1、- 1 -埋地管道采用阴极保护防腐技术讲 座洛阳固雅特种防腐防火材料工程有限公司2010 年 9 月 5 日- 2 -埋地采用阴极保护防腐技术讲 座一、术语1、阴极保护通过降低腐蚀电位而达到的电化学保护。2、牺牲阳极靠着自身腐蚀速度的增加而提供阴极保护电流的金属或合金，通常有镁、锌、铝三类。3、临时性阴极保护在管线埋入地下后，正式阴极保护尚未投运之前对强腐蚀地区的管段采取的腐蚀控制手段。4、接地电池采用一对或几对牺牲阳极，互相用绝缘垫隔开，再用填料填充并包扎，通过填料的电阻耦合起来，以消除强电电涌冲击。（用来提供一个低电阻通道，排放强电电涌，但不泄漏阴极保护直流电流的一种装置。通常采用新材料制
2、做，有时也用镁。）5、接地垫安装在地面或地下的裸露的导体，彼此排列相连，以提供一个跨步距离范围内的等电位。6、填包料为改善埋地阳极工作条件而填塞在阳极四周的导电性材料一般75%（石膏）+20%（膨润土）+5%（Na 2SO4）（石膏：确保电流均匀输出，使材料均匀地消耗。膨润土：确保水分。Na 2SO4：降低填料的电阻率。）- 3 -7、冷隔金属浇铸冷却过程中形成的阶梯面。8、长效参比电极寿命大于 1 年的土壤或水中的参比电极。（种类较多，常用的有甘汞、银/氯化银、铜/硫酸铜、纯锌等电极。）9、开路电位指金属构筑物未加阴极保护时的电位，即自然腐蚀电位。10、闭路电位指牺牲阳极在介质中与被保护结构
3、连接在一起时的电位（即工作电位）。11、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12、最大保护电位阴极保护条件下允许的绝对值最大的负电位值13、保护电位指被保护结构在施加阴极保护后的电位，是判断阴极保护程度的一个重要参数。14、极化电位由于电流的流动引起电极/电解质界面电位的偏移称为极化，在极化状态下的电位称为极化电位。15、杂散电流杂散电流指设计的或规定的回路以外流动的电流。16、IR 降电流在介质中流动所造成的电阻压降。- 4 -（测定管道被保护电位中，IR 降为有害误差，应予排除）17、辅助试片（测试检查片）用来测试观察阴极保护效果的一组与被保护体的材质相同的、按要求规
4、格制成的试板。18、测试桩从埋地管道上引出的用于测量阴极保护参数的装置，通常应在相邻两组牺牲阳极管段的中间部位，测试的间距以不大于 500m 为宜，高出地面不应小于 0.4m，（特殊测试桩按设计要求）测试桩处应设有辅助试片及长效参比电极，距管道外 0.3m。19、铝热焊剂适用于铜芯电缆与管道或铜芯电缆之间的焊接，不需要外部电源和热源就能达到焊接质量要求的一种产品。20、绝缘法兰指在两法兰间垫入绝缘垫片实现电绝缘，它由绝缘电片、绝缘紧固片和绝缘密封圈所组成。21、绝缘接头指内涂环氧聚合物，埋地后不用管理，在工厂里进行严格的机械、电性能和压力参数测试，整体结构不容拆开。具有很高的耦合电阻，适合于直
5、接埋地，寿命长的管道接头。二、一般规定1、牺牲阳极系统的设计应确保阳极在设计寿命内阴极保护的有效性和可靠性。2、牺牲阳极的设计应与管道使用年限相匹配，一般为 1015年。3、临时性阴极保护牺牲阳极的设计寿命应满足用户要求，一 - 5 -般为 2 年。4、被保护的管道应具有质量良好的覆盖层，新建管道的覆盖层电阻率不得小于 10000 欧姆米 2，否则不宜采用牺牲阳极。对于旧管道，应根据具体要求决定。5、当土壤电阻率大于 100 欧姆米时，不宜采用牺牲阳极。6、所有被保护的埋地钢质管道应根据需要设置绝缘接头或绝缘法兰。7、保护准则：（1）相对于饱和/硫酸铜参比电极的管道阴极极化电位至少为 850m
6、V。（2）管道表面与接触电解质的稳定饱和铜/硫酸铜参比电极之间的阴极极化电位差值最小为 100mV，这一参数可以是极化的建立或衰减过程中的数据。三、参照标准1、SY/T0019-97埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范2、CJJ95-2003城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程3、STJ19-86镁合金牺牲阳极应用技术标准4、SY/T0036-2000埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范5、SY/T0088-95钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准6、SYJ4006-90长输管道阴极保护工程施工及验收规范- 6 -7、SY/T0023-97埋地钢质管道阴极保护参数测试方法8、SY0007-1999
7、钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范9、SY/T0017-96埋地钢质管道直流排流保护技术标准10、GB50251-94输气管道工程设计规范四、阴极保护原理阴极保护原理的基础是电化学中有关腐蚀原电池的理论，它是根据不同的金属在电解质（如海水和土壤等）中有不同的电极电位，电位负的为阳极，电位正的为阴极。在电解质中，阳极上失去金属离子（即腐蚀），产生电子，电子通过电缆流向阴极，从而阴极上富集了电子，这样阴极不再失去金属离子而产生电子，也就是阴极不腐蚀得到了保护。上述防腐方法称为阴极保护，目前已广泛采用阴极保护方法来保护地下及水中的金属构筑物，已知金属结构与电解质溶液相接触会形成原电池，阴极保护就是要
8、消除金属结构上的阳极区，可通过（1）牺牲阳极的阴极保护；（2）外加电流的阴极保护两种方法来实现。1、牺牲阳极的阴极保护牺牲阳极的阴极保护是将电位较负的金属或合金作为牺牲阳极，通过电缆与阴极即电位较正的金属（如钢铁）连接，在电解质中构成了电池组。如镁和钢铁之间电极电位不同，产生电位差（驱动电压），电 子 从 电 位 较 负 的 镁 经 电 缆 流 入 电 位 较 正 的 钢 铁 - 7 -中，此时，镁不断的失去金属离子产生电子而遭到腐蚀（即牺牲）；而钢铁因不断地接受电子抑制了铁离子的形成，从而避免腐蚀，这就是牺牲阳极保护阴极的牺牲阳极的阴极保护。通常用做牺牲阳极的材料有镁合金、锌合金、铝合金，对
9、于埋地金属结构物，用牺牲阳极不仅有防腐蚀的功能，还能起到防干扰接地电池的作用，同时还有作为接地体的地电位均压装置的功能。2、外加电流的阴极保护（强制电流法）外加电流的阴极保护是通以直流电流，将电源的负极接到被保护的金属构件上，正极接到辅助阳极上，通过电解质构成一个回路。这样金属构件得到保护，用做外加电流的辅助阳极通常采用的是高硅铸铁阳极，另外还有石墨、铂，钛合金阳化物、柔性等阳极。五、阴极保护应用的范围1、金属结构物的防腐通常采用不同形式的非金属涂敷层，由于非金属涂敷层在施工中产生的漏涂、运输安装过程中的划伤，随使用时间的延长而产生的老化以及涂敷层本身的渗水性，造成金属结构表面涂层的局部破坏，
10、进而产生局部腐蚀，严重进可导致金属结构物的穿孔、断裂，这对于输油管道、煤气管道、油气贮罐等是十分致命的，极易引发灾难性的事故。阴极保护可以弥补非金属涂敷层的缺点，管道上产生的局部暴露部分的防腐可以由阴极保护来完成，管道及钢质储罐等金属构筑物采用非金属涂敷层和阴极保护联合防腐的方法，是最经济、最有效、最可靠的防腐措施。2、牺牲阳极也是各种接地网理想的防腐材料，安装接地网的目的是有效地疏导电流，电 厂 和 变 电 所 都 设 计 安 装 了 接 地 网 ， 它- 8 -的作用是均压和散流。最方便和最经济的方法是采用裸露扁铁网，这样的接地网如不采用防腐措施，其表面很容易腐蚀，生成一层高电阻的 Fe2
11、O3和 Fe3O4腐蚀层，阻碍电流的疏导，随着时间的延长，有的部位还会发生腐蚀断裂，使接地网失去了原设计的功能，引发机毁人亡的事故。如采用非金属涂层防腐，会造成接地网与土壤之间的电阻大幅度增高甚至绝缘。目前常用的方法是镀锌和加厚接地网，因锌的电位低于钢铁，在土壤中不需很长时间就会腐蚀殆尽；加厚设计并没解决腐蚀问题，也只是权宜之计，接地网采用牺牲阳极法防腐，不仅保护了扁铁，达到了防腐效果，而且增加了接地网和土壤的接触面积，使它的功能效果更好。六、阴极保护法的选用阴极保护适用于直埋土壤中的管道、接地网、贮罐等钢铁结构物，设计者应慎重考虑选用何种阴极保护的方法。1、外加电流的阴极保护（强制电流法）用
12、在长距离输送管道上，它要求具备直流电源，建立保护站并有专人看管养护。2、牺牲阳极的阴极保护适用于一切直埋土壤中的管道、接地网、贮罐、储槽等钢结构物，它不需要另设直流电源、保护站，不需要有专人看管，几乎不需要养护。（1）根据土壤电阻率不同选用不同的牺牲阳极。锌阳极适用于电阻率小于 15 欧姆米的土壤中。铝阳极适用于海水、污水、石油等介质中。镁阳极适用于任何电阻率的土壤中。带状阳极应用于高电阻率环境，临地性阴极保护套管内输送- 9 -管的保护及防交流干扰的接地垫。（2）管道达到完全保护所需的牺牲阳极的重量根据土壤电阻率，被保护物的表面积及绝缘防腐涂层的质量等因素来确定。七、设计参数的选择及阳极用量
13、的计算1、牺牲阳极法（1）最小保护电位负于-0.85V （相对于 Cu/饱和 CuSO4参比电极）（2）最小保护电流密度最小保护电流密度的大小取决于被保护金属的种类、表面状况、腐蚀介质的性质、组成、浓度、温度和金属表面绝缘层质量等。涂层种类不同所保护电流密度值不同，钢管外覆盖层的绝缘电阻越高，所需的保护电流密度值越小。见表 1防腐层种类及所需保护电流密度 表 1防腐层种类 保护电流密度 mA/m2塑料（聚乙烯层） 0.001-0.01石油沥青玻璃布 7mm 0.01-0.05石油沥青玻璃布 4mm 0.5-3.5旧沥青层 0.5-1.5旧 油 漆 1-30裸 管 5-50附：状态 裸露无涂层
14、旧涂层 涂层质量 一般 优良涂层 优秀涂层保护电流密度 30-50 3-10 0.1-3 0.01-0.1 0.001- 10 -（mA/m 2）（3）阳极的接地电阻R=（/2L）1n（2L/D）式中：土壤电阻率 欧姆 米L阳极长度 米D填料柱直径 米（4）牺牲阳极的发生电流Ia=式中：E牺牲阳极的驱动电位 伏（锌阳极取 0.2，镁阳极取 0.65-0.66）Ia（mg） =1200fY/（美国 Harco 防腐公司推荐的经验公式）式中：Ia （mg） 镁阳极的输出电流 毫安土壤电阻率 欧姆厘米f系数 查表 2Y修正系数 查表 3f 系数 表 2阳极重量（kg） 系数1.4 0.532.3 0
15、.604.1 0.717.7 1.009 1.0014.5 1.0623 1.09- 11 -（注：表为老标准，现按表内相近重量为准。）Y 修正系数 表 3（5）保护面积S=DL式中： 3.14S总保护面积 m2D管径 mL管道长度 m管地电位（V） 镁阳极修正系数-0.7 1.17-0.8 1.07-0.85 1.00-0.90 0.93-1.00 0.79-1.10 0.64-1.20 0.50- 12 -（6）保护总电流IA=SIm式中：I A所需总保护电流 毫安S总保护面积 m2Im最小保护电流 毫安（7）所需阳极数量N=KIA/Ia式中：N阳极数量 支K备用系数，一般取 2-3IA所
16、需总保护电流 毫安Ia单支阳极的输出电流 毫安（8）阳极寿命T=0.85W/Ia式中：T 阳极寿命 年W阳极净质量 公斤阳极消耗率Ia阳极平均输出电流2、 外加电流法阴极保护（以 DN159mm8，40km 管道为例）。（1）保护长度的计算已知条件：A DN159mm8B 被保护管道的长度（两端设绝缘法兰）40000 米C 绝缘层电阻 Rr=10000m2D 最大保护电位 Emax 取-1.25 伏（相对 Cu/饱和 CuSO4电- 13 -极）E 最小保护电位 Emin 取-0.85 伏（相对 Cu/饱和 CuSO4电极）F 管道自然电位 En 取-0.55 伏G 钢管电组率 t取 0.13
17、5mm2/m（20 #低碳钢）则保护半径 L1=（1/a）1n2（Emax/Emin）式中：a 衰减系数=RO单位长度钢管的纵向电阻 欧姆RO（单位长度钢管的纵向电阻，欧姆）=t/（D-）=0.135/3.14（159-8）8=3.5610-5r（单位长度钢管绝缘层电阻 欧姆）=Rr/D=10000/3.140.159=2.0104a=4.2210-5Emax=-1.25-（-0.55）=-0.70 伏Emin=-0.85-（-0.55）=-0.30 伏因此 L1= 1n2=36.5 公里保护长度 L=L12=73 公里说明：本管道全长 40 公里，而理论计算保护长度为 73 公里，整个管道处
18、在保护范围内，在技术上是可行的。-5 1010 4- 14 -（2）保护电流计算IO =（a/R O）E minsh（aL）=（ 4.2210-5/3.5610-5）0.3sh（4.2210 -53.56103）=0.356sh1.54=0.3562.23=0.794（A）2IO=2D JS L式中：I O单侧方向保护电流（A）L单侧保护长度（m）JS保护电流密度（A/m 2）总保护电流 I=0.7942=1.588（安）（3）输出电压计算（直流电源额定输出电压）V=I（R a+RL+Rc）+Vr式中：I系统保护电流，1.588A（可取 1.1I 总）RL导线电阻，（L/S）0.48 欧姆Ra
19、阳极组接地电阻Rc /2th（aL）0.61 欧姆（管道 /土壤界面过渡电阻 ）Vr阳极地床反电动势（焦炭填料可取 2 伏）L被保护管道长度 mV=1.588（0.48+2.5+0.61）+2=5.7（伏）（4）电源功率计算P=IV/=1.5885.7/0.7=12.93W（瓦）式中：电源设备效率，一般取 0.7- 15 -（5）辅助阳极的计算（6）采用硅铸铁阳极的用量计算G=TgI/K式中：G阳极总质量 kgT阳极的设计寿命 ag阳极的消耗率 kg/AaI阳极的最大工作电流K阳极的利用系数，取 0.7-0.85G=201.050/0.7=1428.6（公斤）（7）阳极数量的计算n=G/G1式
20、中：n阳极数量 支G阳极总重量 公斤G1单支阳极重量 公斤n=1428.6/40=35.7（取 36 支）八、牺牲阳极的安装1、牺牲阳极的制作防腐连接填包料配比包装袋要求- 16 -2、牺牲阳极平放或竖放在预先挖好的阳极抗中。3、阳极坑的深度、位置、间距应符合设计要求，当无设计要求时，深度应不小于 1.0m，埋设的位置距管外壁 3-5m，埋设间距2-3m，阳极坑的长度方向与管道走向平行。3、阳极通过电缆焊接在被保护物（阴极）上。（必须焊接牢固，铝热焊接，焊点局部防腐层清除干净，焊后必须将连接处重新与原防腐层相容的材料进行防腐绝缘处理。）4、阳极放入坑后，用水将阴极包灌透，然后用细沙土回填。5、
21、为了检测方便，可以设计安装有代表性的若干个测点，在测点上焊上测试桩。6、测试桩：从埋地管道上引出的用于测量阴极保护参数的装置。测试桩的设置是为了监测牺牲阳极装置的保护电位、电流等数据以判断管道的保护状况。宜安装在土壤腐蚀性强、湿度大、管道绝缘防腐层薄弱的地方，在管道穿越铁路、河流处须增设测试桩。7、检查片是用来检查保护效果的，采用与被保护管道相同的钢材制成，每 12 片 为 一 组 安 装 在 管 道 一 侧 ， 其 中 六 片 与 被 保 护体连接，另外六片处于自然腐蚀状态，埋深应与管道底部相同，且应- 17 -距管道外壁 0.3m，其连线和防腐绝缘要求与测试导线相同。8、检测头安装在阴极保
22、护的最不利点，即两组牺牲阳极的中央部位，用以测量管道的保护电位，以此值判断管道是否达到保护标准。测试桩安装竣工图- 18 -检查片安装竣工图阳极床布置竣工图- 19 -九、运行管理牺牲阳极投入运行时需测量以下数据：1、电位（1）阳极开路电位（相对于饱和 Cu/饱和 CuSO4参比电极）（2）管道开路电位（同上）（3）管道闭路电位（同上）2、电流（1）单支阳极输出电流。（2）组合阳极输出电流。3、埋设点管道阴极保护参数测试（管地电位，牺牲阳极输出电流，管内电流，绝缘法兰、绝缘接头的绝缘性、接地电阻、土壤电阻率、管道外防腐层电阻等）所有参数的测量应符合地埋钢质管道阴极保护电参数测试方法（SYJ0023-97）的规定，保护参数投产测试须须在阳极埋入地下，填包料浇水 10 天后进行。至少每半年监测管道保护电位一次，保护电位检测头上测得的管道闭路电位数值应符合标准要求，如有不合格现象，除了排除故障或更换阳极外，尚须对该检测头前后各一组牺牲阳极进行开挖检测，如再有不合格者，前后检测头之内所有牺牲阳极进行开挖检测。被开挖检测的牺牲阳极超过牺牲阳极总埋设量的 50%时，应对全部牺牲阳极进行开挖检测。定期测试检测片的腐蚀情况，以判断管道的保护程度。定期对牺牲阳极系统进行维护保护。所有测试数据均应作为技术资料存档。- 20 -
