第三章阴极保护
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C、d两式中系数可根据边界条件求得。
无限长管路计算
• 定义
• 在管路全线只有一个阴极保护站，线路上没有绝缘法兰， 这种管路称为无限长管路。
边界条件 x0（汇流点处）
EE0 I I0
x （一侧管路）
I0 E0
IA 1eax B 1e ax
x0 I0A1B1
X 0A1e
A1 0
B1 I0
I I eax ——电流分布规律 0
dx
RT
dE dx
IrT
d 2I 1 dE rT I a2I
d x2
RT dx RT
d2I d x2
a2I
0
d 2E dx2
rT
dI dx
rT Rt
E a2E
d 2E dx2
a2E
0
对两式二阶常系数齐次线性微分方程求其通解：
IA 1eax B 1e ax EA 2ea x B 2e ax
• 1928年，柯恩在长输管线上安装第一台阴极保护整流器。 • 1936年，美国成立了中部大陆的阴极保护协会。 • 1940年,英国应用了牺牲阳极保护, 德国和日本分别在1950
和1964年开始研究电化学理论，并开始了煤气管道的阴极 保护。 • 1985年，我国开始在石油管道上应用阴极保护技术。
• 2009 年11 月，经第十一届全国人大常委会第十一次会议 审议，通过了《中华人民共和国石油天然气管道保护法 (草案)》，将我国石油天然气管道保护从部门条例上升为 国家法律。
r R TTE 0
E 0 E 0 R TrT R p
Rp RTrT
I0a rT0E r 1 T
r R TTE 0
E 0 E 0 R TrT R p
从上式可以看出，如果RT越小，则I0越大。这说明如果
绝缘层质量不好，则所需保护电流越大，从而增加电能消耗。
在通电点 x0
E 0 E max ; x L max ; E E min
同理将边界条件代人d式，可得到电压分布规律：
EE0eax
由此可做出管路沿线外加电位和电流分布曲线
无限长管路计算 结论
• 1.管路上外加电位和电流按指数函数的形式变化，其特点 是：汇流点附近的电位和电流下降较快，离汇流点越远， 下降越慢。
• 2曲线下降的快慢（电位、电流的变化梯度）决定于衰减 系数，由于rT变化不大，因此主要决定于RT（管路过渡电 阻），而在过渡电阻中起决定作用的是绝缘层电阻，所以 绝缘层的电阻越大，即RT越大，曲线越平坦，RT越小，曲 线越陡。
• 3、设土壤电位为零。
• 绝缘层过渡电阻：单位面积上的防腐层过渡电阻RP； • 过渡电阻：单位长度上电流从土壤径向流入管路时的绝缘
层过渡电阻， RT，其数值主要取决于绝缘层电阻。 • 管道电阻：单位长度上金属管道的电阻，rT。
• 在离汇流点x处的地方取一小段dx，设dx小段的管道电位 为E（管对地电位），土壤电位为零，并设过渡电阻为Rt， 则由土壤流入dx小段管路的电流为：
应用； • 覆盖层质量，对覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需
保护电流太大而使得牺牲阳极不适用； • 可利用的电源因素 • 经济性
四、阴极保护基本参数
• （一）自然电位Ee
• 定义：未加阴极保护时，钢管对地电位（管地电位）称自 然电位，又称腐蚀电位。也即阴极极化前的管地电位称自 然电位。
• 总电位Eo • 定义：加阴极保护后测出的管地电位称总电位，即阴极极
（四）阴极保护度
保护度是“通过防蚀措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。
（自学）
五、阴极保护准则
• 1．埋地钢质管道阴极保护准则可采用下列任一项或几项 为判据： (1) 在施加阴极电流的情况下，测的管/地电位为－850mV （相对饱和硫酸铜参比电极CSE，下同）或更负。 (2)管道表面与同土壤接触的稳定的参比电极之间阴极极 化电位值最小为100mV。这一准则可以用于极化的建立过 程和衰减过程中。
EEe 将上述边界条件带入
ax 0
E E eam Lax min max
Lmax
1LnEmax
a
Emin
从上式可以看出，保护长度也决定于绝缘层的质量，RT越大，
a值就越小，Lmax 就越大，如果无绝缘层，则 Lmax 将很短。
点（阳极区），确定净电流是从电解质流向管道表面。
• 3．最大保护电流的限制应根据覆盖层的种类及环境来确 定，以不损坏覆盖层的沾结力为准。
推荐的最大保护电位为：
石油沥青
－1漆
－3.0V
环氧粉末
－2.0V
六、 管道实施阴极保护的基本条件
管道实施阴极保护的基本条件为 ： • 有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流； • 管道必须处于有电解质的环境中（如土壤、河流、海水等）； • 保持管道纵向电连续性； • 必须做好管道的电绝缘。
dI E dx RT
dI E
dx
RT
• 另一方面，电流流过该小段管路时，由于管路本身的电阻， 将产生一个压降。设流过dx小段管路的平均电流为I，单 位长钢管的电阻为rT，由电流流过dx的压降为：
dE Irdx
dE dx
IrT
对上述式子求导数， 设
rT a 2 RT
a为衰减系数
dI E
• 1823年——英国学者汉.戴维研究对木质舰船的铜护套进行保护 • 1834年—— 法拉第→奠定了阴极保护原理基础 （i&CR → 电
化学理论） • 1890年—— 爱迪生→提出强制电流保护船舶 • 1902年—— 柯恩→ 实现了爱迪生的设想 • 1905年 ——美国用于锅炉保护 • 1906年 ——德国建立第一个阴极保护厂 • 1913年 ——命名为电化学保护 • 1924年 ——地下管网阴极保护
（三）保护电流密度
• 最小保护电流密度 定义：对管路外加某一数量的电流密度，使管路沿线任一点都没
有腐蚀电流流入土壤，此时的电流密度称为最小电流密度。或者说， 使保护管路发生阴极极化，其极化电位达到 Ea 0时，对应的电流密度 为最小保护电流密度。
最小保护电流密度随外界条件不同会有很大变化，如绝缘层质量、 土壤含水量、土壤温度、土壤电阻率等。因而最小保护电流密度有可 能差几倍。因此对不同的管路，甚至同一管路的不同段落所需的最小 保护电流密度的数值也都是不同的，故最小保护电流密度参数对长距 离管路不太实用，但较适用于作为油罐、油轮等金属构筑物的阴极保 护标准。基于以上原因，对于长输管路，采用的标准为最小保护电位。
为防止极化过分，绝缘层剥离、氢脆或氢鼓泡的现象， 通电点的电位不能加得太高，最高不得超过最大保护电位， 即通电点的电位受最大保护电位的限制。
• 最大保护电位 定义：加到管路通电点的电位极限值。在此极限电位
下，管路上的防腐绝缘层仍不致遭到破坏，此极限电位称 为地下管路的最大保护电位。
如果通电电位大于最大保护电位（绝对值），由于氢 去极化作用及电渗现象，会使绝缘层发生分层而遭到破坏。 并且氢原子有可能渗入钢管体内，导致钢管发生氢脆。
化后的电位。 • 外加电位E • 定义：又称偏移电位、极化电位。总电位与自然电位之差
称外加电位。
（二）保护电位
• 最小保护电位
定义：对管路进行阴极保护时，加到管路上的、使管 路腐蚀过程完全停止时的电位值。或者说，阴极极化电位 达到Ea0时的电位。
地下管路很长，电流流经管路时，要产生电压降，为 保证管路沿线各点电位都高于最小保护电为（按绝对值） 必须提高通电点的电位，通电点的电位越高，保护距离越 长。
二、求阴极保护站电源功率
• 根据阴极保护站的总电压和总电流计算所需电源功率， 由此选择阴极保护站的电器设备。
三、外加电位和电流的分布规律
假设条件
• 1、管路上的绝缘层均匀一致，并且有良好的介电性，因 此可以认为管路沿线各点单位面积上的过渡电阻相等；
• 2、电流经过土壤，由于土壤截面积大，故土壤电阻忽略 不计；
（一）管道的电绝缘
• 1．绝缘接头 管道的绝缘接头形式：有法兰型、整体型（埋地）、活接头等各种。 管道的绝缘接头作用：绝缘接头是埋地管线上重要的防腐部件， 恰当应用可 以避免阴极保护电流的漏失，保证达到规定的保护电位范围；同时也是抗杂 散电流干扰的重要措施之一，并减少杂散电流的干扰区域。
• 2.绝缘支墩 • 当管道采用套管形式穿墙或穿公路、铁路时，管道与套管必须电绝缘。通常
（3）存在细菌腐蚀时，管道阴极保护电位应为－950 mV （CSE）或更负 （4）在土壤电阻率 100Ω·m 至 1000Ω·m 环境中的管道， 阴极保护电位宜负于－750 mV（CSE）；在土壤电阻率 ρ 大于 1000Ω·m 的环境中的管道，阴极保护电位宜负于－ 650 mV（CSE）。
• 2．特殊条件的考虑 对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在预先的电流排放
二、阴极保护原理
• 以外加电流阴极保护为例说明阴极保护工作原理
阴极保护极化图
三、阴极保护方法
• 实现阴极保护的方法有两种：牺牲阳极法和强制电流法
（一）牺牲阳极法 利用比被保护部件的电位更负的金属或合金制成牺牲的阳极，从
而使被保护的部件发生阴极极化，达到减缓腐蚀的目的，这种方法称为 牺牲阳极的阴极保护或简称牺牲阳极保护。 开路电位（自然腐蚀电位） 闭路电位（工作电位） 驱动电压（有效电压）
第三章 埋地管道的阴极保护
第一节概述
一、阴极保护发展简史
• 阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表 面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的 电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。 目前阴极保护技术已经发展 成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、码 头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。
图9－6 牺牲阳极保护原理示意图
The electromotive force(emf) series
电动势序，电化学序
Sacrificial anode
(a) an underground pipeline using a magnesium sacrificial anode
Figure2 Galvanic protection of steel as provided by a coating of zinc
（三）阴极保护管道的附件
• 1.检查片 • 2.测试桩
第二节 外加电流阴极保护计算
• 计算保护长度以确定阴极保护站数 • 求阴极保护站电源功率 • 无限长管路的计算 • 有限长管路的计算 • 有限长管路与无限长管路的对比 • 管路保护长度
一.计算保护长度以确定阴极保护站数
• 定义：根据最大、最小保护电位，求出一个阴极保护站 所能保护的管路长度，即保护长度，由保护长度可确定 管路沿线需要设多少个阴极保护站。
图9－7 外加电流阴极保护原理示意图
(b) an underground tank using an impressed current.
对被保护构筑物选用阴极保护方式时要考虑的主要因素
• 保护范围的大小，大者强制电流优越，小者牺牲阳极经济； • 土壤电阻率的限制，电阻率高不宜选用牺牲阳极； • 周围邻近的金属构筑物，有时因干扰而限制了强制电流的
对牺牲阳极材料的要求
• 要有足够的负电位，且很稳定 • 工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落 • 阳极必须具有高的电流效率 • 电化当量高，单位重量的电容量大 • 腐蚀产物无毒，不污染环境 • 材料来源广，易加工，价格便宜
（二）强制电流法
• 利用外部直流电源取得阴极极化电流来防止金属遭受腐蚀 的方法，称为外加电流阴极保护。此时，被保护的金属接 在直流电源的负极上，而辅助阳极接在正极上（如图9－7 所示）。
采用绝缘支墩或绝缘垫。 • 3.其他绝缘
（二）管道纵向电的连续性
• 对于非焊接的管道连接头，应焊接跨接导线来保证管道纵向电的连续 性，确保电流的流动。
• 对于预应力混凝土的管道，施加阴极保护时，每节管道的纵向钢筋必 须首尾跨接，以保证阴极保护电流的纵向导通。有时还可平行敷设一 条电缆，每节预应力管道与之相连来实现电的连续性。
• 3.电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。
证明 电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。
EE0eax 代入
dE dx
IrT
ITr d d E x d (E d 0 e a x )x E 0 e a(x a )
I aE0 eax rT
在通电点处， x0,II0 代入上式得：
I0a rT0E r 1 T
无限长管路计算
• 定义
• 在管路全线只有一个阴极保护站，线路上没有绝缘法兰， 这种管路称为无限长管路。
边界条件 x0（汇流点处）
EE0 I I0
x （一侧管路）
I0 E0
IA 1eax B 1e ax
x0 I0A1B1
X 0A1e
A1 0
B1 I0
I I eax ——电流分布规律 0
dx
RT
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0
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对两式二阶常系数齐次线性微分方程求其通解：
IA 1eax B 1e ax EA 2ea x B 2e ax
• 1928年，柯恩在长输管线上安装第一台阴极保护整流器。 • 1936年，美国成立了中部大陆的阴极保护协会。 • 1940年,英国应用了牺牲阳极保护, 德国和日本分别在1950
和1964年开始研究电化学理论，并开始了煤气管道的阴极 保护。 • 1985年，我国开始在石油管道上应用阴极保护技术。
• 2009 年11 月，经第十一届全国人大常委会第十一次会议 审议，通过了《中华人民共和国石油天然气管道保护法 (草案)》，将我国石油天然气管道保护从部门条例上升为 国家法律。
r R TTE 0
E 0 E 0 R TrT R p
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I0a rT0E r 1 T
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从上式可以看出，如果RT越小，则I0越大。这说明如果
绝缘层质量不好，则所需保护电流越大，从而增加电能消耗。
在通电点 x0
E 0 E max ; x L max ; E E min
同理将边界条件代人d式，可得到电压分布规律：
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由此可做出管路沿线外加电位和电流分布曲线
无限长管路计算 结论
• 1.管路上外加电位和电流按指数函数的形式变化，其特点 是：汇流点附近的电位和电流下降较快，离汇流点越远， 下降越慢。
• 2曲线下降的快慢（电位、电流的变化梯度）决定于衰减 系数，由于rT变化不大，因此主要决定于RT（管路过渡电 阻），而在过渡电阻中起决定作用的是绝缘层电阻，所以 绝缘层的电阻越大，即RT越大，曲线越平坦，RT越小，曲 线越陡。
• 3、设土壤电位为零。
• 绝缘层过渡电阻：单位面积上的防腐层过渡电阻RP； • 过渡电阻：单位长度上电流从土壤径向流入管路时的绝缘
层过渡电阻， RT，其数值主要取决于绝缘层电阻。 • 管道电阻：单位长度上金属管道的电阻，rT。
• 在离汇流点x处的地方取一小段dx，设dx小段的管道电位 为E（管对地电位），土壤电位为零，并设过渡电阻为Rt， 则由土壤流入dx小段管路的电流为：
应用； • 覆盖层质量，对覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所需
保护电流太大而使得牺牲阳极不适用； • 可利用的电源因素 • 经济性
四、阴极保护基本参数
• （一）自然电位Ee
• 定义：未加阴极保护时，钢管对地电位（管地电位）称自 然电位，又称腐蚀电位。也即阴极极化前的管地电位称自 然电位。
• 总电位Eo • 定义：加阴极保护后测出的管地电位称总电位，即阴极极
（四）阴极保护度
保护度是“通过防蚀措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。
（自学）
五、阴极保护准则
• 1．埋地钢质管道阴极保护准则可采用下列任一项或几项 为判据： (1) 在施加阴极电流的情况下，测的管/地电位为－850mV （相对饱和硫酸铜参比电极CSE，下同）或更负。 (2)管道表面与同土壤接触的稳定的参比电极之间阴极极 化电位值最小为100mV。这一准则可以用于极化的建立过 程和衰减过程中。
EEe 将上述边界条件带入
ax 0
E E eam Lax min max
Lmax
1LnEmax
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Emin
从上式可以看出，保护长度也决定于绝缘层的质量，RT越大，
a值就越小，Lmax 就越大，如果无绝缘层，则 Lmax 将很短。
点（阳极区），确定净电流是从电解质流向管道表面。
• 3．最大保护电流的限制应根据覆盖层的种类及环境来确 定，以不损坏覆盖层的沾结力为准。
推荐的最大保护电位为：
石油沥青
－1漆
－3.0V
环氧粉末
－2.0V
六、 管道实施阴极保护的基本条件
管道实施阴极保护的基本条件为 ： • 有可靠的直流电源，以保证提供充足的保护电流； • 管道必须处于有电解质的环境中（如土壤、河流、海水等）； • 保持管道纵向电连续性； • 必须做好管道的电绝缘。
dI E dx RT
dI E
dx
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• 另一方面，电流流过该小段管路时，由于管路本身的电阻， 将产生一个压降。设流过dx小段管路的平均电流为I，单 位长钢管的电阻为rT，由电流流过dx的压降为：
dE Irdx
dE dx
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对上述式子求导数， 设
rT a 2 RT
a为衰减系数
dI E
• 1823年——英国学者汉.戴维研究对木质舰船的铜护套进行保护 • 1834年—— 法拉第→奠定了阴极保护原理基础 （i&CR → 电
化学理论） • 1890年—— 爱迪生→提出强制电流保护船舶 • 1902年—— 柯恩→ 实现了爱迪生的设想 • 1905年 ——美国用于锅炉保护 • 1906年 ——德国建立第一个阴极保护厂 • 1913年 ——命名为电化学保护 • 1924年 ——地下管网阴极保护
（三）保护电流密度
• 最小保护电流密度 定义：对管路外加某一数量的电流密度，使管路沿线任一点都没
有腐蚀电流流入土壤，此时的电流密度称为最小电流密度。或者说， 使保护管路发生阴极极化，其极化电位达到 Ea 0时，对应的电流密度 为最小保护电流密度。
最小保护电流密度随外界条件不同会有很大变化，如绝缘层质量、 土壤含水量、土壤温度、土壤电阻率等。因而最小保护电流密度有可 能差几倍。因此对不同的管路，甚至同一管路的不同段落所需的最小 保护电流密度的数值也都是不同的，故最小保护电流密度参数对长距 离管路不太实用，但较适用于作为油罐、油轮等金属构筑物的阴极保 护标准。基于以上原因，对于长输管路，采用的标准为最小保护电位。
为防止极化过分，绝缘层剥离、氢脆或氢鼓泡的现象， 通电点的电位不能加得太高，最高不得超过最大保护电位， 即通电点的电位受最大保护电位的限制。
• 最大保护电位 定义：加到管路通电点的电位极限值。在此极限电位
下，管路上的防腐绝缘层仍不致遭到破坏，此极限电位称 为地下管路的最大保护电位。
如果通电电位大于最大保护电位（绝对值），由于氢 去极化作用及电渗现象，会使绝缘层发生分层而遭到破坏。 并且氢原子有可能渗入钢管体内，导致钢管发生氢脆。
化后的电位。 • 外加电位E • 定义：又称偏移电位、极化电位。总电位与自然电位之差
称外加电位。
（二）保护电位
• 最小保护电位
定义：对管路进行阴极保护时，加到管路上的、使管 路腐蚀过程完全停止时的电位值。或者说，阴极极化电位 达到Ea0时的电位。
地下管路很长，电流流经管路时，要产生电压降，为 保证管路沿线各点电位都高于最小保护电为（按绝对值） 必须提高通电点的电位，通电点的电位越高，保护距离越 长。
二、求阴极保护站电源功率
• 根据阴极保护站的总电压和总电流计算所需电源功率， 由此选择阴极保护站的电器设备。
三、外加电位和电流的分布规律
假设条件
• 1、管路上的绝缘层均匀一致，并且有良好的介电性，因 此可以认为管路沿线各点单位面积上的过渡电阻相等；
• 2、电流经过土壤，由于土壤截面积大，故土壤电阻忽略 不计；
（一）管道的电绝缘
• 1．绝缘接头 管道的绝缘接头形式：有法兰型、整体型（埋地）、活接头等各种。 管道的绝缘接头作用：绝缘接头是埋地管线上重要的防腐部件， 恰当应用可 以避免阴极保护电流的漏失，保证达到规定的保护电位范围；同时也是抗杂 散电流干扰的重要措施之一，并减少杂散电流的干扰区域。
• 2.绝缘支墩 • 当管道采用套管形式穿墙或穿公路、铁路时，管道与套管必须电绝缘。通常
（3）存在细菌腐蚀时，管道阴极保护电位应为－950 mV （CSE）或更负 （4）在土壤电阻率 100Ω·m 至 1000Ω·m 环境中的管道， 阴极保护电位宜负于－750 mV（CSE）；在土壤电阻率 ρ 大于 1000Ω·m 的环境中的管道，阴极保护电位宜负于－ 650 mV（CSE）。
• 2．特殊条件的考虑 对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在预先的电流排放
二、阴极保护原理
• 以外加电流阴极保护为例说明阴极保护工作原理
阴极保护极化图
三、阴极保护方法
• 实现阴极保护的方法有两种：牺牲阳极法和强制电流法
（一）牺牲阳极法 利用比被保护部件的电位更负的金属或合金制成牺牲的阳极，从
而使被保护的部件发生阴极极化，达到减缓腐蚀的目的，这种方法称为 牺牲阳极的阴极保护或简称牺牲阳极保护。 开路电位（自然腐蚀电位） 闭路电位（工作电位） 驱动电压（有效电压）
第三章 埋地管道的阴极保护
第一节概述
一、阴极保护发展简史
• 阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表 面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的 电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。 目前阴极保护技术已经发展 成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、码 头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。
图9－6 牺牲阳极保护原理示意图
The electromotive force(emf) series
电动势序，电化学序
Sacrificial anode
(a) an underground pipeline using a magnesium sacrificial anode
Figure2 Galvanic protection of steel as provided by a coating of zinc
（三）阴极保护管道的附件
• 1.检查片 • 2.测试桩
第二节 外加电流阴极保护计算
• 计算保护长度以确定阴极保护站数 • 求阴极保护站电源功率 • 无限长管路的计算 • 有限长管路的计算 • 有限长管路与无限长管路的对比 • 管路保护长度
一.计算保护长度以确定阴极保护站数
• 定义：根据最大、最小保护电位，求出一个阴极保护站 所能保护的管路长度，即保护长度，由保护长度可确定 管路沿线需要设多少个阴极保护站。
图9－7 外加电流阴极保护原理示意图
(b) an underground tank using an impressed current.
对被保护构筑物选用阴极保护方式时要考虑的主要因素
• 保护范围的大小，大者强制电流优越，小者牺牲阳极经济； • 土壤电阻率的限制，电阻率高不宜选用牺牲阳极； • 周围邻近的金属构筑物，有时因干扰而限制了强制电流的
对牺牲阳极材料的要求
• 要有足够的负电位，且很稳定 • 工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落 • 阳极必须具有高的电流效率 • 电化当量高，单位重量的电容量大 • 腐蚀产物无毒，不污染环境 • 材料来源广，易加工，价格便宜
（二）强制电流法
• 利用外部直流电源取得阴极极化电流来防止金属遭受腐蚀 的方法，称为外加电流阴极保护。此时，被保护的金属接 在直流电源的负极上，而辅助阳极接在正极上（如图9－7 所示）。
采用绝缘支墩或绝缘垫。 • 3.其他绝缘
（二）管道纵向电的连续性
• 对于非焊接的管道连接头，应焊接跨接导线来保证管道纵向电的连续 性，确保电流的流动。
• 对于预应力混凝土的管道，施加阴极保护时，每节管道的纵向钢筋必 须首尾跨接，以保证阴极保护电流的纵向导通。有时还可平行敷设一 条电缆，每节预应力管道与之相连来实现电的连续性。
• 3.电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。
证明 电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。
EE0eax 代入
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在通电点处， x0,II0 代入上式得：
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