燃气管道牺牲阳极保护

0.025～0.15
余量
<0.005
<0.005
0.006
MIL-A-18001H
An-Al
0.3～0.6
-
余量
<0.005
<0.005
<0.006
<0.125
SYJ20-1986
锌阳极的开路电位应为-1．1V(相对Cu/CuSO4)，在海水中电流效率为95%、土壤中为50％～60％，理论发生电量为820A·h/kg，消耗率为11kg/A·a左右。
燃气管道牺牲阳极保护
牺牲阳极法是最早应用的电化学保护法。它简单易行，又不干扰邻近的设施。牺牲阳极还是抗干扰腐蚀的一种手段，可用来排流、防雷及防静电接地。与强制电流保护法相比，牺牲阳极法具有独特的优点和功能，因而同样受到人们的重视。
近年来，牺牲阳极技术在我国得到了推广和发展。在生产上也向标准化、系列化方向发展。并在油、气管道、海船及海上结构物的防护上得到了成功的应用。
铝阳极
20
30
60
40
20
30
填包料宜采用棉布袋或麻袋预包装。不可采用人造纤维织物布袋。可以在现场包封。填包料厚度不应小于50mm。应保证阳极四周的填包料厚度一致、密实。填包料应调拌均匀，不能混入石块、泥土和杂草等。
在将装设好阳极电缆的阳极块放入填包料之前。应先将阳极表面用砂布打磨干净。除去氧化皮并去除油污。对铝合金阳极也可用10％NaOH溶液浸泡数分钟，以除去阳极表面的氧化膜，然后用清水冲洗干净。在装填袋装阳极时应注意：
0.82
2.20
2.21
2.87
海水中(3mA/cm2)
电流效率
%
95
50
55
80
实际发生电量
Ah/g
0.78
1.10
1.22
2.30
消耗率
kg/A·a
11.8
8.0
7.2
3.8
土壤中(0.03mA/cm2)
电流效率
%
65
40
50
65
实际发生电量
Ah/g
0.53
0.88
1.11
1.85
消耗率
kg/A·a
0.15～0.6
余量
0.005
0.003
0.02
0.1
表10-62镁阳极电化学性能
项目
单位
指标
测试方法
开路电位
V
≤-1.50
(Cu/CuSO4)SYJ23-1986
理论电容量
A·h/kg
2210
按化学成分计算
电流效率
%
≥55
GB/T4948-1985附录C
注：GB/T 4948—1985附录C的介质为海水·本标准应用时试验介质应改用当地土壤，并用当地地下水饱和，在被检阳极四周应有5～10mm厚的填包料。
图10-54牺牲阳极装配示意图
1．要有足够负的电位，在长期放电过程中很少极化。
2．腐蚀产物应不粘附于阳极表面，疏松易脱落，不可形成高电阻硬壳，且无污染。
3．自腐蚀小，电流效率高。
4．单位重量发生的电流量大，且输出电流均匀。
5．有较好的力学性能，价格便宜，来源广。
常用的牺牲阳极有镁及镁合金、锌及锌合金以及铝合金三大类。它们的电化学性能见表10-59。牺牲阳极的电化学性能取决于材料的成分和杂质含量。在牺牲阳极的标准规范中都有规定。
1．防止阳极钢芯与电缆引出头焊接处的折断。
2．阳极所有裸露的表面均需除净油污等杂物。
3．擦洗净的阳极表面，严禁用手直接拿放，并应及时装入填包袋中，以防污染。
4．袋装阳极引出电缆与袋口绑扎要结实，防止散口。
(三)阳极布置与埋设
牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式。阳极埋设分立式、水平式两种。埋设方向分轴向和径向。阳极埋设位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.3m。埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m为宜。成组布置时，阳极间距以2～3m为宜。见图10-55。
镁阳极表面为铸造表面，其表面应清洁、平滑，无明显铸造缺陷。
镁阳极应储存在室内仓库内，严禁沾染油污、油漆和接触酸、碱、盐等化工产品。
在镁阳极验收时，应对外观、重量进行检验。钢芯与阳极的接触电阻、化学成分及电化学性能，应按批量进行抽样检查。抽查率为3%，但至少不少于3支。若不合格，加倍抽查，其中再有一支不合格，则判定该批不合格。当化学成分不合格，而接触电阻和电化学性能合格时，可以使用。接触电阻测试方法是GB/T 4948—1985附录B；化学成分分析方法按供方采用的标准方法进行；电化学性能按表10-62中的测试方法进行。
锌阳极的最大特点是表面不易极化，电流效率高，材料来源广，价格便宜。锌阳极的不足之处是相对铁的保护电位(-0．85V)激励电压小，只有0.25V，相当于镁阳极的1/3，因此，应用范围较窄。在土壤中使用，一般很制在ρ<150Ω·m中(GB/T 4950)。当土壤潮湿时，可扩大到ρ<30Ω·m(SYJ20—1986)。
表10-66列出了几种可用于土壤的铝合金阳极的规格尺寸。
四、牺牲阳极保护的施工
(一)阳极种类的选择
表10-66土壤中使用的铝阳极规格
尺寸①/mm
重量/kg
有效电量/A·a
尺寸①/mm
重量/kg
有效电量/A·a
47×(33+47)×1000
5.1
1.4
41×(29+41)×2000
7.5
2.0
60×(40+60)×1000
表10-59牺牲阳极的电化学性能
性能
单位
Zn、Zn合金
Mg、Mg-Mn
Mg-6Al-3Zn
Al-Zn-In
相对密度
g/cm3
7.1
1.74
1.77
2.83
阳极开路单位(SCE)
V
-1.03
-1.56
-1.48
-1.08
相对铁的保护的电位差
V
-0.20
-0.75
-0.65Baidu Nhomakorabea
-0.25
理论发生电量
Ah/g
镁阳极规格按净重分为2kg、4kg、8kg、11kg、14kg和22k6种。其形式均为梯形断面。2kg阳极参考长度为206mm，4kg阳极参考长度为360mm，其余均为700mm。
用作导电的钢芯，采用直径不小于6mm的钢筋制成。钢芯表面应镀锌，外露长度为100mm。阳极基体和钢芯必须结合好，接触电阻应小于0．001Ω。
0.9
(三)铝合金阳极
铝合金作为牺牲阳极材料是近年发展起来的新品种。由于铝是自钝化金属，所以不论是纯铝还是铝合金，从电化学观点看，都是一种似乎不可克服的弊病，即阳极表面极易钝化，造成电位正移，活性降低。
由于铝的自饨化性能，所以钝铝不能作为牺牲阳极材料。目前已开发了Al-Zn-Hg系、Al-Zn-In系等几个系列，其典型成分见表10-65。由于汞对环境的污染及冶炼困难，目前各国都限制含汞的铝阳有生产。而AI-Zn-In系是目前各国公认的有前途的铝阳极系列。
根据使用的要求，土壤中应用的锌阳极典型规格见表10-64。
表10-64土壤中常用的锌阳极规格尺寸
阳极尺寸/mm
重量/kg
有效电量/A·a
阳极尺寸/mm
重量/kg
有效电量/A·a
35×35×1000
6.8
0.6
50×50×1500
22.2
2.0
50×50×1000
14.8
1.3
35×35×1500
10.2
表10-65铝阳极的代表成分
合金系列
合金成分(%)
备注
Zn
Hg
In
Cd
Mg
Si
Al
Al-Zn-Hg
0.45
0.45
余量
GalValum1
Al-Zn-In
4.9～5.5
0.018～0.02
<0.8
余量
管道设计院
Al-In
0.15～0.2
余量
邮电部五所
Al-Zn-In-Si
3.0
0.015
0.1
余量
Ga1ValumⅢ
Al-Zn-In-Ca
2.5～4.5
Sn
0.018～0.050
0.005～0.02
<0.13
余量
GB4948-1985
Al-Zn-In-Sn
2.2～5.2
0.018～0.035
0.02～0.045
<0.13
余量
GB4948-1985
为改善阳极的电化学性能，在三元素合金基础上又添加了第四、第五元素。世界上流行最广的GalValumⅢ型铝阳极为Al-Zn-In-Si系列。
表10-63锌阳极的成分
阳极系列
化学成分(%)
备注
Al
Cd
Zn
Fe
Cu
Pb
Si
ASTMⅡ型
<0.005
<0.003
余量
<0.0014
ASTM418-1973
Zn-Al-Cd
0.3～0.6
0.05～0.12
余量
<0.005
<0.005
<0.006
<0.125
GB/T4950-1985
Zn-Al-Cd
0.1～0.5
铝合金牺牲阳极开路电位是-1．18～-1．10V(相对饱和甘汞电极)，工作电位为-1.12～-1．05V(相对饱和甘汞电极)，实际发生电量大于2400A·h/kg，海水中电流效率大于80%，消耗率约3.8kg/A·a。
铝是产量最多的有色金属，资源广，价格便宜；其单位重量产生的电量大，是锌的3．6倍，是镁的1．35倍，作为牺牲阳极有着广阔的前途。其不足之处是电流效率和溶解性能随阳极成分、制造工艺的不同而异。在土壤中常由于胶体AI(OH)3的聚集而使阳极过早报废，因此铝阳极在土壤中的应用还有待于探索。
2.5～3.5
0.15～0.6
余量
<0.1
<0.02
<0.03
<0.005
SYJ19-1986
镁阳极的化学成分应符合表10-61的规定。镁阳极电化学性能必须符合表10-62的指标。
表10-61镁阳极化学成分
合金元素
杂质不大于(质量分数，%)
Al
Zn
Mn
Mg
Fe
Ni
Cu
Si
5.3～6.7
2.5～3.5
镁阳极的优点：对钢铁阴极保护(-0．85V)的激励电压力-0.7V左右，适应的土壤电阻率范围广，阳极表面不极化，腐蚀产物易脱落。不宜用于易燃液体环境中。
(二)锌牺牲阳极
锌是阴极保护中应用最早的牺牲阳极材料。锌的电极电位比铁负，表面不易极化，是理想的牺牲阳极材料。锌不仅可以用于低电阻率土壤中，还可广泛用于海洋中。目前，锌牺牲阳极成分均已标准化。如ASTMB418、GB4950等。从阳极成分来分，锌阳极可分为两个系列：高纯锌系和锌铝镉系。它们的成分见表10-63中。
表10-68牺牲阳极化学填料推荐配方
阳极类型
填料成分(重量)(%)
备注
石膏粉
硫酸钠
硫酸镁
生石灰
氯化纳
膨润土
适用环境ρ(Ω·m)
镁阳极
50
50
≤20
SYJ16-1986
25
25
50
≤20
75
5
20
>20
15
15
20
50
>20
15
35
50
>20
锌阳极
50
5
45
潮湿土壤
SYJ20-1985
75
5
20
饱水土壤
表10-67土壤中牺牲阳极使用的选择
土壤电阻率/(Ω·m)
推荐使用的牺牲阳极
>100
不宜采用牺牲阳极
60～100
高电位的纯镁系或镁锰系镁阳极
15～60
镁铝锌锰系镁阳极
<15
镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极
<10(含Cl-)
锌合金或铝锌系合金阳极
(二)牺牲阳极地床
为了防止土壤对阳极的钝化作用，一般在阳极四周都要填有一定的化学填料，填料的作用为：
一、牺牲阳极保护原理
根据电化学原理，把不同电极电位的两种金属置于电解质体系内，当有导线连接时就有电流流动，这时，电极电位较负的金属为阳极、利用两金属的电极电位差作阴极保护的电流源。这就是牺牲阳极法的基本原理。见图10-54。
二、牺牲阳极材料
由于牺牲阳极法是通过阳极自身的消耗，给被保护金属体提供保护电流。因此，对牺牲阳极材料就产生了性能要求。
表10-60镁合金牺牲阳极的典型成分
系列
成分(质量分数%)
备注
Al
Zn
Mn
Mg
Si
Cu
Ni
Fe
纯镁
<0.01
<0.03
<0.01
>99.95
<0.01
<0.001
<0.001
<0.002
JISH6125
镁锰
<0.01
-
0.5～1.3
余量
-
<0.02
<0.001
<0.03
Galvomag
镁铝
锌锰
5.3～6.7
1.改良阳极周围环境，确保稳定、良好的电流效率。
2.降低阳极接地电阻，增加阳极输出电流。
3.溶解电极腐蚀产物，防止阳极极化。
4.吸收周围土壤中水分，维持阳极四周长久湿润，提高阳极的工作电位。
化学填料的推荐配方列于表10-68中。
不同的阳极、不同的适用环境需采用不同的填包料。
表10-68中的膨润土系一种特殊的硅酸盐土壤，具有强的吸水性，并能形成半透膜，阻止土壤中阴离子(在填包料中)的流失。因此，膨润土不可用粘土来代替。
17.25
10.0
7.92
4.68
三、牺牲阳极种类及规格型号
(一)镁合金牺牲阳极
镁是比较活泼的金属，表面不易极化，电极电位比较负，所以是理想的牺牲了极材料。但是，钝镁的电流效率不高，造价太高，所以一般都使用镁合金做牺牲阳极材料。目前世界上流行的镁阳极成分很多，但归纳起来只有三个系列：高纯镁系、镁锰系和镁铝锌锰系。其典型的代表成分见表10-60。这三个系列中，Mg-6 Al-3 Zn-0.15Mn是使用最广泛的，也是国内定型生产的商品化镁阳极，用于土壤和淡水中性能最佳。
8.1
2.1
75×(61+75)×2000
27.4
7.2
注：①括号内为梯形截面的上底和下底长度。
牺牲阳极种类的选择主要是根据土壤电阻率、土壤含盐类及被保护管道的覆盖层状态来选取阳极。表10-67列出了土壤中选择牺牲阳极种类的推荐意见。一般说，镁阳极适用于各种土壤环境，锌阳极适用于土壤电阻率低的潮湿环境，而铝阳极还没有统一认识，国外一直不主张用于土壤环境中，国内已有不少实践，推荐用于低电阻率、潮湿和氯化物的环境中。