埋地管道及船舶的陰極保護

電化學保護

埋地管道及船舶的陰極保護江蘇科技大學材料學院2015年10月21日教學內容§3-1概述§3-2強制電流法陰極保護§3-3犧牲陽極法陰極保護

§1概述陰極保護簡史陰極保護的方法（分類）陰極保護參數(shù)陰極保護準則管道實施陰極保護的基本條件

陰極保護發(fā)展簡史陰極保護技術是電化學保護技術的一種，其原理是向被腐蝕金屬結構物表面施加一個外加電流，被保護結構物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。目前陰極保護技術已經(jīng)發(fā)展成熟，廣泛應用到土壤、海水、淡水、化工介質中的鋼質管道、電纜、碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構筑物等的腐蝕控制。1823年——英國學者漢.戴維研究對木質艦船的銅護套進行保護

1834年——法拉第→奠定了陰極保護原理基礎（i&CR→電化學理論）

1890年——愛迪生→提出強制電流保護船舶

1902年——柯恩→實現(xiàn)了愛迪生的設想

1905年——美國用于鍋爐保護

1906年——德國建立第一個陰極保護廠

1913年——命名為電化學保護

1924年——地下管網(wǎng)陰極保護

1928年，柯恩在長輸管線上安裝第一臺陰極保護整流器。1936年，美國成立了中部大陸的陰極保護協(xié)會。1940年,英國應用了犧牲陽極保護,德國和日本分別在1950和1964年開始研究電化學理論，并開始了煤氣管道的陰極保護。1985年，我國開始在石油管道上應用陰極保護技術。2009年11月，經(jīng)第十一屆全國人大常委會第十一次會議審議，通過了《中華人民共和國石油天然氣管道保護法(草案)》，將我國石油天然氣管道保護從部門條例上升為國家法律。1、陰極保護分類分為——犧牲陽極陰極保護

——外加電流陰極保護外加電流法：將被保護的管道與直流電源的負極相連，把輔助陽極與電源正極相連，使管道成為陰極，如圖a。犧牲陽極法：在待保護的管道上連接一種電位更負的金屬或合金，形成一個新的腐蝕原電池。接上的金屬成為犧牲陽極，整個管道成為陰極受到保護，如圖b。犧牲陽極與外加電流陰極保護對比保護方式犧牲陽極陰極保護

外加電流陰極保護優(yōu)點1、不需要外部電源。

2、對臨近金屬構筑物干擾小。

3、管理維護工作量小

4、工程費用與保護長度成正比

5、保護電流分布均勻，利用率高。

1、輸出電流連續(xù)可調，可滿足較大的保護電流密度要求

2、不受環(huán)境電阻率限制

3、工程越大越經(jīng)濟

4、對管道防腐覆蓋層質量要求相對較低

5、保護裝置壽命長

保護方式犧牲陽極陰極保護

外加電流陰極保護缺點1、犧牲陽極易丟失，壽命短2、高電阻環(huán)境不宜使用3、保護電流不可調，驅動電流小4、對覆蓋層質量要求高5、消耗有色金屬，需定期更換6、雜散電流干擾大時不能使用

1、需要可靠外部電源2、對臨近金屬構筑物干擾大，特別是鋪助陽極附近3、需設陰極保護站，日常進行維護管理4、在需要較小電流時，無法減少最低限度的裝置費用5、陽極地床不易維修，陽極產(chǎn)生氣體不易排出，易產(chǎn)生氣阻，增大地床電阻，影響地床壽命犧牲陽極與外加電流陰極保護對比2、陰極保護基本參數(shù)（一）自然電位Ee定義：未加陰極保護時，鋼管對地電位（管地電位）稱自然電位，又稱腐蝕電位。也即陰極極化前的管地電位稱自然電位?？傠娢籈o定義：加陰極保護后測出的管地電位稱總電位，即陰極極化后的電位。外加電位E定義：又稱偏移電位、極化電位?？傠娢慌c自然電位之差稱外加電位。

最小保護電位定義：對管路進行陰極保護時，加到管路上的、使管路腐蝕過程完全停止時的電位值?；蛘哒f，陰極極化電位達到Ea0時的電位。地下管路很長，電流流經(jīng)管路時，要產(chǎn)生電壓降，為保證管路沿線各點電位都高于最小保護電為（按絕對值）必須提高通電點的電位，通電點的電位越高，保護距離越長。為防止極化過分，絕緣層剝離、氫脆或氫鼓泡的現(xiàn)象，通電點的電位不能加得太高，最高不得超過最大保護電位，即通電點的電位受最大保護電位的限制。（二）保護電位最大保護電位定義：加到管路通電點的電位極限值。在此極限電位下，管路上的防腐絕緣層仍不致遭到破壞，此極限電位稱為地下管路的最大保護電位。如果通電電位大于最大保護電位（絕對值），由于氫去極化作用及電滲現(xiàn)象，會使絕緣層發(fā)生分層而遭到破壞。并且氫原子有可能滲入鋼管體內，導致鋼管發(fā)生氫脆。（三）保護電流密度最小保護電流密度定義：對管路外加某一數(shù)量的電流密度，使管路沿線任一點都沒有腐蝕電流流入土壤，此時的電流密度稱為最小電流密度。或者說，使保護管路發(fā)生陰極極化，其極化電位達到Ea

0時，對應的電流密度為最小保護電流密度。

最小保護電流密度隨外界條件不同會有很大變化，如絕緣層質量、土壤含水量、土壤溫度、土壤電阻率等。因而最小保護電流密度有可能差幾倍。因此對不同的管路，甚至同一管路的不同段落所需的最小保護電流密度的數(shù)值也都是不同的，故最小保護電流密度參數(shù)對長距離管路不太實用，但較適用于作為油罐、油輪等金屬構筑物的陰極保護標準?；谝陨显?，對于長輸管路，采用的標準為最小保護電位。（四）陰極保護度保護度：按國標GB/I10123-88中的定義，保護度是“通過防蝕措施使特定類型的腐蝕速率減小的百分數(shù)”。這一參數(shù)可以直觀地看出陰極保護的效果。它是通過試樣在陰極保護狀態(tài)下和非保護試樣對比得來。在管道實踐中通常用檢查片來測定。設非保護狀態(tài)下自然埋設的檢查片原始質量為WO，試樣腐蝕后經(jīng)清除腐蝕產(chǎn)物后的質量為W1，試樣的表面積為SO，埋設時間為t，檢查腐蝕前后的質量損失GO=WO-W1俗稱失重。由失重法計算檢查片的腐蝕速率為：陰極保護準則

美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)在《埋地和水下金屬管道外防腐推薦規(guī)范》RP—01—69(1983年修訂)的標準中，對陰極保護準則做了如下的規(guī)定，并已被世界各國采用20多年。(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/CuSO4參比電極負極化電位至少為850mV。(3)在構筑物表面與接觸電解質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。-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。但是覆蓋層的質量太劣或是裸管，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。

§3-l概述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：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，如選用高質量的管道覆蓋層以及合理布局絕緣連接體。管道的電絕緣管道電絕緣的目的，是將被保護管道和不應受保護的金屬體從導電性上分開。如果沒有此類裝置，保護電流將會沿著金屬導體流到不應受保護的管道、金屬體或大地從而增大電源功率的輸出，縮短保護長度。在雜散電流干擾區(qū)，絕緣裝置還可用來分割干擾區(qū)和非干擾區(qū)，減少雜散電流的干擾區(qū)域。§3-l概述管道實施陰極保護的基本條件

（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。§3-l概述管道實施陰極保護的基本條件

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、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。（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。（3）其他電絕緣管道穿越河流，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防腐層。管道與所有相遇的如電纜、管道等金屬構筑物必須保持電絕緣?！?-l概述管道實施陰極保護的基本條件

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導通。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。陰極保護管道的附件(1)檢查片：檢查片材質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。檢查片一般成對埋沒，一片與管道相連〔施加電保護)；另一片不相連。經(jīng)一定時間后開挖、稱重、計算保護度?！?-l概述管道實施陰極保護的基本條件

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?！?-l概述

檢查片常規(guī)測試周期不得小于一年。推薦為l、2、5、10、20年。檢查片埋設參見圖3-3。管道實施陰極保護的基本條件

檢查片之間相距300mm。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。在雜散電流干擾區(qū)，應把檢查片埋在直流雜散電流從管道流出的地點?！?-l概述管道實施陰極保護的基本條件

（2）測試樁：從埋地管道上引出，用于測量管道陰極保護參數(shù)的永久測試裝置。測試樁也叫檢查頭，它沿管道安裝，每隔一定距離焊接一組測試導線，引到測試裝置上。測試導線可固定在水泥測試樁上，或置于保護鋼管內。因此有水泥樁和鋼管樁之分。測試樁有設置在地上的，有設置在地下的，長輸管線一般設置在地上，城市管線因占地的限制有些設在地表下，結構都相同。測試樁的典型結構及導線連接見圖3－4。測試樁設置原則為：①電位測試樁，一般每公里設一支，需要時可以加密或減少；②電流測試樁，每5～8km處設一支；③套管測試樁，套管穿越處一端或兩端設置；④絕緣接頭測試樁，每一絕緣接頭處設一支；⑤跨接測試樁，與其他管道、電纜等構筑物相交處設一支；⑥站內測試樁，視需要而設；⑦犧牲陽極測試樁，一般設在兩組陽極的中間部位?！?-l概述管道實施陰極保護的基本條件

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?！?-l概述§2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算強制電流法陰極保護系統(tǒng)的設計

強制電流陰極保護的工藝計算

強制電流陰極保護的計算包括保護長度的計算，陰極保護站數(shù)的確定，陽極裝置的選取，電源和導線的設計等。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。因此，首先要知道一個站能保護多遠，這樣才能確定所需的站數(shù)。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?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

（一）管道沿線外加電位與電流的分布規(guī)律如圖，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。強制電流陰極保護的工藝計算

假設假定輔助陽極相對于整個大地是一個點電源，它通電后在地下所形成的是一個半球面的電場。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：(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)因土壤橫截面積無窮大，土壤電阻可以忽略不計?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

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。(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或庫內流失?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

由式（3-10）、（3-11）可解出沿線各處電位與電流的關系：§3-2強制電流法陰極保護

在匯流點處，x=0，故匯流點一側的電流為：（二）保護范圍的計算1.無限長管道的計算強制電流陰極保護的工藝計算

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）物理意義：①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。②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。③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。

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（3-13）算出?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

由式（3-12）和式（3-13）可得結論：由于管材選定后，rT是一個常數(shù)而且很小，所以陰極保護管道所需保護電流I0的大小和可保護段落長度主要受防腐層電阻的影響。防腐層質量好，則電能消耗少，保護距離也長。根據(jù)國內經(jīng)驗，當瀝青防腐層施工質量較好時，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?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

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?！?-2強制電流法陰極保護

計算中需要注意：式（3-13）中的Emax和Emin均為陰極極化值，即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:強制電流陰極保護的工藝計算

§3-2強制電流法陰極保護

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l2＞l1。有限長管道一側的保護長度：強制電流陰極保護的工藝計算

（三）電源功率的計算根據(jù)被保護系統(tǒng)所需要的總電流和總電壓來選擇直流電源的類型和規(guī)格，系統(tǒng)的總電流為I=2I0,系統(tǒng)的總電壓為

§3-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

根據(jù)經(jīng)驗，在一般條件下，陽極接地電阻約占回路總電阻的70%～80%，故陽極材料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?！?-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

§3-2強制電流法陰極保護

式中V額——額定輸出電壓，V；

I額——額定輸出電流，A。

注：因陽極與管道之間存在的自然電位差與外加電壓的極性相反，故稱反電壓。當陽極采用石墨陽極或焦炭回填物時，這個電壓通常為2V，鋼鐵陽極為零。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。

強制電流陰極保護的工藝計算

（四）陽極接地裝置的計算

1、輔助陽極的接地電阻因地床結構不同而區(qū)別。各種結構接地電阻的計算公式可見有關手冊。這里給出三種常用埋設方式的接地電阻計算公式。（1）單支立式陽極接地電阻的計算：§3-2強制電流法陰極保護

補充：多支立式陽極接地電阻的計算：

式中：Rv1——由公式（3－22）計算的到；

n——陽極根數(shù)；

——屏蔽系數(shù)，查表得強制電流陰極保護的工藝計算

（2）深埋式陽極接地電阻的計算：§3-2強制電流法陰極保護

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；

RH——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；

ρ——土壤電阻率，Ω·m。

（3）單水平式陽極接地電阻的計算：強制電流陰極保護的工藝計算

補充：多支水平式陽極接地電阻的計算：§3-2強制電流法陰極保護

式中——由公式（3－24）計算的到；

n——陽極根數(shù)；

——屏蔽系數(shù)，查表得。

（4）多支立式陽極并聯(lián)敷設陽極接地電阻的計算：

強制電流陰極保護的工藝計算

§3-2強制電流法陰極保護

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。強制電流陰極保護的工藝計算

2、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致陽極電阻上升使電源設備輸出不匹配，而不能正常工作的時間。當然，這里的壽命計算不包括地床設計不合理造成的“氣阻”，施工質量不可靠造成的陽極電纜斷線等因素引起的陽極報廢。

通常陽極的工作壽命由式（3-26）計算：§3-2強制電流法陰極保護

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。強制電流陰極保護的工藝計算

§3-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

3、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?？砂词剑?-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。但選擇時候應綜合考慮陽極壽命和經(jīng)濟性。

§3-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

例題：陰極計算例題：對某長輸管道進行陰極保護設計，已知參數(shù)：L=125km，管徑，材質：低碳鋼，，防腐層過渡電阻，自然電位－0.55V,最大保護電位－1.20V，最小保護電位－0.85V。解：（1）計算保護長度：§3-2強制電流法陰極保護

強制電流陰極保護的工藝計算

帶入公式得：（2）計算保護站數(shù)：§3-2強制電流法陰極保護

（3）計算匯流點一側的電流：強制電流陰極保護的工藝計算

（4）計算陽極接地電阻：①陽極材料：廢鋼鐵，消耗率9.1②陽極規(guī)格：，長3m，8.38kg/m③計算所需要陽極支數(shù)：所需陽極總重量：所需陽極總長度：所需陽極支數(shù)：只④計算單支陽極的接地電阻埋設方式：立式，埋深t=2.2m，§3-2強制電流法陰極保護

⑤陽極總電阻一對陽極間距：6m，強制電流陰極保護的工藝計算

（5）電源功率的計算§3-2強制電流法陰極保護

RL導線電阻：導線規(guī)格：LGT-35鋁膠線，0.00085

導線長度：500m，深井陽極施工有關照片陰極保護恒電位儀§3-3犧牲陽極法陰極保護

犧牲陽極材料犧牲陽極的設計犧牲陽極的施工犧牲陽極的測試與管理犧牲陽極的特殊應用概述

犧牲陽極法是最早應用的陰極保護方法。它簡單易行，不需電源，不用專人管理，不干擾鄰近設備和裝置，僅消耗少量有色金屬材料，就可以使金屬構筑物獲得完全的陰極保護。同時，犧牲陽極還是抗干擾腐蝕的一種手段，具有泄流、防腐以及防雷、防靜電接地等各種功能，有外加電流法無法相比的優(yōu)點，可以說，在油、氣管道陰極保護中，犧牲陽極法與外加電流法居同等重要的地位。它們互相配合，相輔相成，共同促進陰極保護技術的發(fā)展。只有這兩方面工作都做好，才能使陰極保護這種先進的防腐技術，在管道防腐工程中充分發(fā)揮作用。對犧牲陽極樹科的要求：由于犧牲陽極法是通過陽極自身的消耗給被保護金屬體提供保護電流，對犧牲陽極材料就產(chǎn)生了性能要求：概述

（1）電位：要有足夠負的電位，在長期放電過程中很少極化。（2）腐蝕產(chǎn)物：腐蝕產(chǎn)物應不粘附于陽極表面，疏松易脫落、不可形成高電阻的硬殼且無污染。（3）電化當量：電化當量高，即單位重量的電容量大，且輸出電流均勻。（4）電流效率：自腐蝕小，電流效率高。即實際電容量和理論電容量之比的百分數(shù)要大。（5）機械性能：有較好的機械性能，價格便宜、來源方便、加工容易。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的含量。合金的金相組織對陽極性能也有著重要的影響。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，單位質量發(fā)生電量大；不足之處是電流效率低（約50％）。*鎂的表面不易極化，腐蝕產(chǎn)物疏松易脫落。因此，鎂是應用最廣的常用的犧牲陽極材料。犧牲陽極材料

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。（1）高純鎂。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。高純鎂中的雜質含量對其陽極性能影響很大。主要的雜質有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)生陰極性雜質的有害作用、影響較小的有Cd、Mn、Na、Si、Zn、A1、Pb、Ca、Ag等。

犧牲陽極材料

（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，而與沉積在坩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。（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?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極材料

2.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。鋅陽極的性能列于表3－13中。*鋅合金陽極在海水中和在土壤中都具有較高的電流效率，其電位穩(wěn)定，陽極輸出電流能隨被保護金屬的狀態(tài)，環(huán)境的變化而自動調節(jié)。它不僅能用于低電阻率土壤中，還可用于海洋中。鋅合金陽極的生產(chǎn)也已標準化。如ASTMB418及我國國標GB4950等。*鋅陽極的不足之處在于相對鋼鐵的有效電位差小，只有0.20—0.25伏，因此只能用于土壤電阻率小于15(GB4950中規(guī)定)的土壤中。當土壤潤濕時，可擴大到30?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極材料

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980A·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。*鋁合金陽極的缺點是電流效率和溶解性比鋅陽極低，且隨陽極成分不同而異。與鋼結構撞擊有誘發(fā)火花的可能性，在電阻率高的介質中電流效率低?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極材料

*鋁在土壤中使用效果不佳，大部分用于海水，海泥中的金屬結構物防護。對鋁陽極的改進工作從50年代開始，60年代以來，鋁陽極發(fā)展很快。常見的鋁陽極有二元系列：Al—Zn，A1一Sn，A1——In；三元系列：A1一Zn—Hg、A1一Zn—Sn、A1一Zn—In、Al—Zn—cd、AL—Zn—Mg系列。這些陽極在海洋環(huán)境中使用日益廣泛，己逐漸取代鎂陽極和鋅陽極。近年來，又根據(jù)環(huán)境保護的要求，對陽極中含有的Hg、Cd等有毒重金屬元素進行了限制，選定了以A1一Zn一In為主體，再加入第四或第五元素來進一步改善鋁陽極的性能。

§3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的設計

1.陽極種類的選擇犧牲陽極種類的選擇主要根據(jù)土壤電阻率、土壤含鹽類型及被保護管道覆蓋層狀態(tài)來進行。表3-16列出了不同電阻率的水和土壤中陽極種類的選擇。一般來說，鎂陽極適用于各種土壤環(huán)境中；鋅陽極適用于電阻率低的潮濕環(huán)境；而鋁陽極還沒有統(tǒng)一的認識，國內已有不少實踐推薦用于低電阻率、潮濕和氯化物的環(huán)境中。犧牲陽極的設計

2.犧牲陽極的工藝計算（1）犧牲陽極接地電阻的計算；（2）陽極輸出電流的計算；（3）陽極支數(shù)的計算；（4）陽極壽命的計算；（5）犧牲陽極埋沒間距及數(shù)量的確定。管道犧牲陽極保護需要解決兩個主要問題，一是埋設多少支犧牲陽極二是陽極埋設間距應多大。當犧牲陽極種類確定后，為使陽極輸出較多電流，盡量發(fā)揮一組陽極的效能，需要將陽極埋沒在土壤電阻率低的地方。同時，還需考慮管道條件，涂層電阻，施工方便等因素。在管道工程實際中，在平原或土壤性質較為均一的環(huán)境，犧牲陽極可呈等距分布。在丘陵、山區(qū)應呈不等距分布。至于陽極間距，則在一個較大的數(shù)值內變動。但是，不論陽極是等距或不等距安裝，陽極保護范圍或長或短，都應首先去現(xiàn)場測定陽極埋沒點的土壤電阻率，再根據(jù)現(xiàn)場條件確定出犧牲陽極的埋設位置，由此計算出所需的犧針陽極數(shù)量。犧牲陽極的設計

3．犧牲陽極地床（1）地床的構造。化學填包料的作用：使陽極與填料相鄰，改善了陽極工作環(huán)境；降低陽極接地電阻，增大陽極輸出電流；填料的化學成分有利于陽極產(chǎn)物的溶解，不結痂，減少不必要的陽極極化；維持陽極地床長期濕潤?；瘜W填包料的基本要求：電阻率低；滲透性好；不易流失；保濕性好。犧牲陽極填包料用袋裝和現(xiàn)場鉆孔中填裝。注意袋裝用的袋子必須是天然纖維織品，嚴禁使用化纖織物?，F(xiàn)場鉆孔填裝效果雖好，但填料用量大，稍不注意易把土粒帶人填料中，影響填包質量。填料厚度應在各個方向均保持

5～l0cm為好。表3-17為目前常用犧牲陽極填包料的化學配方。犧牲陽極的設計

（2）陽極形狀。針對不同的保護對象和應用環(huán)境，犧牲陽極的幾何形狀也各不相同。主要有棒形、塊（板）形、帶狀、鐲式等幾種。在土壤環(huán)境中多用棒形犧牲陽極，陽極多作成梯形截面或U形截面。陽極接地電阻主要決定于陽極長度，也就決定了陽極輸出功率，其截面的大小才決定陽極的壽命。帶狀陽極主要應用在高電阻率土壤環(huán)境中，有時也用于某些特殊場合，如臨時性保護、套管內管道的保護、高壓干擾的均壓柵（環(huán)）等。鐲形陽極只適用于水下或海底管道的保護。塊（板）狀陽極多用于船殼、水下構筑物、容器內保護等?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的設計

（3）陽極地床的布置。犧牲陽極的分布可采用單支或集中成組兩種式；陽極埋設分為立式、水平式兩種；埋設方向有軸向和徑向。陽極埋設位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.3m。埋設深度以陽極頂部距地面不小于lm為宜。對于北方地區(qū)，必須在凍土層以下。成組埋設時，陽極間距以2～3m為宜。§3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的設計

在地下水位低于3m的于燥地帶，犧牲陽極應當加深埋設；對河流、湖泊地帶，犧牲陽極應盡量埋設在河床（湖底）的安全部位，以防洪水沖刷和挖泥清淤時損壞。在城市和管網(wǎng)區(qū)使用犧牲陽極時，要注意陽極和被保護構筑物之間不應有其他金屬構筑物，如電纜、水、氣管道等。陽極組的間距，對于長輸管道為l-2組/km，對于城市管道及站內管網(wǎng)以200～300m一組為宜。 §3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工犧牲陽極的施工除了上面地床結構中提到的陽極埋深、陽極與管道的相對位置、陽極間距及陽極地床處的地下水位之外，還要注意的有如下幾個方面：1.陽極表面準備陽極表面應無氧化皮、無油污、無塵土，施工前應用鋼絲刷或砂紙打磨。2.電纜焊接陽極電纜和鋼芯可采用銅焊或錫焊連接。焊接后未剝皮的電纜端應與鋼芯用尼龍繩捆扎結實，陽極焊接端和底端兩個面應采用環(huán)氧樹脂絕緣，以減輕陽極的端部效應。犧牲陽極的施工3.填包料的施工一般填包料可在室內準備，按重量調配好之后，根據(jù)用量干調、濕調均可。濕調的陽極裝袋后應在當天埋入地下。不管干調還是濕調均要保證填包料的用量足夠，并保證回填密實。陽極就位后，先回填部分細土，然后往陽極坑中澆一定量的水，然后再大回填土。4.電纜的施工陽極電纜可以直接和管道連接，也可通過測試樁中接線盒連接。電纜和管道采用鋁熱焊接方式連接。連接處應采用和管道防腐層相融的材料防腐絕緣。電纜要留有一定的裕量，以適應回填松土的下沉。犧牲陽極的施工補充：注意事項：（1）使用條件犧牲陽極適用于短管線和油氣田內部集輸管網(wǎng)的陰極保護。具有不需外部電源，安裝簡便，價格低廉，對鄰近的地下金屬構筑物不造成干擾等優(yōu)點、技術經(jīng)濟性是明顯的。但將具有良好性能的犧牲陽校正確地使用到埋地管道的陰極保護中卻非易事。因為犧牲陽極長期有效輸出保護電流，受環(huán)境因素影響甚大，它決定于被保護構筑物的涂層質量，土壤介質的理化性質等外部條件。若使用不當，其防腐效果往往并不理想。合理使用管道犧牲陽極的條件如下。

§3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工①

低的土壤電阻率及適宜的陽極埋設點犧牲陽極與被保護鋼鐵管道之間的電位差較小，若保護系統(tǒng)的回路電阻過大，將限制陽極電流輸出。有資料指出：土壤電阻率大于100歐.米時，使用犧性陽極是不適宜的。因此，將犧牲陽極置于電阻率低的土壤環(huán)境中，是正確使用管道犧牲陽極的首要條件。在土壤中，鎂、鋅陽極適用的土壤電阻率不是某一固定的數(shù)值。因為就陽極本身來講，重量決定使用壽命，長度決定電流輸出。當管道涂層電阻一定時，對于土壤電阻率較高的陽極埋設點，可用增加陽極支數(shù)或增加單位重量的陽極表面積(如條狀陽極，加大填包料幾何尺寸等)的辦法降低接地電阻，提高陽極電流產(chǎn)率來達到陰極保護效果。這可從四川氣田大量鋅陽極埋設實踐中得到證明。犧牲陽極的施工我國管道防腐規(guī)程指出：“當土壤電阻率小于30歐·米時，宜選用鋅陽極；土壤電阻率小于100歐·米時，宜選用鎂陽極?！边@對在土壤中正確使用鎂、鋅陽極是必要的。因為有了這一數(shù)據(jù)的指示，便于工程實際應用。為選取合適的陽極埋設點，要堅持現(xiàn)場工作。必須沿管道進行土壤電阻率的測定，電測點的密度以滿足管道獲得完全的陰極保護為準，埋設點環(huán)境除了考慮土壤電阻率低外，還要選擇在地勢低洼、潮濕、透氣性差、土層厚、無化學污染、施工方便的地方?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工②

質量良好的管道防腐涂層裸管或涂層質量差的長輸管道，由于所需保護電流大，使用犧牲陽極是不經(jīng)濟的。因此，對于采用犧牲陽極保護的長輸管道來講，其涂層質量必須良好。而且與外部地下金屬管道或構筑物，不能有電氣連接。這是保證用好犧牲陽極的必要條件。但對短、小管道則可不受此限制。③正確使用填包料在土壤中應用的犧牲陽極必須使用填包料，每種犧牲陽極都有與其性能適宜的一種或幾種填包料配方。如果選用不當，將惡化陽極電化學性能，必須正確選用。其數(shù)量隨土壤電阻率增減，土紹電阻率高的地方，填包料的外徑要大一些?！?-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工（2）合理選用犧牲陽極種類對陽極種類的選擇，各國由于資源條件和管道所處環(huán)境的不同，常常各有側重。例如在土壤中，歐美各國多選用鎂陽極。我們則應根據(jù)我國資源特點來選擇管道犧牲陽極材料。鎂陽極開路電位高，發(fā)生電量大，適用范圍廣。這在鎂資源豐富的國家無疑是應該首先選用的材料。但鎂陽極冶煉工藝復雜、效率低，會產(chǎn)生過保護，存在著不足之處。鎂同時又是戰(zhàn)略資源，在大規(guī)模使用前必須考慮鎂材料的來源。§3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工

鋼質海船外殼表面犧牲陽極法陰極保護設計舉例： 已知219×7輸油管道敷設于山區(qū)環(huán)境。全長14公里。外涂瀝青防腐層，其涂層電阻，r1=10000Ωm2管道自然電位Eo＝－0.55V(硫酸銅電極測定，下同)。管道起、末兩端均裝有絕緣法蘭。欲采用犧牲陽極進行陰極保護，最小保護電位Ep要求在-0.95伏以下。求所需犧牲陽極的規(guī)格及數(shù)量。

解:（1）經(jīng)現(xiàn)場勘察及沿線土壤電阻率測量，結合管道參數(shù)條件，確定選用二組鋅合金陽極，一組鎂合金陽極對管道進行陰極保護。

ZA型8公斤鋅合金陽極開路電位Ea=-1.10伏 棒型8公斤鎂合金陽極開路電位Ea=-1.60伏 第一組鋅陽極埋設點土壤電阻率ρ15=15歐·米，預計保護范圍L15=5公里。 第二組鋅陽極埋設點土壤電阻率ρ20=20歐·米，預計保護范圍L20=4公里。

§3-3犧牲陽極法陰極保護犧牲陽極的施工

第三組鎂陽極埋設點土壤電阻率ρ40=40歐·米，預計保護范圍L40=5公里。 （2）用公式§3-3犧牲陽極法陰極保護

計算出各管段需要的犧牲陽極發(fā)生電流及陽極接地電阻。列于表5-2-2。犧牲陽極的施工§3-3犧牲陽極法陰極保護

（3）若要求犧牲陽極使用壽命為20年，用公式（3-36)算出各組陽極的總重量列于表5-2-30犧牲陽極的施工§3-3犧牲陽極法陰極保護

（4）求各組需要的犧牲陽極支數(shù)

1）單支陽極接地電阻

ZA型8公斤鋅陽極選用（3-30）簡化公式的已知條件進行埋設。犧牲陽極的施工§3-3犧牲陽極法陰極保護

第一組鋅陽極單支接地電阻： 第二組鋅陽極單支接地電阻： 第三組棒型8公斤鎂陽極選用(3－31)簡化公式的己知條件進行埋設。則單支陽極接地電阻為：

2）求各陽極組中單支陽極數(shù)量 ①第一組鋅陽極數(shù)量

ZA型鋅陽極單支重量W1=8公斤，代入公式得：

取n=8支犧牲陽極的施工§3-3犧牲陽極法陰極保護

當陽極間距為3米，查表5-2-1得k＝1.2745代入公式進行校核。

所以，第一組ZA型8公斤鋅陽極的數(shù)量為8支。 ②用上列步驟計算?。? 第二組ZA型8公斤鋅陽極的數(shù)量為7支． 第二組棒型8公斤鎂陽極的數(shù)量為5支．船舶的陰極保護1概述船舶在海水中的腐蝕現(xiàn)象嚴重：海水是典型的電解質溶液,含有大量的溶解氧和Cl-離子,