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)-0.50至-0.80

低碳鋼(表面銹蝕)-0.20至-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電極，其電極電位具有良好的 重復性和穩(wěn)定性，構(gòu)造簡單，在陰極保護領(lǐng)域中得到廣泛釆 用。不同參比電極之間的電位比較：

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，至多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

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査

1、管道對地絕緣的檢査

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)檢査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、管道導電性檢查

對被保護管道應(yīng)具有連續(xù)的導電性能。

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-1.30V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-0.85V，同時，各站通電點極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、當管道全線達到極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

（一）陰極保護設(shè)施的日常維護

1、電氣設(shè)備定期技術(shù)檢査。電氣設(shè)備的檢査每周不得少于一次，有下列內(nèi)容：檢査各電氣設(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線，以及接至陽極地床、通電點的導線是否完好，接頭是否牢固。

2、檢査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)査明原因及時恢復供電。

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)査找原因，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10Ω，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。

（二）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。

（三）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。

（四）陽極地床的維護

1、陽極架空線：每月檢査一次線路是否完好，如電桿有無傾斜，瓷瓶、導線是否松動，陽極導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。

（五）測試樁的維護

1、檢査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)檢査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。

（六）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。

（七）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。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、每日檢査測量通電點電位，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

（一）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0

（二）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)復雜，被保護管道與多條和線有交叉穿越，則使得漏電點的査找出現(xiàn)復雜現(xiàn)象。常常要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，反復測量、多方位檢查并綜合判斷才能找到真正的漏電故障點。

（三）漏電點的査找

1、利用査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，貝U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1—2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。

（四）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。

輔助陽極的設(shè)置

（一）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300?500米之間為宜。管道較短或油氣管道較密集的地區(qū)，釆用50?300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，可釆用深井陽極，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。

（二）輔助陽極的結(jié)構(gòu)

1、淺埋式地床結(jié)構(gòu)

將電極埋入距地表1?5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.容易檢査地床各部分的工作情況。

③ 聯(lián)合式陽極

指釆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所組成。

2、深埋式陽極（深井式）

當陽極地床周圍存在干擾、屏蔽、地床位置受到限制，或者在地下管網(wǎng)密集區(qū)進行區(qū)域性陰極保護時，使用深埋式陽極，可獲得淺埋式陽極所不能得到的保護效果。深埋式地床根據(jù)埋設(shè)深度不同可分為淺深井（20?40米）、中深井（50?100米）和深井（＞100米）三種。

深埋式陽極地床的特點是接地電阻小，對周圍干擾小，消耗功率低，電流分布比較理想。它的缺點是施工復雜技術(shù)要求高，單井造價貴。尤其是深度超過100米的深陽極，施工需要大鉆機，這就限制了它的應(yīng)用。

（三）陽極地床填料的應(yīng)用

石墨陽極無論采用淺埋或深埋都必須添加回填料。高硅鐵陽極一般需要添加回填料，但在特殊地質(zhì)可能不使用回填料，如沼澤、流砂層地區(qū)等。

1、陽極地床填料的功能

① 增大陽極與土壤的接觸，從而降低地床接地電阻；

② 將陽極電極反應(yīng)轉(zhuǎn)移到填料與土壤之間進行，延長陽極的使用壽命；

③ 填料可以消除氣體堵塞。

2、對填料的要求

① 填料顆粒必須是導電體，以保證陽極與土壤之間良好的導電性。

② 填料應(yīng)成本低，來源廣，具有較連續(xù)的接觸表面。

常用的回填料是焦炭粒，也可釆用石墨加上石灰充填，以保持陽極周圍呈堿性。

確保陽極與回填料良好的電接觸，填料必須在陽極周圍夯實。否則會使一部分電流從陽極直接流向土壤而縮短陽極使用壽命。

在粘土地區(qū)，若陽極地床通過電流太大，可采用電極帶孔的硬塑料管，由填料層直接通地面，及時地將陽極周圍產(chǎn)生的氣體排出地面。對于較干燥地區(qū)可向地床注水降低接地電阻。

3、回填料的重量

可用下述簡單方法估計填料的容積：陽極地床孔徑為陽極直徑的三倍。且在電極上下各填300毫米填料。對粒徑為15mm,比重為0.6噸/米3的焦炭粒來說，每支$100x1500陽極的參考用量為200公斤。

（四）陽極數(shù)量與接地電阻

陽極數(shù)量與接地電阻成反比關(guān)系。在一定范圍內(nèi)增加陽極支數(shù)會起到降低接地電阻的作用。但是由于陽極間的屏蔽效應(yīng)，往往增加較多支的陽極，而降低電阻卻很少。所以對于陽極數(shù)量的選擇是一個經(jīng)濟效益問題。在確定陽極數(shù)量時需要考慮主要因素為：

1、要使陽極輸出的電流在陽極材料允許的電流額度內(nèi)，以保證陽極地床的使用壽命。

2、在經(jīng)濟合理的前提下，陽極接地電阻應(yīng)盡量做到極小，以降低電能耗量。即對接地電阻規(guī)定一個合適的數(shù)值。目前接地電阻一般不大于1歐左右，在特殊地區(qū)可根據(jù)現(xiàn)場情況JZE/E?

犧牲陽極陰極保護陽極材料

一、鎂犧牲陽極

根據(jù)形狀以及電極電位的不同，鎂陽極可用于電阻率在20歐姆/米到100歐姆/米的土壤或淡水環(huán)境。高電位鎂陽極的電位為1.75VCSE，低電位鎂陽極的電位為1.55VCSE。

（一）鎂陽極陽極規(guī)格

（二）鎂陽極化學成分

（三）鎂陽極電化學性能

（四）鎂陽極消耗量計算

I = 陽極電流輸出（Amps ）

T = 設(shè)計壽命（years ）

U = 電流效率（0.5 ）

Z = 理論電容量（2200Ah/kg ）

Q = 陽極使用率（85% ）

W = 陽極重量（Kg ）

二、鋅犧牲陽極

鋅犧牲陽極多用于土壤電阻率小于15歐姆/米的土壤環(huán)境或海水環(huán)境。電極電位為1. IVCSE。溫度高于40°C時，鋅陽極的驅(qū)動電位下降，并發(fā)生晶間腐蝕。高于60℃ 時，它與鋼鐵的極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，變成陰極受到保護，而鋼鐵變成陽極受到腐蝕。所以，鋅陽極僅能用于溫度低于40℃的環(huán)境。

（一）化學成分

（二）電化學性能

（三）鋅陽極消耗量計算

I = 陽極電流輸出（Amps ）

T = 設(shè)計壽命（years ）

U = 電流效率（0.90 ）

Z = 理論電容量（827Ah/kg ）

Q = 陽極使用率（85% ）

W = 陽極重量（Kg ）

三、鋁犧牲陽極

鋁犧牲陽極大多用于海水環(huán)境金屬結(jié)構(gòu)或原油儲罐內(nèi)底板的陰極保護。其電極電位為1.05VCSE。電容量隨溫度遞減，可參考公式：

Z=2000-27×（T-20），（T為陽極工作溫度℃）。

（一）鋅陽極消耗量計算

I = 陽極電流輸出（Amps）

T = 設(shè)計壽命（years）

U = 電流效率（0.95）

Z = 理論電容量（2000Ah/kg）

Q = 陽極使用率（85%）

W = 陽極重量（Kg  ）

四、帶狀陽極

為了減小陽極接地電阻，有時會采用帶狀鎂陽極或鋅陽極。陽極帶沿被保護結(jié)構(gòu)鋪設(shè)，使電流分布更加均勻。當陽極帶沿管道鋪設(shè)時，每隔一段距離就應(yīng)該與管道連接一次。間距不應(yīng)太大，因為隨著陽極的消耗，截面積不斷減小，陽極帶電阻會逐步增大。為了減少沿陽極帶的電壓降,連接間隔一般不大于305米。如果將帶狀陽極直接埋到土壤或回填砂屮，陽極可能會發(fā)生自身腐蝕，使用壽命縮短。帶狀陽極的一般規(guī)格為19x9.5mmx305m每卷。

五、回填料

當使用填料時，陽極的電流輸出效率提高。如果將陽極直接埋入土壤，由于土壤的成分不均勻，會造成陽極自身腐蝕，從而降低陽極效率。釆用填料，一是保持水分，降低陽極的接地電阻，二是使陽極表面均勻腐蝕，提高陽極利用效率。

外加電流陰極保護陽極材料

外加電流陰極保護是防止地下金屬結(jié)構(gòu)如管道、儲罐等腐蝕的有效辦法。輔助陽極是外加電流系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將保護電流經(jīng)過介質(zhì)傳遞到被保護結(jié)構(gòu)表面。

一、對陽極的性能要求

地下結(jié)構(gòu)物外加電流陰極保護用陽極通常并不直接埋在土壤中，而是在陽極周圍填充碳質(zhì)回填料而構(gòu)成陽極地床。碳質(zhì)回填料通常包括冶金焦碳、石油焦碳和石墨顆粒等。回填料的作用是降低陽極地床的接地電阻，延長陽極的使用壽命。

針對陽極的工作環(huán)境，結(jié)合實際工程的要求，理想的埋地用輔助陽極應(yīng)當具有如下性能：

① 良好的導電性能，工作電流密度大，極化??；

② 在苛刻的環(huán)境中，有良好的化學和電化學穩(wěn)定性，消耗率低，壽命長；

③ 機械性能好，不易損壞，便于加工制造，運輸和安裝；

④ 綜合保護費用低。

二、各類陽極的性能特點

（一）廢鋼鐵陽極

廢鋼鐵是早期外加電流陰極保護常用陽極材料，其來源廣泛，價格低廉。由于是溶解性陽極，表面很少析出氣體，因而地床中不存在氣阻問題。其缺點是消耗速率大，在土壤中為8.4kg/A.a,使用壽命較短，多用于臨時性保護或高電阻率土壤中。

（二）石墨陽極

石墨是由碳素在高溫加熱后形成的晶體材料，通常用石蠟、亞麻油或樹脂進行浸漬處理，以減少電解質(zhì)的滲入，增加機械強度。經(jīng)浸漬處理后，石墨陽極的消耗率將明顯減小。石墨陽極在地床中的允許電流密度為5?10A/m2。

石墨陽極價格較低，并易于加工，但軟而脆，不適于易產(chǎn)生沖刷和沖擊作用的環(huán)境，在運輸和安裝時易損壞，隨著新的陽極材料出現(xiàn)，其在地床中的應(yīng)用逐漸減少。

（三）高硅鑄鐵陽極

高硅鑄鐵幾乎可適用于各種環(huán)境介質(zhì)如海水、淡水、咸水、土壤中。當陽極電流通過時，在其表面會發(fā)生氧化，形成一層薄的SiO2多孔保護膜，極耐酸，可阻止基體材料的腐蝕,降低陽極的溶解速率。但該膜不耐堿和鹵素離子的作用。當土壤或水中氯離子含量大于200x10-4%時，須采用加4.0%?4.5%Cr的含銘咼硅鑄鐵。咼硅鑄鐵陽極在干燥和含有較咼硫酸鹽的環(huán)境中性能不佳，因為表面的保護膜不易形成或易受到損壞。

高硅鑄鐵陽極具有良好的導電性能，高硅鑄鐵陽極的允許電流密度為5?80A/m2,消耗率小于0.5kg/A.a。除用于焦碳地床中以外，高硅鑄鐵陽極有時也可直接埋在低電阻率土壤中。

高硅鑄鐵硬度很高，耐磨蝕和沖刷作用，但不易機械加工，只能鑄造成型，另外脆性大，搬運和安裝時易損壞。為提高陽極利用率，減少“尖端效應(yīng)”，可釆用中間連接的圓筒形陽極。

（四）鉗陽極

鉗陽極是在鈦、鋸、但等閥金屬基體上被覆一薄層鉗而構(gòu)成的復合陽極。鉗層復合的方法很多，如水溶液電鍍、熔鹽鍍、離子鍍、點焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或軋制、熱分解沉積等。鋁陽極的特點是工作電流密度大，消耗速率小、重量輕，已在海水、淡水陰極保護中得到廣泛使用。

鈦和鋸是應(yīng)用較多的陽極基體，鈕用得較少，這是因為其價格高，而鋸和鈦通常又能滿足使用性能要求。在含有氯離子介質(zhì)屮，鈦的擊穿電位為12?14V,而鋸的擊穿電位為40?50Vo因此在地下水中含有較高氯離子的深井地床中采用鉗鋸陽極更為可靠。

由于鉗陽極價格較昂貴，不可能大面積采用；在地床中消耗速率大；而且地床接地電阻隨時間延長逐漸增大，所以鉗陽極在地床中遠不如高硅鑄鐵和石墨陽極用得廣泛，并且有人不推薦在地床中使用鉗陽極。

（五）聚合物陽極

聚合物陽極是在銅芯上包覆導電聚合物而構(gòu)成的連續(xù)性陽極，也稱柔性陽極或纜形陽極。銅芯起導電的作用，而導電聚合物則參與電化學反應(yīng)。由于銅芯具有優(yōu)良的電導性，因此可以在數(shù)千米長的陽極上設(shè)一匯流點，聚合物陽極在土壤中使用時，需在其周圍填充焦碳粉末而構(gòu)成陽極地床，其在地床中特大允許工作電流為82mA/m,盡管與其它陽極相比,其工作電流密度很低，但由于可靠近被保護結(jié)構(gòu)物鋪設(shè)連續(xù)地床，因此可提供均勻、有效的保護。

聚合物陽極安裝簡便，特別適于裸管或涂層嚴重破壞的管道、受屏蔽的復雜管網(wǎng)區(qū)的保護以及高電阻率的土壤中。但應(yīng)注意不能過度彎曲。

（六）混合金屬氧化物陽極

混合金屬氧化物陽極是在鈦基體上被覆一層具有電催化活性的混合金屬氧化物而構(gòu)成，較早應(yīng)用于氯堿工業(yè)，后推廣應(yīng)用于其它工業(yè)，包括陰極保護領(lǐng)域。由于釆用鈦為基體，因而易于加工成各種所需的形狀，并且重量輕，這為搬運和安裝帶來了方便。由于電極表面為高催化活性的氧化物層所覆蓋，在表面的一些缺陷處露出的鈦基體的電位通常不會超過2伏，因此鈦基體不會產(chǎn)生表面鈍化膜擊穿破壞（在土壤中使用時，外加電壓一般控制在60伏以下）?；旌辖饘傺趸镪枠O還具有極優(yōu)異的物理、化學和電化學性能。其涂層的電阻率為10-7Q.m,極耐酸性環(huán)境的作用，極化小并且消耗率極低。通過調(diào)整氧化物層的成份，可以使其適于不同的環(huán)境，如海水、淡水、土壤中。

混合金屬氧化物陽極在地床中于100A/m2,工作電流密度下使用壽命可達20年，其消耗速率約2mg/A.a,由于混合金屬氧化物陽極具有其它陽極所不具備的優(yōu)點，它已成為目前較為理想且有前途的輔助陽極材料。

犧牲陽極接地電阻以及發(fā)電量計算

一、陽極接地電阻

Ra = p*ln(L/r)/27cL

Ra=陽極接地電阻(ohms)

p=土壤電阻率(ohm-m)

L=陽極長度(m)

r=陽極半徑(m)

需要指出的是，由于填料電阻率很低，陽極的長度和半徑是根據(jù)填料袋尺寸來確定。

二、陽極驅(qū)動電位

假設(shè)被保護結(jié)構(gòu)的極化電位為-1.0V,則驅(qū)動電壓△V=V+1.0。

V=陽極電位：高電位鎂陽極-1.75V,低電位鎂陽極-1.55V,鋅陽極電位-l.lOV。

三、陽極發(fā)電量計算

陽極實際發(fā)電量I=AV/Ra

四、應(yīng)用舉例

某埋地管道，長度為13公里，直徑159毫米，環(huán)氧粉末防腐層，處于土壤電阻率30歐姆.米環(huán)境中，犧牲陽極設(shè)計壽命15年。計算陽極的用量。

由于土壤電阻率較高，設(shè)計釆用高電位鎂陽極陰極保護系統(tǒng)。

1、 被保護面積：A=πｘDｘL

D=管道直徑，159mm

L=管道長度，13x103m

A=3.14x0.159x13000=6490m2

2、 所需陰極保護電流：I=AxCdx(1-E)

I=陰極保護電流

Cd=保護電流密度，取10mA/m2

E=涂層效率，98%

I=6490xl0x2%=1298mA

3、 根據(jù)設(shè)計壽命以及陽極電容量計算陽極用量

W=8760It/ZUQ

I=陽極電流輸出(Amps)

t=設(shè)計壽命(years)

U=電流效率(0.5)

Z=理論電容量(2200Ah/kg)

Q=陽極使用率(85%)

W=8760x1.298x15/(2200x0.5x0.85)=183Kg

選用7.7公斤鎂陽極，需要24支。

4、根據(jù)陽極實際發(fā)電量計算陽極用量

Ra=pln(L/r)/27cL

Ra=陽極接地電阻(ohms)

p=土壤電阻率(ohm-m)

L=陽極長度(m)

R=陽極半徑(m)

7.7Kg陽極填包后尺寸為：長=762mm,直徑=152mm。

Ra=30xln(2x0.762/0.152)/(2x3.14x0.762)=16.9Ω。

假設(shè)管道的自然電位為-0.55V,極化電位-1.0V,保護電流

1298mA,則管道的接地電阻為=0.35Ω，加上導線電阻，則電路電阻共計17.5Ω。

假設(shè)管道的極化電位為-1.0V,鎂陽極的驅(qū)動電位為-1.75V,

則鎂陽極的驅(qū)動電壓為0.75V。

單支陽極的輸出電流為：0.75/17.5=43mA,輸出1298mA電流需要陽極為1298/43=30.1支，取30支。

由于根據(jù)接地電阻計算的陽極用量大于根據(jù)電流量計算的陽極用量，所以，取30支陽極。

將30支陽極沿管道每隔433米埋設(shè)一支，然后與管道連接。

5.犧牲陽極系統(tǒng)實際壽命驗算：t=WZUQ/8760I=30x7.7x2200x0.5x0.85+(8760x1.298)=19t=19years

犧牲陽極系統(tǒng)的實際壽命為19年。

陰極保護主要參數(shù)與陰極保護準則

1、 自然電位

自然電位是金屬埋入土壤后，在無外部電流影響時的對地電位。自然電位隨著金屬結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、表面狀況和土質(zhì)狀況，含水量等因素不同而異，一般有涂層埋地管道的自然電位在-0.4?0.7VCSE之間，在雨季土壤濕潤時，自然電位會偏負，一般取平均值-0.55V。

2、 極小保護電位

金屬達到完全保護所需要的極低電位值。一般認為，金屬在電解質(zhì)溶液中，極化電位達到陽極區(qū)的開路電位時，就達到了完全保護。

3、 特大保護電位

如前所述，保護電位不是愈低愈好，是有限度的，過低的保護電位會造成管道防腐層漏點處大量析出氫氣，造成涂層與管道脫離，即陰極剝離，不僅使防腐層失效，而且電能大量消耗，還可導致金屬材料產(chǎn)生氫脆進而發(fā)生氫脆斷裂，所以必須將電位控制在比析氫電位稍高的電位值，此電位稱為特大保護電位，超過特大保護電位時稱為“過保護”。

4、 極小保護電流密度

使金屬腐蝕下降到極低程度或停止時所需要的保護電流密度，稱作極小保護電流密度，其常用單位為mA/m2表示。處于土壤中的裸露金屬，極小保護電流密度一般取10mA/m2o

5、 瞬時斷電電位

在斷掉被保護結(jié)構(gòu)的外加電源或犧牲陽極0.2—0.5秒中之內(nèi)讀取得結(jié)構(gòu)對地電位。由于此時沒有外加電流從介質(zhì)中流向被保護結(jié)構(gòu)，所以，所測電位為結(jié)構(gòu)的實際極化電位,不含IR降（介質(zhì)中的電壓降）。由于在斷開被保護結(jié)構(gòu)陰極保護系統(tǒng)時，結(jié)構(gòu)對地電位受電感影響，會有一個正向脈沖，所以，應(yīng)選取0.2—0.5秒之內(nèi)的電位讀數(shù)。

為了便于實際應(yīng)用，通過多年的實踐與研究，得出了以下幾個判斷結(jié)構(gòu)是否得到充分保護得判斷準則。

1、NACERP0169建議“在通電的情況下，埋地鋼鐵結(jié)構(gòu)極小保護電位為-。.85VCSE或更負，在有硫酸鹽還原菌存在的情況下，極小保護電位為-0.95VCSE,該電位不含土壤中電壓降（IR降）”。實際測量時，應(yīng)根據(jù)瞬時斷電電位進行判斷。目前流行的通電電位測量方法簡便易行，但對測量中IR降的含量沒有給予足夠重視。其后果是很多認為陰極保護良好的管道發(fā)生腐蝕穿孔。這方面的教訓是很多的。如：四川氣田南干線，認為陰極保護良好，但實際內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)腐蝕深度在壁厚的10-19%的點多達410處；個別位置的點蝕深度達到50%。進行斷電電位測量發(fā)現(xiàn)，很多點保護電位（斷電電位）沒有達到-0.85VCSEo有效的方法是實際測量幾點的IR降，保護電位按0.85+IR降來確定。IR降可以通過通電電位減去瞬時斷電電位來獲得，也可以用瞬時通電電位減去結(jié)構(gòu)自然電位來獲得。

2、 瞬時斷電電位與自然電位之差不得小于lOOmVo在有些情況下，在斷開電源0.2-0.5秒內(nèi)測量斷電電位，待結(jié)構(gòu)去極化后（24或48小時后）再測量結(jié)構(gòu)電位（自然電位），其差值應(yīng)不小于l00mV。也可以用通電電位（極化后）減去瞬時通電電位來計算極化電位。

3、 特大保護電位的限制應(yīng)根據(jù)覆蓋層及環(huán)境確定，以不損壞覆蓋層的粘結(jié)力為準，一般瞬時斷電電位不得低于-1.l0CSE。由于受舊規(guī)范的影響，很多人還認為陰極保護特大電位不能低于-1.5VCSEo事實上這種觀念使錯誤的，造成的危害也是巨大的。判斷陰極保護電位是否過大應(yīng)以斷電電位為判斷基礎(chǔ)，只要斷電電位不低于T.1VCSE（西歐為-1.15VCSE）,通電電位再大也沒有關(guān)系。