1、管道阴极保护理论与实践管道阴极保护理论与实践 胡士信胡士信 中国石油天然气管道工程有限公司中国石油天然气管道工程有限公司 第一节第一节 腐蚀与防护腐蚀与防护 第二节第二节 阴极保护阴极保护 第三节第三节 牺牲阳极保护牺牲阳极保护 第四节第四节 强制电流强制电流 第五节第五节 排流保护排流保护 第六节第六节 阴极保护管道设计阴极保护管道设计 第七节第七节 阴极保护测试阴极保护测试 第八节第八节 运行与管理运行与管理 第一节第一节 腐蚀与防护腐蚀与防护 1.1 腐蚀定义及防腐的意义腐蚀定义及防腐的意义 1.1.1 定义定义 可从几方面下定义（1）由于材料与环境作用而引起的破坏和变质由于材料与环境作
2、用而引起的破坏和变质；（2）除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏；（3）冶金的逆过程冶金的逆过程。ISO定义：金属与环境间的物理金属与环境间的物理-化学相互作用，其化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学性质性质。（见GB/T 10123-2001）1.1.2 防蚀意义 腐蚀损失 UK，Hoar,1969为13.65亿英镑3.5%GDP；US 1975，7
3、00亿 4.2%GDP，820亿，1982年，1260亿，1992年，1700亿；NACE 新统计为3000亿，GDP4.2%，其中基础设施为 1500亿，1100/人；中国 石油行业 1987统计，漏泄：容器0.14次/台年，管道2万/年；1989，石化 约20亿；西直门桥1979建，1999拆，重修费用3000万，北京立交桥 有200座，仅大北窑桥改造工程就花4000万；2003年10月发表的中国腐蚀调查报告中国腐蚀调查报告指出:我国腐蚀损失为 50005000亿元亿元/年年 5%GDP 其中其中 2020%可以避免可以避免 10001000亿元亿元 1.1.3 腐蚀分类 （1）高温、低温
4、；（2）化学、电化学；（3）湿、干腐蚀。1.1.4 腐蚀速率表示方法（1）均匀腐蚀：失重量、腐蚀深度、腐蚀电流；（2）局部腐蚀：点蚀系数。1.2 防蚀方法防蚀方法 1 选择耐蚀材料选择耐蚀材料 (供应供应、耐蚀耐蚀、成本成本、强度强度、加工性加工性、外观等因素外观等因素)2 2 与环境隔离的防腐层技术与环境隔离的防腐层技术 3 3 适当的结构设计适当的结构设计 4 4 阴极保护阴极保护 5 5 缓蚀剂缓蚀剂 6 6 改变环境改变环境 降温降温、降速降速、除氧除氧、改变浓度改变浓度 7 7 防锈技术防锈技术（电镀电镀、涂料涂料）8 8 材料改性（不锈钢）材料改性（不锈钢）1.3 1.3 腐蚀领域
5、新方向腐蚀领域新方向 肖纪美，简易材料观，李金桂，表面工程论 第二节第二节 阴极保护阴极保护 2.1 阴极保护原理阴极保护原理 1 三电极理论 2 E-pH理论 3 极化理论 4 原电池理论 原电池三要素：原电池三要素：1）两电极电位不同的两电极；两电极电位不同的两电极；2）两电极必须在同一电解质溶液里；两电极必须在同一电解质溶液里；3）两电极间必须有导线连接两电极间必须有导线连接。防腐蚀方法：防腐蚀方法：阴极保护破坏（阴极保护破坏（1），防腐层破坏（），防腐层破坏（2）。2.2 阴极保护参数阴极保护参数 2.2.1 保护电位准则保护电位准则（NACE RP 0169-96、SY/T 0036
6、）：（1）通电情况下通电情况下-850mV；（2）极化电位极化电位-850mV；（3）极化电位差极化电位差-100mV。测试条件测试条件 (1)通电条件下测量通电条件下测量,含有含有IR降降,必须除去必须除去 (2)通常采用断电法测量通常采用断电法测量,不含不含IR降降 (3)极化形成或衰减过程中极化形成或衰减过程中 (4)管网及杂散电流干扰下管网及杂散电流干扰下,必须采用探必须采用探头法测 术语术语:参比电极：参比电极：一种不极化电极一种不极化电极，可用于测量管可用于测量管/地电位地电位，它具有稳它具有稳定的氢标电位定的氢标电位。土壤中常用的是土壤中常用的是Cu/CuSO4电极电极。在一些不
7、易接在一些不易接近的地方近的地方，有时也用金属电极有时也用金属电极（如如Zn）。测量交流电压时可使测量交流电压时可使用金属棒作参比电极用金属棒作参比电极。Voff断电电位断电电位：断开阴极保护电流后瞬间直接测得的管断开阴极保护电流后瞬间直接测得的管/地电位地电位。因不含因不含IR降降，故可视为极化电位故可视为极化电位。Von通电电位通电电位：施加阴极保护电流情况下测得的管施加阴极保护电流情况下测得的管/地电位。地电位。因含有因含有IR降，故不宜做为保护准则用。若要用时，应考虑排降，故不宜做为保护准则用。若要用时，应考虑排 除其除其IR降成分。降成分。极化电位极化电位：施加保护电流后引起管施加保
8、护电流后引起管/地电位的偏移。地电位的偏移。管地电位管地电位：用与土壤相接触的参比电极测得的管道对地电位。用与土壤相接触的参比电极测得的管道对地电位。2.2.2 保护电位密度保护电位密度 覆盖层的质量覆盖层的质量 环境条件（流速、污染、温度）环境条件（流速、污染、温度）2.3 阴极保护方法阴极保护方法 1 牺牲阳极法牺牲阳极法 2 强制电流法强制电流法 3 排流保护法排流保护法 方法比较见表6-1 CATHODIC CORROSION PROTECTION 2.4 防腐层与阴极保护防腐层与阴极保护（1）防腐层的作用：隔绝电解质防腐层的作用：隔绝电解质（2）防腐层的种类防腐层的种类 石油沥青：早
9、期用石油沥青：早期用、面积电阻低面积电阻低、有污染有污染、应淘汰应淘汰 环氧煤矿沥青：早期用于补口环氧煤矿沥青：早期用于补口、面积电阻很低面积电阻很低、质量不宜控制质量不宜控制、应禁用应禁用 煤焦油瓷漆：性能好煤焦油瓷漆：性能好、寿命长寿命长、面积电阻低面积电阻低、有污染有污染、不应大量不应大量 应用应用 环氧粉末环氧粉末(FBE)：性能优性能优、寿命长寿命长、面积电阻高面积电阻高、应大力推广应用应大力推广应用 聚乙烯聚乙烯(PE)：性能优性能优、寿命长寿命长、面积电阻很高面积电阻很高、但有阴极屏蔽作但有阴极屏蔽作用用 三层三层PE(FBE-胶胶-PE)：性能优、寿命长、面电阻很高、防腐功能性
10、能优、寿命长、面电阻很高、防腐功能强、强、但有阴极屏蔽作用但有阴极屏蔽作用 （3）防腐层质量与阴极保护电流密度防腐层质量与阴极保护电流密度 2.5 阴极保护技术国内现状阴极保护技术国内现状 （1）管道 20000km长输管道全施加保护 油田集输管道基本施加了保护 市政供气、水管道有上保护和无保护的 （2）储罐 国内大型储罐基本都施加了保护 城市加油站的小型储罐有的上了保护 （3）标准与法律 中国石油天然气管道保护条例 国内有一套阴极保护的待业标准 第三节第三节 牺牲阳极保护牺牲阳极保护 3.1 牺牲阳极种类牺牲阳极种类 基本要求：基本要求：（1）要有足够的负电位要有足够的负电位，且很稳定；且很
11、稳定；（2）工作中阳极极化要小工作中阳极极化要小，溶解均匀溶解均匀，产物易脱落；产物易脱落；（3）电流效率高；电流效率高；（4）电化当量高电化当量高，单位重量的电容量大；单位重量的电容量大；（5）腐蚀产物无毒腐蚀产物无毒，不污染环境；不污染环境；（6）材料来源广材料来源广，加工容易；加工容易；（7）价格便宜价格便宜。3.1.1 镁及镁合金镁及镁合金：（1）品种：高纯镁品种：高纯镁、高电位高电位、标准；标准；（2）性能：电位高性能：电位高、效率低；效率低；3.1.2 锌及锌合金锌及锌合金 （1）品种：高纯锌品种：高纯锌、锌锌-铝铝-镉镉、锌锌-铝；铝；（2）性能：电位低性能：电位低、效率高；效率
12、高；3.1.3 铝合金铝合金 （1）品种：铝品种：铝-锌锌-铟铟、铝铝-锌锌-汞；汞；（2）性能：不能用于土壤中性能：不能用于土壤中。质量要求：要点杂质含量不能大，主要是铁，合金成分合理质量要求：要点杂质含量不能大，主要是铁，合金成分合理.3.2 牺牲阳极应用牺牲阳极应用 依据环境条件选用依据环境条件选用（表表8-13）依据保护对象选依据保护对象选 依据使用功能选依据使用功能选 3.3 牺牲阳极设计牺牲阳极设计 1 阳极种类的选择阳极种类的选择（表表8-13）2 计算程序计算程序 （1）接地电阻接地电阻 （2）单支输出电流单支输出电流 （3）所需阳极数量所需阳极数量 （4）阳极寿命阳极寿命 3
13、 地床结构地床结构 填料的成分和作用填料的成分和作用 4 施工施工 （1）地床位置地床位置 （2）阳极间隔阳极间隔 （3）埋设方式埋设方式 5 牺牲阳极的特殊应用牺牲阳极的特殊应用 （1）接地极接地极 （2）参比电极参比电极 （3）防强电干扰接地栅防强电干扰接地栅 （4）接地电池接地电池 第四节第四节 强制电流强制电流 4.1 电源电源 4.1.1 要求要求 （1）安全可靠；安全可靠；（2）电流电压连续可调；电流电压连续可调；（3）适应当地环境；适应当地环境；（4）有富裕电容量；有富裕电容量；（5）与系统电阻相配；与系统电阻相配；（6）操作维护简单；价格合理操作维护简单；价格合理。4.1.2
14、电源种类 （1）整流器 （2）太阳电池 （3）CCVT （4）TEG （5）风力发电机 ALTERNATIVE DC-POWER SOURCES FOR CATHODIC PROTECTION UNITS 4.1.3 电源选用原则电源选用原则 （1）首选整流器；首选整流器；（2）优化恒电位；优化恒电位；（3）无电看气象；无电看气象；（4）发电有无气发电有无气 (5)CCITT和和ITU无电地区的电源推荐方案无电地区的电源推荐方案(P104)4.2 辅助阳极辅助阳极 基本要求：基本要求：（1）消耗率低消耗率低，（2）阳极极化低；阳极极化低；（3）导电性好；导电性好；（4）可靠性高；可靠性高；（5
15、）足够的机械强度和稳定性；足够的机械强度和稳定性；（6）耐磨蚀耐磨蚀，抗侵蚀；抗侵蚀；（7）材料来源广材料来源广，价格便宜；价格便宜；（8）容易制造成各种形状容易制造成各种形状。4.2.1 阳极分类阳极分类 （1）石墨阳极石墨阳极；（2）高硅铸铁阳极高硅铸铁阳极；（3）磁性氧化铁阳极磁性氧化铁阳极；（4）金属氧化物阳极金属氧化物阳极；（5）柔性阳极柔性阳极。4.2.2 回填料回填料 （1）作用：降低阳极作用：降低阳极/土壤接触电阻；土壤接触电阻；良好导电率；良好导电率；腐蚀气体排出；腐蚀气体排出；耐阳极产物耐阳极产物。（2）品种：品种：石油焦石油焦、冶金焦冶金焦 （3）粒径粒径 315 mm
16、(4)含碳量含碳量 大于大于85%4.2.3 地床结构及位置地床结构及位置 （1）设计原则：接地电阻要适当；设计原则：接地电阻要适当；干扰影响小；干扰影响小；电流分布均匀；电流分布均匀；（2）结构：要加回填料结构：要加回填料，以防气阻；以防气阻；上部要有粗砂上部要有粗砂，利于排气；利于排气；（3）形式：浅埋立式形式：浅埋立式、浅埋水平式浅埋水平式、深井可换式深井可换式、深井闭合式深井闭合式。第五节第五节 排流保护排流保护 5.1 直流干扰危害及防护直流干扰危害及防护 5.1.1 DCDC杂散电流判据杂散电流判据 （1）管管/地电位偏移地电位偏移+20mV或地电位梯度大于或地电位梯度大于0.5mV/m确认有干扰；确认有干扰；（2）管管/地电位偏移地电位偏移+100mV或地电位梯度大于或地电位梯度大于2.5mV/m要采取措施要采取措施。5.1.2 DCDC杂散电流的危害杂散电流的危害（1）电蚀：激烈电蚀：激烈、集中集中、量大量大，铁铁 9.1kg/A.a；（2）实例：东北管网实例：东北管网，杂散电流干扰区占杂散电流干扰区占2%，而腐蚀而腐蚀 穿孔占穿孔占60%；高达高达500A，腐蚀率大于
