極的支數(shù)。一般陽極的設計壽命為15a或20a。

第76頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所78

例如，當計算陽極的總重量為200kg時，可選擇40kg/支的5支，或20kg/支的10支。前者接地電阻大，所耗電費比后者要多而不經(jīng)濟；但前者的壽命要比后者長，當耗電量大時，這一經(jīng)濟因素更為重要。例如：70年代在華北地區(qū)某輸水管道，管徑1200mm，防腐層質(zhì)量極差，所以單站耗電量達70～100A。假定回路總電阻為1Ω，陽極接地電阻為0.8Ω，則儀器輸出電壓為第77頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所79有效功率為:102V×l00A=10200W取整流效率為0.7，則實耗功率為:10200W÷0.7=14600W每年耗電為:14600×8760=127900kw·h按當時電價0.08元/(kw·h)計，每年電費為:0.08×l27900=10232元/a陽極壽命按20年計，則20年電費總計為:10232×20=204640元第78頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所80

如果從設計考慮，將陽極接地電阻從0.8Ω降至0.5Ω，則這筆費用就變成了7218元/a，20年電費為144365元，節(jié)約了60275元。而降低接地電阻所需的一次投資僅為2000元左右（當時價格），遠遠小于節(jié)約下來的運行費用。對于陽極數(shù)量的最經(jīng)濟選擇，可由式（3-27）計算：第79頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所81

將式（3-27）微分求解得

式中y——陽極系統(tǒng)總年均費用；

n——陽極支數(shù)；

c——不依賴刀的一個常數(shù)；

a——單支陽極資金年回收混合利息系數(shù)；

b——單支陽極年運行電費。

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例：對于在50Ω·m土壤中用焦炭回填的立式陽極地床φ300mm×2000mm，排流量為10A，求其最佳陽極數(shù)量n。已知：(1)單支陽極接地電阻力11.26Ω；(2)單支陽極費用250元；(3)整流器效率為0.7；(4)電費0.10元/(kw·h)；(5)折舊系數(shù)10%；(6)利用系數(shù)取l.3；(7)陽極設計壽命20a；(8)CRF(20a壽命10%折舊下綜合投資回收的計算及年均費用的系數(shù))取0.11。第81頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所83解：

第82頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所84

二、強制電流法陰極保護系統(tǒng)的設計

1.設計程序強制電流陰極保護系統(tǒng)的設計應符合陰極保護準則的要求，實現(xiàn)有效的保護，避免對鄰近構筑物的干擾，并給系統(tǒng)提供一個經(jīng)濟可靠的設計壽命。第83頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所85

必須收集和勘測的設計資料和參數(shù)通常有：（1）要收集的資料，包括管道平面線路圖，管道參數(shù)（管徑、壁厚、管材），連接方式（焊接、螺紋或機械），覆蓋層的類型及性能，套管的位置及結構，電絕緣的位置及結構，架空管及水下穿越的位置及結構；（2）通過勘測得到的資料，包括現(xiàn)存和規(guī)劃中的陰極保護系統(tǒng)，可能的地上、地下干擾源，特殊的環(huán)境條件，鄰近的金屬構筑物，可供利用的電源，沿線土壤電阻率。對于已建管道作饋電試驗，測取所需電流。另外還要收集必要的氣象資料。

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對于已建的管道，往往需做一些實際參數(shù)的測量，如土壤電阻率、干擾的測試。饋電試驗、覆蓋層電阻的測試、縱向?qū)щ娺B續(xù)性的測試及電絕緣性能的測試，根據(jù)測得的參數(shù)進行設計。而新建管道，有些參數(shù)是實測不了的，只能根據(jù)假設參數(shù)進行設計。在SYJ36-89《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設計規(guī)范》中給出的常規(guī)參數(shù)有：

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自然電位：-0.55V（相對CU/CuSO4，下同）保護電位：-0.85V

匯流點電位：-1.25V

覆蓋層電阻：10000Ω·m2

鋼管電阻率：低碳鋼，0.135Ω·mm2/m；16Mn鋼，0.224Ω·mm2/m；高強度鋼，0.166Ω·mm2/m

電源效率：70％電流密度：30～50μA/m2。第86頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所88

有了這些參數(shù)，就可以進行設計計算，選定陰極保護站，繪制必要的設計圖紙，提出所選設備、材料的技術說明。通常陰極保護的設計圖紙有：全線陰極保護系統(tǒng)平面布置圖；電源安裝圖；地床結構及安裝圖；電纜連接及敷設圖；陰極保護站平面圖；配電系統(tǒng)圖；測試系統(tǒng)的組成及分布圖；若有干擾，需要有排流保護設計圖；防強電沖擊的保護設計圖。

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2.電源設備對有交流市電并能滿足長期可靠穩(wěn)定供電的地方及長輸管道各中間站有可靠交流電源的地方，優(yōu)先考慮使用交流電通過整流來提供極化電源。對于單獨建站，無市電地區(qū)可選用其他第二電源。不管采用什么型式的電源，其基本要求是：可靠性高；維護保養(yǎng)簡便；壽命長；對環(huán)境適應性強；輸出電流。電壓可調(diào)；應具有過載、防雷、故障保護。

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一般交流供電情況下應選用整流器或恒電位儀。在管地電位或回路電阻有經(jīng)常性較大變化時，必須使用恒電位儀。

1）整流器陰極保護用整流器宜采用橋式全波整流電路。其紋波系數(shù)應滿足單相不大于50％，三相不大于5％的要求，最大溫升不得超過85℃。在交流輸入端和直流輸出端應裝有過流。防沖擊等保護環(huán)節(jié)。戶外型整流器應能適應當?shù)厮幍臍夂颦h(huán)境，可裝在房頂、墻上或電桿上。通常采用油冷式整流器。第89頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所91

2）恒電位儀恒電位儀通常應在室內(nèi)工作。其技術要求有：給定電位連續(xù)可調(diào)：-0.500～-2.000V

電位控制精度：＜±20mV

輸入阻抗：≥1MΩ

抗交流干擾能力：≥12V（AC）耐電壓：≥750V（AC）負載波紋系數(shù)：單相，≤5％；三相，≤8％恒電位儀印刷電路板一般采取防潮。防鹽霧、防細菌的三防措施。

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3）太陽能陰極保護裝置太陽能電池是利用半導體材料的光生伏打效應，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導體器件。普通的太陽能電池是由兩種不同導電類型，即電子型（N）和空穴型（P）的半導體材料構成的。由于光照產(chǎn)生一個與PN結廠內(nèi)電場相反的光生電場，有了光生電動勢，接入外電路便可產(chǎn)生電流。第91頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所93

太陽能電池開始是作為人造衛(wèi)星的特殊電源發(fā)展起來的。由于它不要燃料、無污染、自動供電、無入管理、安全可靠、壽命長等特點，隨著它的價格下降而迅速進入地面應用。目前世界已建成的太陽能陰極保護站有上千座，是油氣管道的一種廉價的電源。國內(nèi)已建設了六座太陽能陰極保護站。就太陽能資源而言，除了四川、西南地區(qū)之外，全國都有豐富的太陽能可供利用。尤其是新疆西北地區(qū)，年日照平均在3000h左右，是世界上少有的一類太陽能資源地區(qū)。

第92頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所94

4）CCVT電源系統(tǒng)

CCVT是英文ClosedCycleVaporTurbogenerator的縮寫，直譯為密閉循環(huán)蒸汽透平發(fā)電機。CCVT是一種工質(zhì)進行朗肯循環(huán)，具有一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動部件的密封式小型渦輪發(fā)電裝置，輸出功率范圍在200～5000W之間。主要應用領域為無電邊遠地區(qū)的電信和陰極保護電源。它將以往用于飛機設計的熱力學理論和航空發(fā)動機的先進技術，應用于發(fā)電領域，使之達到前所未有的可靠程度。第93頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所95

CCVT的主要特點是：高可靠性，無需定期維修，可連續(xù)工作20a；便于無人值守，可通過遙控指揮裝置工作，一年內(nèi)只需幾次清除燃燒系統(tǒng)煙灰積炭和冷凝系統(tǒng)的積塵；適用多種燃料，常規(guī)的液體、氣體燃料均可應用；安裝方便。

5）熱電發(fā)生器熱電發(fā)生器（TEG）是由三部分組成的：熱源、熱電偶陣和冷卻片。工作原理如圖3-8所示。第94頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所96第95頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所97

目前加拿大環(huán)球熱電發(fā)生器已在世界各個國家，各種不同氣候條件下，推廣應用了10000多臺，主要用于管道的陰極保護和通訊。熱電發(fā)生器可以用丙烷、丁烷、天然氣或柴油作燃料。它的特點是：高可靠性；維護要求低；噪音低，污染??；壽命長，年度保養(yǎng)費用低；燃料來源廣泛。

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6）風力發(fā)電機風能是自然能源的一種形式，是由太陽能轉(zhuǎn)化而來的。據(jù)估計全球的風能儲量約為1014MW

。假定其中的一千萬分之一可為人類所利用，即有107MW為可利用風力。這個數(shù)量也就相當于當今世界能源的總需求量。風能和太陽能一樣，取之不盡，用之不竭；不污染環(huán)境，不破壞生態(tài)；周而復始，可以再生。但在利用上有兩大弊端：能量密度低；能量不穩(wěn)定。

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我國風力資源十分豐富，在石油開發(fā)的邊遠地帶，充分利用風力發(fā)電，也是國家的新能源政策之一。我國風力發(fā)電機擁有量估計在10萬臺左右，居世界之首。利用廉價的風力為管道陰極保護服務是我們的目標之一。風力發(fā)電的不足之處是可靠性差，風力大時易造成機械損壞。但它的價格低，可把它作為其他能源的補充方式來降低整個電源系統(tǒng)的造價。

第98頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所100

7）蓄電池能直接把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為化學電源。它有蓄電池（可以重復使用）和原電池（不能重復使用）之分。以酸性溶液（常用硫酸溶液）作為電解質(zhì)的蓄電池，稱為酸性蓄電池；以堿性溶液作為電解質(zhì)的，稱為堿性蓄電池。它是不連續(xù)供電的第二電源的重要儲能裝置。在太陽能電池、風力發(fā)電中都離不開蓄電池。

第99頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所101

8）第二電源的綜合選擇在科學技術發(fā)達的今天，可供選擇的第二電源很多。選擇時主要考慮經(jīng)濟性、可靠性、長壽命、易管理。表3-7列出了各種電源的性能比較。

第100頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所102第101頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所103第102頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所104

在許多條件下，有時幾種能源綜合利用可以達到可靠性。經(jīng)濟性的最佳效果。如風電一光電混合發(fā)電系統(tǒng)，CCVT-光電混合系統(tǒng)等。在新疆輪庫輸油管道上，曾就兩個中間站分別采用光電和風一光互補混合供電作了比較，采用風一光互補形式供電比只用光電節(jié)約投資三分之一，是無電地區(qū)陰極保護電源的發(fā)展方向第103頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所105

3.輔助陽極

1）陽極地床的結構由于輔助陽極工作性質(zhì)決定了陽極是處于電解狀態(tài)，這就要求在設計輔助陽極地床時，應考慮兩個問題，一是陽極材料的消耗，二是陽極氣體產(chǎn)物的逸放。前者是材料本身的性能，后者則取決于地床結構。

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一般陽極應在焦炭回填料地床中工作。這種結構的作用是：等效地增大了陽極體積，降低陽極接地電阻；把陽極土壤的工作界面轉(zhuǎn)移到填料/土壤界面上，減小陽極消耗，延長陽極壽命；利于陽極產(chǎn)生的氣體（O2，CO，CO2等）逸出，防止“氣阻”。圖3-9所示為焦炭作用的實例。第105頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所107第106頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所108

為利于氣體的逸出，在焦炭地床的上部還要填放一些粗砂或礫石，有些地方還要用多孔塑料管插至陽極地床中心，一是用于排氣，二是必要時可以往里注水。典型的立式和水平式陽極地床結構如圖3-10所示。

第107頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所109第108頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所110

2）陽極材料①高硅鑄鐵。早在1912年就研制成功了耐蝕的高硅鑄鐵，直到1954年才把它引入強制電流陰極保護中。1959年，含Cr4.5％的高硅鑄鐵問世，極大地提高了材料抗氯離子腐蝕的能力，擴大了高硅鑄鐵陽極的應用范圍。第109頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所111

高硅鑄鐵是在鐵中加入了大量的硅，才提高了其耐蝕性能。圖3-11所示為硅的含量對腐蝕率的影響。從圖中可以看出，含Si量不小于14.5％，又不大于18％時，能保持較低的腐蝕率。增加Si含量對耐蝕性改善不大，反倒導致機械性能變壞，強度下降，硬度升高，工藝性能差。表3-8列出了YJ型高硅鑄鐵陽極的規(guī)格尺寸。

第110頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所112

目前國內(nèi)外廣泛應用的雙端接頭陽極是兩端都有導線，使用時分別引接在兩根匯流母線上，這樣既降低了端部效應，又提高了陽極接頭的可靠性。在70年代又發(fā)展了一種新型的管狀硅鐵陽極，其特點是電纜接頭放在陽極中間部位，可提高陽極利用率25％。第111頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所113第112頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所114②石墨陽極。石墨陽極是用石油焦和瀝青兩種材料按一定比例加工焙燒而成，并經(jīng)過2800℃的石墨化工藝把焦炭和瀝青轉(zhuǎn)變成石墨。為了提高石墨陽極的耐蝕性能，陽極棒體要進行浸漬工藝，即用石蠟或亞麻子油浸漬。浸漬可以降低氣孔，抑制可能引起陽極脹裂或過早失效的表面氣體的析出或碳的氧化。表3－9、表3－10所列是常用石墨陽極性能及規(guī)格。第113頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所115第114頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所116

③磁性氧化鐵陽極。磁性氧化鐵陽極是用磁性氧化鐵粉末鑄造成中空有底的圓筒形，厚度約為5～10mm。主要成分：Fe3O4，92％～93％（FeO約占30％，F(xiàn)e2O3約占62％～63％）；SiO2，4％～6％；而CaO、MgO、A12O3分別是0.1％～l％。磁性氧化鐵電阻率是0.1～0.42Ω·cm，是石墨電阻率的100倍，壁厚比石墨薄，所以，要在圓筒內(nèi)鍍銅來提高導電性。由于鑄件中含有氣孔，當水浸入時，電纜接頭易斷裂，所以必須進行水壓試驗，排除次品。此外，磁性氧化鐵陽極有硬和脆的缺點。

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磁性氧化鐵陽極制造工藝較為困難，使得目前世界只有為數(shù)不多的幾個國家可以生產(chǎn)。④鋼鐵陽極。廢鋼鐵是我國早期管道陰極保護輔助陽極的主體材料。其特點是：材料來源廣，施工方便，價格低，沒有氣阻現(xiàn)象。因其管狀體積大，增大了和土壤的接觸面積，特別適用高電阻率環(huán)境中。這一點對于西部石油開發(fā)有著實際意義，因那里有時方圓幾百公里就找不到100Ω·m以下的土壤環(huán)境。鋼鐵陽極消耗率在9.l～10kg/(A·a)間，屬可溶性陽極，需要定期更換。第116頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所118⑤柔性陽極。

1984美國Raychem公司研制出一種新產(chǎn)品——導電聚合物陽極。它是將導電性聚合物擠塑在銅芯上，作為輔助陽極用，外形和塑料電纜差不多，柔性很好，施工起來也類似于電纜敷設，所以是一種很受歡迎的輔助們極材料。它特別適用于高電阻率環(huán)境、管道覆蓋層質(zhì)量劣化的場合；它可以平行管道敷設，改善了沿線的電流分布。故對于站內(nèi)管網(wǎng)、幾何形狀不規(guī)則的管道特別有益。目前國內(nèi)已研制出這類產(chǎn)品。表3－11列出柔性陽極的性能。第117頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所119⑥碳類回填料。通常使用的填料有三種，即煤焦油焦炭、搬燒的石油焦和天然及人造的石墨渣。冶金焦炭渣也是常選填料之一?；靥钣玫慕固吭鼘M分要求是；灰分低于10％，含碳量高于85％，顆粒度在3～15mm。

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⑦其他。在工程實踐中，國外還有一種鈦基金屬氧化物線性陽極。在深井中使用，有施工方便、壽命長等特點；在罐底布置成網(wǎng)格狀的線形金屬氧化物陽極，有電流分布均勻的特點。

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3）陽極地床位置的選擇輔助陽極地床位置（簡稱陽極區(qū)）的選擇要考慮以下因素：①陽極區(qū)距管道的垂直距離。距離愈大，電位分布愈均勻。但無限拉大距離將會增加陽極引線的電阻，并增加建設投資。按SYJ36－89推薦，這一距離以100m為宜。②土壤電阻率。陽極區(qū)盡量選在土壤電阻率低的地方，因為低電阻率可使陽極接地電阻變小，減少電能的消耗。第120頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所122

③土壤濕度。土壤濕度大有利于陽極工作，防止氣阻現(xiàn)象，故在實際中常把陽極區(qū)選在河邊、溝底等低洼地帶。④土地的利用。不占或少占耕地。⑤干擾影響。陽極區(qū)周圍盡量避開金屬構筑物。⑥地域規(guī)劃。不得在近期規(guī)劃區(qū)內(nèi)建立陽極地床。⑦安裝的難易。根據(jù)施工機具和地上、地下環(huán)境情況確定，以求安裝費用最低。第121頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所123⑧生態(tài)環(huán)境。這是近些年來提出的新問題，以不破壞生態(tài)環(huán)境為好。在西部石油工程建設中；遇到一個新的問題，即在近百公里范圍內(nèi)，土壤電阻率都在200Ω·m以上，地下深層又都是巖層，電阻率也很高。此時常規(guī)設計的方法不能滿足要求，柔性陽極敷設是可選用的方法之一。

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陽極地床通常有兩種形式，即淺埋地床和深埋地床。在淺埋地床中又可分為立式和水平式（圖3－10）兩種。當周圍設施多或地表層土壤電阻率太高，不宜埋設地床時，就應考慮深井地床。深井地床一般埋深在地下15～150m，施工費用較高。典型結構見圖3－12。第123頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所125第三節(jié)犧牲陽極法陰極保護一、犧牲陽極材料犧牲陽極材料的選擇主要是看合金的性能及其化學成分，特別是合金元素的含量和雜質(zhì)的含量。合金的金相組織對陽極性能也有著重要的影響。第124頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所126

1.鎂及鎂合金鎂是周期表中第二族化學元素。原子序數(shù)為12，熔點651℃，密度為1.74g/cm3。鎂及鎂合金是理想的犧牲陽極材料。它的優(yōu)點是密度小，電位負，極化率低，單位質(zhì)量發(fā)生電量大；不足之處是電流效率低（約50％）。作為犧牲陽極應用的鎂及鎂合金有三大系列：高純Mg、Mg－Mn、Mg－A1－Zn－Mn。它們的性能列在表3－12中。

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1）高純鎂作為犧牲陽極用的鎂材料應是高純鎂（含鎂大于99.95％）。它具有電位負、機械加工性好的優(yōu)點。因其負電位大，故有時又稱為高電位鎂陽極。它適合于加工成帶狀陽極，在電阻率較高的土壤和水中使用。第127頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所129

高純鎂中的雜質(zhì)含量對其陽極性能影響很大。主要的雜質(zhì)有Fe、Cu、Ni、CO，特別是Fe的含量較高。由于這些金屬在電位序中有較正的電位，引起自腐蝕而使鎂陽極效率降低。錳的加入可以抑制鐵的影響，因為錳可以使鐵在熔鑄過程中沉淀出來。留在合金中的鐵元素，則被錳包圍起來，使鐵不能產(chǎn)生陰極性雜質(zhì)的有害作用、影響較小的有Cd、Mn、Na、Si、Zn、A1、Pb．Ca、Ag等。第128頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所130

2）Mg－Mn合金加入錳時，鎂合金的耐蝕性提高，這是因為錳易于發(fā)生偏析，而與沉積在浴鍋底的鐵生成化合物的緣故。鎂錳合金的強度極限隨著溫度的升高而顯著降低，而延伸率則大大增加。當Mg－Mn合金作為犧牲陽極用時，其電流效率的高低取決于Mg原料純度，越純電流效率越高，電位也越負。鎂錳也是高電位陽極，它適合于鑄造和擠壓兩種加工方式，主要用于高電阻率環(huán)境中。

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3）Mg－A1－Zn－Mn合金這類合金有Mg－6A1－3Zn－Mn、Mg－3A1－Zn－Mn、Mg－8A1－Zn－Mn幾種。其中性能較好，廣泛使用的犧牲陽極是Mg－6A1－3Zn－Mn合金。

Mg－6A1－3Zn－0.15Mn合金陽極的開路電位為-1500mV（SCE），在試驗室試驗的電流效率為60％左右，表面溶解均勻，是土壤中應用最廣泛的陽極材料。

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影響這類陽極電流效率的是含鐵量，標準SY/T0019－97中要求Fe含量小于0.005％。若用普通的電解鎂錠作原料是不合適的，必須要用高純的蒸餾鎂，因此制造的成本較高。近年來全國各地陸續(xù)誕生了一些小鎂廠，采用硅熱法生產(chǎn)鎂，此法又叫皮江法（Pid－geon）。用硅鐵在真空和高溫的條件下還原般燒白云石，直接制取金屬鎂，此法生產(chǎn)的鎂是鎂蒸餾后結晶得來，所以所含雜質(zhì)很少，非常適合用來制造鎂合金陽極。第131頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所133

對于上述三種鎂陽極，習慣上稱前兩種叫高電位鎂陽極，后一種為標準鎂陽極。按陽極形狀又可分為塊狀（棒形）鎂陽極和帶狀鎂陽極。因帶狀鎂陽極局限在高電阻率環(huán)境中應用，所以一般只能用高電位材料來制造，目前多以高純鎂制造。第132頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所1342.鋅及鋅合金鋅是一種很普通的金屬，原子量65.4，相對密度7.14，化合價為2，熔點420℃。鋅陽極的種類主要有高純鋅、Zn－AI、Zn－A1－Cd。鋅的電極電位比鐵負，表面不易極化，是理想的犧牲陽極材料。鋅不僅可以用于低電阻率土壤中，還可廣泛用于海洋中。鋅陽極的性能列于表3－13中。第133頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所135第134頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所136

1）高純鋅鋅的標準電位為-0.76V（SHE），在海水中高純鋅的穩(wěn)定電位是向負向偏移，為-1.06V（SCE）。在pH值約為6～12范圍內(nèi)，鋅的自溶性不大；在pH值為7～9的海水中，熱力學上唯一可能的過程是鋅溶解形成不溶性的Zn(OH)2。Zn(OH)2不溶于海水中，而積聚在鋅的表面上，阻正了它的自溶。鋅表面上形成碳酸鹽，也使鋅在海水中易鈍化。

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雜質(zhì)對陽極行為和自溶性有很大影響。當雜質(zhì)存在時，微電池的作用使金屬表面上堅固的氫氧化物和氫氧化物一碳酸鹽沉淀物的形成速度上升。這些沉淀物阻止鋅的進一步溶解。世界各國對鋅陽極的開發(fā)通過兩個途徑：一是采用未合金化的鋅，但限制雜質(zhì)含量，如ASTMB418－73中Ⅱ型陽極，其Fe含量＜0.0014％；二是采用低合金化的合金，同時減少其雜質(zhì)，如Zn－A1-Cd、Zn-A1合金。第136頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所138

2）Zn-A1-Cd三元鋅合金

Zn-A1-Cd溶解性能好，電流效率高，制造容易，價格低廉，所以得到廣泛應用。添加元素Al和Cd的作用有：使晶粒細化；消除雜質(zhì)的不利影響。添加0.l％的Al，可與0.003％的Fe形成固溶體。這種固溶體的電位比純鐵負，減弱了鋅合金的自腐蝕作用。添加0.3％的Al，形成的腐蝕產(chǎn)物變得疏松并容易脫落。第137頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所139

在鋅內(nèi)添加0.3％的A1和0.06％的Cd，可使鋅內(nèi)Fe和Pb的允許含量分別為0.003％和0.006％，使得陽極生產(chǎn)變得容易些。當Fe的含量大于0.005％時，會使陽極表面的均勻溶解受到影響，而且陽極的工作電位正向偏移，陽極效率也明顯下降。

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3）Zn－A1二元鋅合金和其他鋅合金一樣，對于Zn－A1合金的研究也是從合金元素Al的作用及雜質(zhì)Fe的含量對陽極的電化學性能的影響兩個方面進行。研究結果表明，含有0.3％～0.6％A1和0.001％～0.005％Fe時，Zn-A1合金具有良好的電化學性能。

Zn-A1合金在共晶溫度時，鋁在鋅中最大溶解度是1.02％；隨著溫度的降低，溶解度下降，在室溫時為0.05％～0.08％。

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合金的電位隨著含A1量從0到0.4％～0.6％，電位從-690mV變化到-740mV；進一步增加含Al量，合金的負電位就下降，含A1為3.0％時，電位值為-690mV。合金的電流效率隨著含A1量從0到0.4％～0.6％變化，其值從91.3％增加到96.5％；當含山量大于1％時，電流效率急劇下降，在3.0％A1時，電流效率為81.3％。鐵雜質(zhì)對Zn－A1合金的電流效率影響非常明顯。當鐵含量從0.004％提高到0.01％時，含有0.6％A1的Zn－A1合金的電流效率從88.5％降到76.0％。第140頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所142

目前，這三種鋅陽極在國內(nèi)均已商品化，且廣泛應用在海水和土壤中。由于鋅陽極的驅(qū)動電壓只有0.2－0.25V，所以產(chǎn)生的電流只有鎂陽極的三分之一。國內(nèi)外的文獻均對鋅陽極在土壤中的應用加以限制：國標GB/T4950-1985限制為15Ω·m以下，SY/T0019-97指出在多水的環(huán)境下可提高到30Ω·m以下使用，還有不少文獻把鋅陽極限制在10Ω·m以下。這主要考慮的是經(jīng)濟性。

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3.鋁合金鋁在電動序中位于鎂和鋅之間，原子量27.0，化合價為3，相對密度2.7，熔點660℃；理論電容量2980A·h/kg，是鋅的3.6倍，鎂的1.35倍。原料來源容易，制造工藝簡單，價格低廉。但無論是金屬鋁還是鋁合金，表面都極易鈍化，只能通過合金化來限制和阻止表面形成連續(xù)性氧化膜，促進表面活化，使合金具有較負的電位和較高的電流效率。常用的鋁合金陽極的電化學性能列在表3-14中。第142頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所144

鋁陽極材料來源豐富，且在海水中有良好的電化學性能，所以在船舶、港口碼頭。鉆井平臺等領域應用前景廣泛。但在土壤中到目前為止還未有成功的報道，主要是陽極的腐蝕產(chǎn)物氫氧化鋁膠體在土壤中無法疏散，使陽極鈍化而失效。即使在海泥中，其性能也不如鋅陽極。第143頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所145

在70年代，美國DOW化學公司研制的GalvalumⅢ型A1-3Zn-0.015In-0.1Si合金，把鋁陽極的應用范圍擴展到海泥、熱鹽水及電阻率較高的淡鹽水里，保護海灣和河口的鋼構筑物。這種陽極的性能列在表3-15中。第144頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所146

從國內(nèi)的實踐看，當在土壤電阻率小于5Ω·n。時，氯離于含量高的海邊灘地，鋁陽極還有一定的應用價值。

pH值對鋁的腐蝕速度和電位影響很大：pH值在3～9的范圍時，鋁的溶解在其表面形成含水氧化物（A12O3·H2O），從而形成高電阻膜引起鋁的鈍化，電位較高，溶解速度很慢；當pH＞9時，鋁的溶解部分形成鋁酸鹽，含水氧化物開始溶解，這時鋁的溶解速度增加，電位急劇地向負向移動。第145頁/共221頁2023/1/14西南石油學院儲運研究所147

在實用中，無論海水、淡水，還是土壤中PH值都很少大于9，因此鋁具有相當?shù)拟g化性。以上介