天然气管道阴极保护
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护系统主要有牺牲阳极、填包料、和测试桩组成。水环境中， 除导线连接外，牺牲阳极也可直接焊接到被保护结构上。
山 西 燃 气 工 程 技 术 学 校 SHANXI GAS ENGINE ERING TECHNICAL SCHOOL
（一）牺牲阳极保护 3、牺牲阳极种类
阳极随着流出的电流而逐渐消耗，所以称为牺牲阳极，
产生的电流来保护输气管道，使被保护金属构筑物成为腐蚀
电池中阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极阴极保护。
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牺牲阳极保护示意图
Zn—电子流出—被氧化—阳极 Fe—电子流入—被还原—阴极
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管道阴极保护
2018/8/30 2018/8/30
山 西 燃 气 工 程 技 术 1学 1 校 SHANXI GAS ENGINE ERING TECHNICAL SCHOOL
管道腐蚀
山 西 燃 气 工 程 技 术 学 校 SHANXI GAS ENGINE ERING TECHNICAL SCHOOL
根据所选定的阳极种类、尺寸，计算阳极的输出电流 Ia
Ia = ia ·F
式中，Ia — 阳极输出电流，A； ia — 阳极表面电流密度，A/m2 F— 阳极有效表面积，m2。 阳极表面的电流密度随阳极材料及介质的不同而不同，应 由实验来确定。 在初计算中，可取：
海水中 ia=1mA/cm2；
土壤中 ia=0.03mA/cm2。
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（一）牺牲阳极保护
1、牺牲阳极保护原理（原电池原理） 在腐蚀电池中，阳极腐蚀，阴极不腐蚀。根据这一原理，把 某种电极电位比较负的金属材料与电极电位比较正的被保护 金属构筑物相连接，依靠电位比较负的金属不断腐蚀溶解所
（一）牺牲阳极保护 4、牺牲阳极主要应用
牺牲阳极主要应用于土壤电阻率低的环境及城市燃气钢
制埋地管道和区域性设施。
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镁、铝、锌、锰系列阳极
锌合金牺牲阳极 锌合金牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零 件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用 寿命，甚至造成燃气泄漏导致火灾、爆炸等灾难性事故发生。
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埋地钢制输气管道锈蚀
阴极保护原理
以外加电流的阴极保护为例， 暂不考虑腐蚀电池的回路电阻， 则在未通电流保护以前，腐蚀原 电池的自然腐蚀电位为E，相应的 最大腐蚀电流为IC 。通上外加电 流后，由电解质流入阴极的电流 量增加，由于阴极的进一步极化， 其电位将降低。如流人阴极电流 为ID，则其电位降至E′，此时由 原来的阳极流出的腐蚀电流将由 IC 降至 I′。 ID 与 I′的差值就是 由辅助阳极流出的外加电流量。
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定义：指金属表面与非电解质直接发生纯化 学作用而引起的破坏。 化学腐蚀 特点：腐蚀过程中无电流的产生。
按腐蚀原理分为
定义：指金属表面与电解质因发生电化学反 电化学腐蚀 应而引起的破坏。 特点：腐蚀过程中有电流的产生。
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牺牲阳极阴极保护设计
★ 长输管道的牺牲阳极阴极保护实例
牺牲阳极的安装和位点布置
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管道所需的最小保护电流密度 ip 与土壤电阻率、管道绝 缘层质量有很大关系。
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土壤电阻率
推荐采用的牺牲阳极
＞100
60～100
不宜采用牺牲阳极
纯镁、镁锰合金系列
15～60
＜30 潮湿环境 ＜15
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阴极保护原理
根据电化学保护机理，使被保护金属表面得到足够的电 子，这样金属原子不容易失去电子而抑制了金属的腐蚀。
牺牲阳极法阴极保护
外加电流阴极保护
辅助阳极（不溶Fra Baidu bibliotek）
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牺牲阳极阴极保护设计
牺牲阳极的安装 长输管道牺牲阳极的安装：
保护长度: 每个阳极的保护长度范围一般是200~1000m； 阳极距离管道的距离一般为3~6m。
连接箱 填充物 管道
牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
计算所需阳极根数
N=α I/Ia
式中：
N—阳极的根数；
I —所须保护电流； Ia—阳极输出的电流； α—阳极的屏蔽系数，它与被保护设备的结构、阳极间的距离、 阳极材料的性质等因素有关，取α=1.5～3。
这种阳极消耗快，安设位置及方法必须便于更换。 埋地管道牺牲阳极法牺牲阳极：由电位较负的金属材料 制成，当它与被保护的管道连接时，自身发生优先离解，从 而抑制了管道的腐蚀，故称为牺牲阳极。牺牲阳极应有足够
负的稳定电位，以保持足够大的驱动电压：同时有较大的理
论发生电量，还要有高而稳定的电流效率。
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镁合金牺牲阳极
铝合金牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
所需保护电流 I 的计算
I = S ·ip
I — 实现完全保护所需的保护电流，mA S — 被保护构件的外表面面积，m2；
ip — 最小保护电流密度，mA/m2；
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为了使金属构筑物得到完全保护， 即没有腐蚀电流从其上流出，就 需进一步将阴极极化到使总电位 降至等于阳极的初始电位EAO， 此时外加的保护电流值为IP。此 时的极化作用已使原来腐蚀电池 的微电池作用完全受到抑制。
类型。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最
常见的一种。 在潮湿的空气中，钢铁表面会吸附一层薄薄的水膜。如 果这层水膜呈较强酸性时，H+得电子析出氢气，这种电化学 腐蚀称为析氢腐蚀；如果这层水膜呈弱酸性或中性时，能溶
解较多氧气，此时O2得电子而析出OH—，这种电化学腐蚀称
为吸氧腐蚀。
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第三节
阴极保护分类
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阴极保护原理
金属在电解质溶液中，由于金属本身存在电化学不均匀性 或外界环境的不均匀性，都会形成腐蚀原电池。在原电池的 阳极区发生腐蚀，不断输出电子，同时金属离子溶入电解液 中。阴极区发生阴极反应，视电解液和环境条件的不同，在 阴极表面上析出氢气或接受正离子的沉积。如果给金属通以 阴极电流，整个腐蚀原电池体系的电位将向负的方向偏移， 使金属阴极极化，这就可以抑制阳极区金属的电子释放，从 根本上防止金属腐蚀。 管道阴极保护就是利用外加的牺牲阳极或外加电流，消 除管道在土壤中腐蚀原电池的阳极区，使管道成为其中阴极 区，从而受到保护。阴极保护分为牺牲阳极法与强制电流法 两种。
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（一）牺牲阳极保护 2、牺牲阳极组成
作用是为了使电流输出尽 量保持稳定和降低阳极接 地电阻。填包料主要由硫 酸钙、膨润土和硫酸钠混 合而成。
牺牲阳极保护系统的组成有：土壤中，牺牲阳极阴极保
为了达到有效保护，牺牲阳极不仅在开路状态（牺
牲阳极与被保护金属之间的电路未接通）有足够负的
开路电位（即自然腐蚀电位），而且在闭路状态（电 路接通后）有足够的闭路电位（即工作电位）。这样， 在工作时可保持足够的驱动电压。驱动电压指牺牲阳 极的闭路电位与金属构筑物阴极极化后的电位两者之
差，亦称为有效电压。
针对油气田环境，常用的金属防腐蚀技术：
合理选材与结构优化设计； 阴极保护技术； 缓蚀剂保护技术； 覆盖层保护技术；
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一、金属腐蚀的定义及腐蚀影响 二、电化学腐蚀的分类 三、阴极保护的分类 阴极保护技术
2H++2e—=H2↑
Fe—2e—=Fe2+ 正极 Fe2+ +OH—=Fe(OH)2↓ pH值、阴极区面积等
O2+4e—+2H2O=4OH—
2Fe—4e—=2Fe2+ 正极 4Fe(OH)2 +O2+2H2O= 4Fe(OH)3 溶解氧浓度、温度、盐浓度
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四、长输天然气管道阴极保护系统
五、阴极保护参数
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第一节
金属腐蚀的定义及 腐蚀影响
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1、金属腐蚀的定义及腐蚀影响
“物质（或材料）的腐蚀时物质（或材料）受环境介质
的化学或电化学作用而破坏的现象”，称为金属腐蚀。 金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程，金 属腐蚀一般可分为化学腐蚀与电化学腐蚀。 腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，
使金属转入氧化(离子)状态。这会显著降低金属材料的强度、
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第二节 电化学腐蚀的分类
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电化学腐蚀是金属的腐蚀中最普遍、也是最重要的一种
（一）牺牲阳极保护 3、牺牲阳极种类
在生产实际中，现在能作为牺牲阳极材料的只有Al、Mg、
Zn及其合金。 镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝 合金和锌合金主要用于水环境介质中。
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电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类
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项目 发生条件
析氢腐蚀 水膜呈酸性
吸氧腐蚀 水膜呈弱酸性或中性
正极反应
负极反应 溶液pH升高的 极 其他反应 影响因素
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（一）牺牲阳极保护 3、牺牲阳极种类
阳极随着流出的电流而逐渐消耗，所以称为牺牲阳极，
产生的电流来保护输气管道，使被保护金属构筑物成为腐蚀
电池中阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极阴极保护。
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牺牲阳极保护示意图
Zn—电子流出—被氧化—阳极 Fe—电子流入—被还原—阴极
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管道阴极保护
2018/8/30 2018/8/30
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管道腐蚀
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根据所选定的阳极种类、尺寸，计算阳极的输出电流 Ia
Ia = ia ·F
式中，Ia — 阳极输出电流，A； ia — 阳极表面电流密度，A/m2 F— 阳极有效表面积，m2。 阳极表面的电流密度随阳极材料及介质的不同而不同，应 由实验来确定。 在初计算中，可取：
海水中 ia=1mA/cm2；
土壤中 ia=0.03mA/cm2。
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（一）牺牲阳极保护
1、牺牲阳极保护原理（原电池原理） 在腐蚀电池中，阳极腐蚀，阴极不腐蚀。根据这一原理，把 某种电极电位比较负的金属材料与电极电位比较正的被保护 金属构筑物相连接，依靠电位比较负的金属不断腐蚀溶解所
（一）牺牲阳极保护 4、牺牲阳极主要应用
牺牲阳极主要应用于土壤电阻率低的环境及城市燃气钢
制埋地管道和区域性设施。
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镁、铝、锌、锰系列阳极
锌合金牺牲阳极 锌合金牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零 件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用 寿命，甚至造成燃气泄漏导致火灾、爆炸等灾难性事故发生。
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埋地钢制输气管道锈蚀
阴极保护原理
以外加电流的阴极保护为例， 暂不考虑腐蚀电池的回路电阻， 则在未通电流保护以前，腐蚀原 电池的自然腐蚀电位为E，相应的 最大腐蚀电流为IC 。通上外加电 流后，由电解质流入阴极的电流 量增加，由于阴极的进一步极化， 其电位将降低。如流人阴极电流 为ID，则其电位降至E′，此时由 原来的阳极流出的腐蚀电流将由 IC 降至 I′。 ID 与 I′的差值就是 由辅助阳极流出的外加电流量。
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定义：指金属表面与非电解质直接发生纯化 学作用而引起的破坏。 化学腐蚀 特点：腐蚀过程中无电流的产生。
按腐蚀原理分为
定义：指金属表面与电解质因发生电化学反 电化学腐蚀 应而引起的破坏。 特点：腐蚀过程中有电流的产生。
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牺牲阳极阴极保护设计
★ 长输管道的牺牲阳极阴极保护实例
牺牲阳极的安装和位点布置
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管道所需的最小保护电流密度 ip 与土壤电阻率、管道绝 缘层质量有很大关系。
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土壤电阻率
推荐采用的牺牲阳极
＞100
60～100
不宜采用牺牲阳极
纯镁、镁锰合金系列
15～60
＜30 潮湿环境 ＜15
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阴极保护原理
根据电化学保护机理，使被保护金属表面得到足够的电 子，这样金属原子不容易失去电子而抑制了金属的腐蚀。
牺牲阳极法阴极保护
外加电流阴极保护
辅助阳极（不溶Fra Baidu bibliotek）
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牺牲阳极阴极保护设计
牺牲阳极的安装 长输管道牺牲阳极的安装：
保护长度: 每个阳极的保护长度范围一般是200~1000m； 阳极距离管道的距离一般为3~6m。
连接箱 填充物 管道
牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
计算所需阳极根数
N=α I/Ia
式中：
N—阳极的根数；
I —所须保护电流； Ia—阳极输出的电流； α—阳极的屏蔽系数，它与被保护设备的结构、阳极间的距离、 阳极材料的性质等因素有关，取α=1.5～3。
这种阳极消耗快，安设位置及方法必须便于更换。 埋地管道牺牲阳极法牺牲阳极：由电位较负的金属材料 制成，当它与被保护的管道连接时，自身发生优先离解，从 而抑制了管道的腐蚀，故称为牺牲阳极。牺牲阳极应有足够
负的稳定电位，以保持足够大的驱动电压：同时有较大的理
论发生电量，还要有高而稳定的电流效率。
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镁合金牺牲阳极
铝合金牺牲阳极
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牺牲阳极阴极保护设计
所需保护电流 I 的计算
I = S ·ip
I — 实现完全保护所需的保护电流，mA S — 被保护构件的外表面面积，m2；
ip — 最小保护电流密度，mA/m2；
山 西 燃 气 工 程 技 术 学 校 SHANXI GAS ENGINE ERING TECHNICAL SCHOOL
为了使金属构筑物得到完全保护， 即没有腐蚀电流从其上流出，就 需进一步将阴极极化到使总电位 降至等于阳极的初始电位EAO， 此时外加的保护电流值为IP。此 时的极化作用已使原来腐蚀电池 的微电池作用完全受到抑制。
类型。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最
常见的一种。 在潮湿的空气中，钢铁表面会吸附一层薄薄的水膜。如 果这层水膜呈较强酸性时，H+得电子析出氢气，这种电化学 腐蚀称为析氢腐蚀；如果这层水膜呈弱酸性或中性时，能溶
解较多氧气，此时O2得电子而析出OH—，这种电化学腐蚀称
为吸氧腐蚀。
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第三节
阴极保护分类
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阴极保护原理
金属在电解质溶液中，由于金属本身存在电化学不均匀性 或外界环境的不均匀性，都会形成腐蚀原电池。在原电池的 阳极区发生腐蚀，不断输出电子，同时金属离子溶入电解液 中。阴极区发生阴极反应，视电解液和环境条件的不同，在 阴极表面上析出氢气或接受正离子的沉积。如果给金属通以 阴极电流，整个腐蚀原电池体系的电位将向负的方向偏移， 使金属阴极极化，这就可以抑制阳极区金属的电子释放，从 根本上防止金属腐蚀。 管道阴极保护就是利用外加的牺牲阳极或外加电流，消 除管道在土壤中腐蚀原电池的阳极区，使管道成为其中阴极 区，从而受到保护。阴极保护分为牺牲阳极法与强制电流法 两种。
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（一）牺牲阳极保护 2、牺牲阳极组成
作用是为了使电流输出尽 量保持稳定和降低阳极接 地电阻。填包料主要由硫 酸钙、膨润土和硫酸钠混 合而成。
牺牲阳极保护系统的组成有：土壤中，牺牲阳极阴极保
为了达到有效保护，牺牲阳极不仅在开路状态（牺
牲阳极与被保护金属之间的电路未接通）有足够负的
开路电位（即自然腐蚀电位），而且在闭路状态（电 路接通后）有足够的闭路电位（即工作电位）。这样， 在工作时可保持足够的驱动电压。驱动电压指牺牲阳 极的闭路电位与金属构筑物阴极极化后的电位两者之
差，亦称为有效电压。
针对油气田环境，常用的金属防腐蚀技术：
合理选材与结构优化设计； 阴极保护技术； 缓蚀剂保护技术； 覆盖层保护技术；
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一、金属腐蚀的定义及腐蚀影响 二、电化学腐蚀的分类 三、阴极保护的分类 阴极保护技术
2H++2e—=H2↑
Fe—2e—=Fe2+ 正极 Fe2+ +OH—=Fe(OH)2↓ pH值、阴极区面积等
O2+4e—+2H2O=4OH—
2Fe—4e—=2Fe2+ 正极 4Fe(OH)2 +O2+2H2O= 4Fe(OH)3 溶解氧浓度、温度、盐浓度
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四、长输天然气管道阴极保护系统
五、阴极保护参数
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第一节
金属腐蚀的定义及 腐蚀影响
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1、金属腐蚀的定义及腐蚀影响
“物质（或材料）的腐蚀时物质（或材料）受环境介质
的化学或电化学作用而破坏的现象”，称为金属腐蚀。 金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程，金 属腐蚀一般可分为化学腐蚀与电化学腐蚀。 腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，
使金属转入氧化(离子)状态。这会显著降低金属材料的强度、
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第二节 电化学腐蚀的分类
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电化学腐蚀是金属的腐蚀中最普遍、也是最重要的一种
（一）牺牲阳极保护 3、牺牲阳极种类
在生产实际中，现在能作为牺牲阳极材料的只有Al、Mg、
Zn及其合金。 镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝 合金和锌合金主要用于水环境介质中。
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电化学腐蚀的分类电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类 电化学腐蚀的分类
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项目 发生条件
析氢腐蚀 水膜呈酸性
吸氧腐蚀 水膜呈弱酸性或中性
正极反应
负极反应 溶液pH升高的 极 其他反应 影响因素