阴极保护工作原理

(2)土层厚,无块石,便于施工;

(3)土壤电阻率一般应小于50欧姆米,特殊地区也应小于100欧姆米

(4)对邻近得地下金属构筑物干扰小,阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道。 (5)考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现得搬迁。 (６)阳极地床位置与管道汇流点距离适当

(7)地面金属构筑物较多,用地狭窄时,可采用深井阳极,以减小对其它金属构物得干扰又节约用地、

阳极接地电阻约占直流回路电阻6０％左右,大部分能量损失就是由它造成得,因此合理选择阳极地床位置,降低接地电阻就是十分重要得工作。 2、 辅助阳极得结构 2、1 浅埋式地床结构

将电极埋入距地表1~5米得土层中,这就是管道阴极保护一般选用得阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于钢铁阳极可能两种联合称为联合式阳极、 (1)立式阳极

由一根或多根垂直埋入地中得阳极排列构成,电极间用电缆联接。其优点有: ａ、全年接地电阻变化不大;

b、当阳极尺寸相同时,立式地床得接地电阻较水平式小。 (2)水平式阳极

将阳极以水平方向埋入一定深度得地层中,其优点有: ａ。安装土石方量较小,易于施工; b。容易检查地床各部分得工作情况。 (3)联合式阳极

指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线得一排立式阳极所组成。 2、2 深埋式阳极(深井式)

当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时,使用深埋式阳极,可获得浅埋式阳极所不能得到得保护效果、深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(２0～40米)、中深井(5０~1０0米)与深井(>1０0米)三种、 深埋式阳极地床得特点就是接地电阻小,对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它得缺点就是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其就是深度超过１０0米得深阳极,施工需要大钻机,这就限制了它得应用、 3、阳极地床填料得应用

石墨阳极无论采用浅埋或深埋都必须添加回填料、高硅铁阳极一般需要添加回填料,但在特殊地质可能不使用回填料,如沼泽、流砂层地区等。 (1)阳极地床填料得功能

１)增大阳极与土壤得接触,从而降低地床接地电阻;

２)将阳极电极反应转移到填料与土壤之间进行,延长阳极得使用寿命; 3)填料可以消除气体堵塞。 (2)对填料得要求

１)填料颗粒必须就是导电体,以保证阳极与土壤之间良好得导电性。 2)填料应成本低,来源广,具有较连续得接触表面、

常用得回填料就是焦炭粒,也可采用石墨加上石灰充填,以保持阳极周围呈碱性。通常用得焦炭粒性能规格见下表、 阳极地床回填用焦炭粒性能规格 表1

种类 粒径(ｍｍ) 比重kg/ｍ3 电阻率Ω、cｍ 灰分% 消耗率kg/A.a 煤焦油焦炭粒 ６～１5 64１～30１ １0～５0 ＜10 <0.9 锻烧石油焦炭粒 6～15 ７2～１１21 10~5０ <１０ <0。9

确保阳极与回填料良好得电接触,填料必须在阳极周围夯实、否则会使一部分电流从阳极直接流向土壤而缩短阳极使用寿命。

在粘土地区,若阳极地床通过电流太大,可采用电极带孔得硬塑料管,由填料层直接通地面,及时地将阳极周围产生得气体排出地面。对于较干燥地区可向地床注水降低接地电阻。 (3)回填料得重量

可用下述简单方法估计填料得容积:阳极地床孔径为阳极直径得三倍。且在电极上下各填300毫米填料、对粒径为15ｍm,比重为0.6吨/米

3得焦炭粒来说,每支ф１00×１500阳极得参考用量为200公斤。 ４、阳极数量与接地电阻

阳极数量与接地电阻成反比关系。在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻得作用。但就是由于阳极间得屏蔽效应,往往增加较多支得阳极,而降低电阻却很少。所以对于阳极数量得选择就是一个经济效益问题、在确定阳极数量时需要考虑主要因素为:

1、要使阳极输出得电流在阳极材料允许得电流额度内,以保证阳极地床得使用寿命。 2、在经济合理得前提下,阳极接地电阻应尽量做到最小,以降低电能耗量、即对接地电阻规定一个合适得数值、目前接地电阻一般不大于1欧左右,在特殊地区可根据现场情况选定、 牺牲阳极阴极保护阳极材料 内容:

1、镁牺牲阳极 根据形状以及电极电位得不同,镁阳极可用于电阻率在２0欧姆、米到100欧姆.米得土壤或淡水环境。高电位镁阳极得电位为1、７5VCSE,低电位镁阳极得电位为１、55VCSＥ。 镁阳极阳极规格

型号 重量Kg 牺牲阳极尺寸mｍ Ａ B C 填包长度D 填包袋直径E ９D2 4.０8 ６0。９ 7６、２ 549、３ 432 15２ 14D2 6、35 ６9。9 76。2 8５0、9 20D2 ９。0７ 6９。9 ７６。２ １21３ 9D3 4。０8 88、9 95.3 3５２、4 432 1５2 １7D3 7、7１ ８8。9 9５.３ 641。4 ４83 １65 32D5 14、5１ 139.７ 146。1 50４。8 762 ２03 48Ｄ5 ２1。77 １39.7 14６。1 7６５。2 45０ 2５４镁阳极化学成分

元素 高电位阳极 AZ６3B ＡZ6３C AZ６3Ｄ AZ31 AＬ 0。01 5.30—６.70 5.30—6、７0 5。0-７.0 2.5-3.3 Zｎ 2、50—3。50 2、50—3.50 2、0-4。0 ０.6-１.４ Mn 0、５—１.3 0。15—0、7０ 0。15－０.70 0.15－0.70 0.20 Si 0、05 0、10 0、30 ０.30 0.１0 Ｃu 0.０2 ０.02 ０、05 ０.10 0、０15 Ｎｉ 0。001 0、0０2 0、０03 0.0０3 0.0０1 Ｆe 0.0３ ０。005 ０.０05 0。０05 0。0０2 Ｏtｈer 0、0５

Ｉmpｕriｔy 0.30 0。30 0、30 0。30 0。３０ 镁阳极电化学性能 阳极种类 开路电位(－V) 理论电容量(Ａｈ／Kｇ) 电流效率(％) 高电位镁阳极 1、70—1、７5 ２20０ 50 AＺ63 镁阳极 １。５０－1.5５ 221０ 5０ ＡZ３1 镁阳极 1、5７-1、67 221０ 50

镁阳极消耗量计算 W=8７60Ｉt/ZＵQ I=阳极电流输出(Ａmｐｓ) ｔ＝设计寿命(yｅars) U＝电流效率(0.５) Z=理论电容量(2２00Ah/ｋｇ) Ｑ=阳极使用率８5% W=阳极重量(Kg)

2、锌牺牲阳极 锌牺牲阳极多用于土壤电阻率小于1５欧姆、米得土壤环境或海水环境。电极电位为1、1ＶCSE。温度高于40℃时,锌阳极得驱动电位下降,并发生晶间腐蚀。高于60℃时,它与钢铁得极性发生逆转,变成阴极受到保护,而钢铁变成阳极受到腐蚀。所以,锌阳极仅能用于温度低于40℃得环境。 化学成分 AL Ｃd Fe Ｃu Ｐb Sｉ Zn

0.3-0.６ 0、0５-0、12 0。０0５ 0.0０５ 0、0０6 0。1２5 Ｂａlance 电化学性能

项目 开路电位V 理论电容量 电流效率 性能 -1。05－1.09 8２０A、ｈ/Kg ９0％ 锌阳极消耗

量计算 W=8７６0Ｉｔ／ZUQ I=阳极电流输出(Ampｓ) t=设计寿命(yeａrs) U=电流效率(0。90) Z＝理论电容量(８27Aｈ/kg) Q＝阳极使用率(85%) W=阳极重量(Kｇ)

3、铝牺牲阳极 大多用于海水环境金属结构或原油储罐内底板得阴极保护。其电极电位为1.05ＶCＳE。电容量随温度递减,可参考公式: Ｚ=２000—２７(Ｔ—２0),(Ｔ阳极工作温度℃)。 铝阳极用量计算: W=8７60It／ＺUQ I＝阳极电流输出(Aｍps) t=设计寿命(yｅａｒs) Ｕ＝电流效率(0.9５) Z＝理论电容量(2０00Ａh/ｋg) Q=阳极利用率(8５%) Ｗ=阳极重量(Kg) 4、带状阳极 为了减小阳极接地电阻,有时会采用带状镁阳极或锌阳极。阳极带沿被保护结构铺设,使电流分布更加均匀。当阳极带沿管道铺设时,每隔一段距离就应该与管道连接一次、间距不应太大,因为随着阳极得消耗,截面积不断减小,阳极带电阻会逐步增大、为了减少沿阳极带得电压降,连接间隔一般不大于305米。如果将带状阳极直接埋到土壤或回填砂中,阳极可能会发生自身腐蚀,使用寿命缩短、带状阳极得一般规格为１9x9、5mmｘ305m每卷。 5、回填料 当使用填料时,阳极得电流输出效率提高。如果将阳极直接埋入土壤,由于土壤得成分不均匀,会造成阳极自身腐蚀,从而降低阳极效率、采用填料,一就是保持水分,降低阳极得接地电阻,二就是使阳极表面均匀腐蚀,提高阳极利用效率。 外加电流阴极保护用阳极材料 内容:

外加电流阴极保护就是防止地下金属结构如管道、储罐、等腐蚀得有效方法。辅助阳极就是外加电流系统中得重要组成部分,其作用就是将保护电流经过介质传递到被保护结构物表面上。

1、对阳极得性能要求

地下结构物外加电流阴极保护用阳极通常并不直接埋在土壤中,而就是在阳极周围填充碳质回填料而构成阳极地床。碳质回填料通常包括冶金焦碳、石油焦碳与石墨颗粒等。回填料得作用就是降低阳极地床得接地电阻,延长阳极得使用寿命。

针对阳极得工作环境,结合实际工程得要求,理想得埋地用辅助阳极应当具有如下性能: (１)良好得导电性能,工作电流密度大,极化小;

(2)在苛刻得环境中,有良好得化学与电化学稳定性,消耗率低,寿命长; (３)机械性能好,不易损坏,便于加工制造,运输与安装; (4)综合保护费用低、 ２、各类阳极得性能特点 2.1 废钢铁阳极

废钢铁就是早期外加电流阴极保护常用阳极材料,其来源广泛,价格低廉。由于就是溶解性阳极,表面很少析出气体,因而地床中不存在气阻问题。其缺点就是消耗速率大,在土壤中为8.4ｋｇ/Ａ.a,使用寿命较短,多用于临时性保护或高电阻率土壤中、 2。２ 石墨阳极

石墨就是由碳素在高温加热后形成得晶体材料,通常用石蜡、亚麻油或树脂进行浸渍处理,以减少电解质得渗入,增加机械强度。经浸渍处理后,石墨阳极得消耗率将明显减小。石墨阳极在地床中得允许电流密度为5～1０A/ｍ２。

石墨阳极价格较低,并易于加工,但软而脆,不适于易产生冲刷与冲击作用得环境,在运输与安装时易损坏,随着新得阳极材料出现,其在地床中得应用逐渐减少。 2。3 高硅铸铁阳极

高硅铸铁几乎可适用于各种环境介质如海水、淡水、咸水、土壤中。当阳极电流通过时,在其表面会发生氧化,形成一层薄得ＳiO2多孔保护膜,极耐酸,可阻止基体材料得腐蚀,降低阳极得溶解速率、但该膜不耐碱与卤素离子得作用。当土壤或水中氯离子含量大于２0０×10—4%时,须采用加4、０%~4.5%Ｃｒ得含铬高硅铸铁、高硅铸铁阳极在干燥与含有较高硫酸

盐得环境中性能不佳,因为表面得保护膜不易形成或易受到损坏。

高硅铸铁阳极具有良好得导电性能,高硅铸铁阳极得允许电流密度为5～80A/m2,消耗率小于0.５kg/Ａ.a、除用于焦碳地床中以外,高硅铸铁阳极有时也可直接埋在低电阻率土壤中。 高硅铸铁硬度很高,耐磨蚀与冲刷作用,但不易机械加工,只能铸造成型,另外脆性大,搬运与安装时易损坏。为提高阳极利用率,减少“尖端效应\可采用中间连接得圆筒形阳极。 ２、5 铂阳极

铂阳极就是在钛、铌、钽等阀金属基体上被覆一薄层铂而构成得复合阳极。铂层复合得方法很多,如水溶液电镀、熔盐镀、离子镀、点焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或轧制、热分解沉积等。铂阳极得特点就是工作电流密度大,消耗速率小、重量轻,已在海水、淡水阴极保护中得到广泛使用。

钛与铌就是应用最多得阳极基体,钽用得较少,这就是因为其价格高,而铌与钛通常又能满足使用性能要求。在含有氯离子介质中,钛得击穿电位为１２~14Ｖ,而铌得击穿电位为40～50V。因此在地下水中含有较高氯离子得深井地床中采用铂铌阳极更为可靠。

由于铂阳极价格较昂贵,不可能大面积采用;在地床中消耗速率大;而且地床接地电阻随时间延长逐渐增大,所以铂阳极在地床中远不如高硅铸铁与石墨阳极用得广泛,并且有人不推荐在地床中使用铂阳极。 2。6 聚合物阳极

聚合物阳极就是在铜芯上包覆导电聚合物而构成得连续性阳极,也称柔性阳极或缆形阳极、铜芯起导电得作用,而导电聚合物则参与电化学反应、由于铜芯具有优良得电导性,因此可以在数千米长得阳极上设一汇流点,聚合物阳极在土壤中使用时,需在其周围填充焦碳粉末而构成阳极地床,其在地床中最大允许工作电流为82mA/ｍ,尽管与其它阳极相比,其工作电流密度很低,但由于可靠近被保护结构物铺设连续地床,因此可提供均匀、有效得保护、

聚合物阳极安装简便,特别适于裸管或涂层严重破坏得管道、受屏蔽得复杂管网区得保护以及高电阻率得土壤中。但应注意不能过度弯曲。 ２。７ 混合金属氧化物阳极

混合金属氧化物阳极就是在钛基体上被覆一层具有电催化活性得混合金属氧化物而构成,最早应用于氯碱工业,后推广应用于其它工业,包括阴极保护领域。由于采用钛为基体,因而易于加工成各种所需得形状,并且重量轻,这为搬运与安装带来了方便、由于电极表面为高催化活性得氧化物层所覆盖,在表面得一些缺陷处露出得钛基体得电位通常不会超过２伏,因此钛基体不会产生表面钝化膜击穿破坏(在土壤中使用时,外加电压一般控制在6０伏以下)。混合金属氧化物阳极还具有极优异得物理、化学与电化学性能。其涂层得电阻率为１０-７Ω.ｍ,极耐酸性环境得作用,极化小并且消耗率极低。通过调整氧化物层得成份,可以使其适于不同得环境,如海水、淡水、土壤中。 混合金属氧化物阳极在地床中于100A／m2,工作电流密度下使用寿命可达20年,其消耗速率约2mg/Ａ。a,由于混合金属氧化物阳极具有其它阳极所不具备得优点,它已成为目前最为理想与最有前途得辅助阳极材料。 牺牲阳极接地电阻以及发电量计算 内容:

一、阳极接地电阻 Ｒa=ρlｎ(Ｌ/r)／2πＬ

Rａ=阳极接地电阻(oｈms) ρ=土壤电阻率(ｏhm-ｍ) L＝阳极长度(m) r＝阳极半径(m) 需要指出得就是,由于填料电阻率很低,阳极得长度与半径就是根据填料袋尺寸来确定。 二、阳极驱动电位

假设被保护结构得极化电位为—1、0V,则驱动电压 ΔＶ=V+1、0、 V=阳极电位:高电位镁阳极-1.75V,低电位镁阳极－1.５5V,锌阳极电位－1.10V、 三、阳极发电量计算 阳极实际发电量I=ΔＶ／Ra

四、应用举例:

某埋地管道,长度为13公里,直径15９毫米,环氧粉末防腐层,处于土壤电阻率30欧姆、米环境中,牺牲阳极设计寿命15年。计算阳极得用量。

由于土壤电阻率较高,设计采用高电位镁阳极阴极保护系统、 1、被保护面积:Ａ=π×D×L D=管道直径,1５9ｍm Ｌ=管道长度,１3x１03ｍ Ａ=3。14×0.159×130０0＝6490m2 2、所需阴极保护电流:I=A×Cd×(1-E) I=阴极保护电流

Cd=保护电流密度,取１0mA/ｍ2 E=涂层效率,98% I=６４90×10×２％=12９８mA

３、根据设计寿命以及阳极电容量计算阳极用量 W=８７60Ｉt/ZUQ I=阳极电流输出(Amｐs) t＝设计寿命(years) U=电流效率(0.５)

Z=理论电容量(2200Aｈ／kｇ) Q=阳极使用率(85％) Ｗ=阳极重量(Kg)

W＝８7６0×1。２９８×1５/(2２00×0、5×０。8５)=１83Ｋg 选用7。７公斤镁阳极,需要24支、 4、根据阳极实际发电量计算阳极用量 Ra＝ρｌｎ(L/r)/2πL Rａ=阳极接地电阻(oｈmｓ) ρ=土壤电阻率(ｏhｍ—m) L=阳极长度(ｍ) r＝阳极半径(m)

７。７Kg阳极填包后尺寸为:长=７62mm,直径=152mm。 Ra＝3０×ｌｎ(2×0.７62/0.1５2)/(２×3.１４×0。762)=1６.9Ω假设管道得自然电位为-０.5５V,极化电位-1.0Ｖ,保护电流１29８mA,则管道得接地电阻为=0、３5Ω,加上导线电阻,则电路电阻共计17、５Ω。 假设管道得极化电位为－１。０V,镁阳极得驱动电位为-1、75V,则镁阳极得驱动电压为0。75V、 单支阳极得输出电流为:0。７5/17、5=４3mA,输出１2９8ｍA电流需要阳极为129８/４３=30.1支,取30支、

由于根据接地电阻计算得阳极用量大于根据电流量计算得阳极用量,所以,取30支阳极。 将３0支阳极沿管道每隔433米埋设一支,然后与管道连接。 ５。牺牲阳极系统实际寿命验算:

t=WZUQ／8760I=３0×７、7×2200×0。5×0.85÷(８760×1。298)=19 t=19years 牺牲阳极系统得实际寿命为19年。 阴极保护主要参数与阴极保护准则

内容:

1、自然电位

自然电位就是金属埋入土壤后,在无外部电流影响时得对地电位、自然电位随着金属结构得材质、表面状况与土质状况,含水量等因素不同而异,一般有涂层埋地管道得自然电位在－０.4~0。７VCＳＥ之间,在雨季土壤湿润时,自然电位会偏负,一般取平均值—0.５5V。 2、最小保护电位金属达到完全保护所需要得最低电位值。一般认为,金属在电解质溶液中,极化电位达到阳极区得开路电位时,就达到了完全保护。 3、最大保护电位

如前所述,保护电位不就是愈低愈好,就是有限度得,过低得保护电位会造成管道防腐层漏点处大量析出氢气,造成涂层与管道脱离,即,阴极剥离,不仅使防腐层失效,而且电能大量消耗,还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂,所以必须将电位控制在比析氢电位稍高得电位值,此电位称为最大保护电位,超过最大保护电位时称为”过保护＂。 4、最小保护电流密度

使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要得保护电流密度,称作最小保护电流密度,其常用单位为mA/m２表示、处于土壤中得裸露金属,最小保护电流密度一般取10mA/ｍ2。 5、瞬时断电电位