电化学防护.讲义

重庆科技学院《电化学保护及设计》课程论文题目埋地管道外加电流法阴极保护设计学院专业班级学生姓名学号指导教师成绩评语: _________________________ ___ ____ ________________________________ _ ___________ ___________________ __2014年6 月16 日埋地管道外加电流法阴极保护设计摘要：管道运输是当代综合运输体系的重要组成部分，它和铁路、公路、水运和航空一起构成各国经济发展的基础产业。

它具有独特的优势和特点：可穿越山河、沙漠、沼泽等地域，大部分埋在地下，占地面积少；管道建设施工易于操作，速度快、投资少、运输成本低；受气候影响较小，运输安全可靠，对环境污染小；适合单一品种，大运量、长距离，单向运输等。

因此为了管道的长久耐用，管道的防腐蚀问题也越来越重要。

本文主要介绍了埋地管道外加电流法的设计要求、参数选择、工艺计算、安装和施工等内容。

关键词：管道腐蚀外加电流法阴极保护引言：阴极保护理论、技术、应用的研究已有一百多年的历史，外加电流阴极保护是地下或水下金属构筑物防止或延缓电化学腐蚀、大大延长使用寿命、减少各种危险事故的重要技术措施之一。

外加电流保护法是一种非常重要的阴极保护技术，它在实际工程中有着广泛的应用。

1、外加电流法阴极保护的概述外加电流阴极保护法是利用外部电源对被保护金属结构物施加一定的负电流，使结构物的电极电位通过阴极极化达到规定的保护电位范围、保护电流密度范围，从而抑阻腐蚀获得保护的一种方法。

如图所示：外加电流法阴极保护系统简明示例外部电流通过对埋置于土壤中的钢质管道施加负电流而使钢管获得了阴极保护。

整流器（负极）-导线-钢管-土壤-辅助阳极-导线-整流器（正极），构成了一个完整的电流回路。

在钢管/土壤及辅助阳极/土壤的界面处发生了电子导电与离子导电之间的转换，这也是通过界面电化学反应来实现的。

2、设计任务要求某埋地16Mn钢质管道，长度为90公里，直径为530毫米，环氧粉末防腐涂层，处于土壤电阻率80欧姆·米环境中，设计阴极保护系统，该阴极保护系统的设计寿命为30年。

3、设计参数选择（1）保护电位对于新建的埋地管道，它的保护电流的选择和确定可按照下列常规的参数选取：管道自腐蚀电位：-0.55V（CSE）最小保护电位：-0.85V（CSE）最大保护电位：-1.23Ｖ（CSE）（2）保护电流密度钢在某些环境条件下的保护电流密度（表为部分给出数据）。

根据表中给出的数据结合设计要求可知，埋地管道仅仅是处于土壤中，因此保护电流密度为：=0.01mA/m2I密（3）电阻率防腐层电阻率：石油沥青、煤焦油瓷漆 10000Ω·㎡环氧煤沥青 5000Ω·㎡塑料防腐层 50000Ω·㎡环氧粉末 50000Ω·㎡三层PE结构 1000000Ω·㎡由设计要求可知，表面为环氧粉末防腐涂层，因此防腐层电阻率为50000Ω·㎡。

钢管电阻率低碳钢（20#） 0.135Ω·mm2/m16Mn钢 0.224Ω·mm2/m高强度钢 0.166Ω·mm2/m 由设计要求可知，钢管为16Mn钢，因此钢管电阻率为 0.224Ω·mm2/m已知土壤电阻率为80Ω·m。

保护电流密度选取10—50μA/m2（4）辅助阳极材料外加电流法阴极保护中的辅助阳极是构成完整电流回路的基本组件。

一般分为：可溶性阳极、低溶性阳极和难溶性阳极。

根据表中的数据，结合设计要求，应选择寿命较长的辅助阳极，因为最佳选择为硅铸铁。

4、工艺计算与校验（1）管道保护长度102L L = D-s R ρδδ=⋅⋅π（） 式中 L 1：一个保护站的长度（m ）L 0：一个保护站单侧保护长度（m ）∆U ：管道上允许的最大保护电位与最小保护电位之差（V ）D ：管道外径（m ）J S ：保护电流密度（A/m 2）R ：单位长度管道纵向电阻（Ω/m ）ρS ：钢管电阻率（Ω·mm 2）ρS ：钢管电阻率（Ω·mm 2）δ；管道厚度（mm ）已知 D=530mm ，ρS =0.224Ω·mm 2/m 2, J S = 51.010-⨯A/m 2∆U=1.25-0.85=0.40V计算得R=1.948 ⨯10-5Ω/mL 1=99327.07 mL 0=49663,54m(2)阳极地床的个数 11gc L N L =+式子中 c N ：保护站个数g L ：是管道的总长度（m ）1L ：一个保护站的保护长度（ｍ）代入数据算得g L ：是管道的总长度（m ）：900001299327.07c N =+≈ （3）阳极保护站的分布 21||2m g c m l L N -=⨯ 式中 m l :第m 个阴极保护站到起点的距离（Km ）g L ：是管道的总长度（Km ）c N ：保护站个数m:小于c N 的一个整数其中 m=1 L g =90km21|90|22.54m l km -=⨯= （4）阴极保护站所需要提供的电流I 1=0022s I D J L π=⋅⋅⋅=式中 I 1：一个阴极保护站需提供的保护电流（A ）I 0：管道单侧保护电流（A ）计算得 I 1=1.654A ，0I =0.823A（5）辅助阳极接地电阻硅铸铁作为辅助阳极直径： d=50mm 长度：L = 1500mm参考质量：m=22kg 埋设深度： t=2m因为t>>d故选用立式阳极埋设方式，其单支辅助阳极接地电阻为：12ln )2V L t d L d R ρπ=⋅>> 式中 Ｌ：阳极长度（含填料），ｍｄ：阳极直径（含填料），ｍｔ：深埋（填料顶部距地表面），ｍρ：阳极区的土壤电阻率，Ω·ｍ辅助阳极周围的填充料厚度均为0.2m计算得 1V R =16.82Ω（6）保护电流总需要量=D L s g s I J S J π= 表其中 D=0.53m ， J S = 51.010-⨯A/m ，L g =90000m计算得 I=1.498A（7）辅助阳极总质量1G T g I K= 式中 G 1：辅助阳极总质量（kg ）Ｔ：阳极设计寿命（ａ）g ：阳极消耗率（kg/A ·m ）I ：阳极工作电流（Ａ）ｋ：阳极利用率，常取０.７～０.８５其中，取Ｋ＝０.７ 设计寿命：Ｔ＝３０ａ ｇ＝０．３ｋｇ／Ａ·a 计算得 G 1＝19.26kg故阳极支数为：1019.260.87522G n G === 取n=1 （8）阴极保护系统的电源功率IVP η=L (+r a c V I R R R V =++ ）c R =α= 02I I = pT R R D π=式中 V:电源设备的输出电压（V ）a R ：阳极地床接地电阻（Ω）R L ：导线电阻（Ω）c R ：阴极（管道）/土壤界面过渡电阻（Ω）α：管道衰减系数（m -1）r T ：单位长度管道电阻（Ω／ｍ）R T ：防腐层过渡电阻（Ω·m ）L ：被保护管道长度（m ）I ：电源设备的输出电流（Ａ）I ０：单侧方向的保护电流（Ａ）η：电源设备效率，一般取０.７r V ：采用焦炭作为填充料时的反电动势（常取2V ）ＲＰ＝防腐层面电阻率（Ω·ｍ２）其中 r t = 51.94810-⨯Ω/m 4350000 3.0031053010T R π-==⨯⨯5102.551010α-==⨯c R 0.55==Ω(9)导线电阻计算：阴极连接电缆：W29-500/1⨯16，电阻率：1.12Ω/km阳极连接电缆：W29-500/1⨯35，电阻率：0.519Ω/km空架线：LGJ-50钢芯铝绞线，电阻率：0.65Ω/km设辅助阳极距保护管道的水平距离为300m ，阴、阳极导线及架空线均取100m R L =0.519⨯0.1+1.12⨯0.1+0.65⨯0.1=0.223Ω计算 a R =16.82Ω c R =0.55Ω，取R L =0.223Ω 代入数据 V = 1.654⨯（16.82+0.55+0.223）+2=31.01V 1.65431.01==73.27W 0.7IVP η⨯= (10)辅助阳极寿命校正 1220.734.270.3 1.498G K T a g I ⨯===⨯ T>30a,故满足寿命要求5、安装与施工（1）阳极低床处理埋地管道上的外加电力法阴极保护系统的电能主要消耗在阳极引线、阳极接地电阻以及保护电流从土壤流入管道的过渡电阻上。

只有阴极/土壤过渡电阻上的消耗的电能消耗的20%左右，而在阳极接地电阻上的消耗的电能则占总电能消耗的60%~70%。

辅助阳极地床均需一定的技术处理，主要是在适当选定的辅助阳极周围填埋必要的导电填充料。

一方面可以防止阳极材料表面生成腐蚀产物层，减少阳极极化，保证辅助阳极的有效电流输出；另一方面，地床填充剂实质上加大了阳极使用寿命；再一方面，多孔结构的焦炭渣填充剂以不同粒径合理配合时，有利于排放阳极反应气体，避免气阻产生，这也是降低阳极接地电阻的保障措施；再者，由于填充料与阳极材料间的良好电接触，使阳极反应导致的大部分材料消耗转移到填料表面，从而降低了阳极消耗。

阳极填充料一般是采用炭粒、石油焦炭粒，含碳量一般要求大于85%，最大粒径宜小于15mm，填充料厚度一般为100mm。

填充料的顶部应铺放粒径5~10mm 左右的粗砂或者砾石，砾石层宜加厚至地表面一下500mm或者在砾石上部加装排气管至地面，有利于避免气阻效应。

阳极为浅埋，阳极床为立式。

（2）监测站为了不定期或定期地检测埋地管道外加电流阴极保护参数和检验阴极保护效果，应根据需要设置监测站。

现代阴极保护站已具备多种检测功能，它可起到检测阴极保护电位、电流、电绝缘性能、故障短路等作用，可用于检测交直流干扰、系统故障或防腐层缺陷等。

埋地管道外加电流法阴极保护检测站的设置原则一般有：电位监测站，汇流点及没公里处设一站；电流检测站，没5~8km处设一站；套管-管道电位检测站，每一套管处设一站；绝缘装置检测站，每一绝缘连接处设一站；跨接检测站，与其他管道、电缆等结构相交处设一站；场站内的检测站，按需要设置。

（3）参比电极参比电极是测量被保护结构物电位的半电池。

对它的基本要求是：极化小、稳定性好、寿命长。

土壤环境中一般使用硫酸铜电极，有时也常用锌参比电极、氯化银电极、硫酸铜电极等。

对锌电极稳定性不大于±30mV，对硫酸铜电极不大于±10mV，工作电流密度不大于5μA/cm2。

硫酸铜参比电极分为便携式和长效埋地型两种。