阴极保护原理
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
–0.850V（CSE）极化电极判据—负极化的电位至少为 850mV
100 mV 极化判据—阴极极化值最少为100 mV
国际标准 ISO 15589-1 石油天然气工业 – 管线输送系统的阴极保护
Part 1 陆地管线
选用的金属/结构物电位要求腐蚀速率小于 0.01 mm/a
极化电位负于 –850 mVCSE 限制临界电位不大于–1,200 mVCSE 厌氧菌土壤或硫酸盐还原菌 (SRB)要求负于
电缆之间的连接、电缆和阳极之间的连接（一般为机械压接）
8、其他附件 电位、电流测试桩；绝缘接头；
排流地床、排流器
五、实验
实验一： （1）两块铁板浸在电解质溶液中，分别测量铁板的电 位； （2）分别将两块铁板接在直流电源的正负两极，测量 在不同的电流下，两块铁板的电位； （3）比较两个铁板的腐蚀情况； （4）绘制不同电流下，铁板的电位变化情况；
四、阴极保护系统组成-强制电流
1、恒电位仪（电源供应） 2、载流电缆（阴极电缆、阳极电缆） 3、测试电缆（零位接阴电缆、参比电极电缆） 4、参比电极（向恒电位仪反馈管道电位） 5、被保护体（管道、罐底、站区设施等） 6、阳极
按照安装方式：浅埋、深井阳极 按照材料：高硅铸铁、MMO、石墨、非金属等
四、阴极保护系统组成-强制电流
极化：电化学中，电流通过电极表面引起电极电位变化的现 象称之为极化；
阴极保护即是利用极化的原理，使被保护体发生阴极极化， 转移阳极反应发生的位置，防止被保护体发生腐蚀。
牺牲阳极阴极保护示意图
A
Fe
Zn
Fe
Zn
NaCl溶液
EFe= - 0.55 V vs CSE EZn= - 1.10 V vs CSE
7、各种连接 恒电位仪和各种电缆连接（一般为机械连接） 电缆和管道的连接（一般为铝热焊接） 电缆之间的连接（一般为机械压接） 电缆和阳极之间的连接（一般为机械压接）
8、其他附件 电位、电流测试桩；绝缘接头； 排流地床、排流器；
远地点
管道 / 结构物
恒电位仪
-+
强阳极梯度区 域
相对结构物 位于远地点 的阳极
Cl2+ 2e-
强制电流阴极保护极化图（伊文斯图）
（反电动势）
强制电流阴极保护极化图（伊文斯图）
+ EpA
电
位
EOA
EOC
EPC
_
反 电 动 势
log I
I CP
二、阴极保护方法
阴极保护
牺牲阳极法 强制电流法
方法的选用主要取决于：
保护对象和对周围构筑物的干扰影响； 电源的可利用性； 土壤电阻率等因素。
二、阴极保护方法-牺牲阳极法
CURRENT
ANODE
二、阴极保护方法-强制电流法
高硅铸铁阳极
CURRENT
Power
-Source
+ 整流器
CURRENT
ANODE
二、阴极保护方法
方法
优点
1.输出电流连续可调
外加电流 法阴极保
护
2.保护范围大 3.不受环境电阻率限制 4.工程越大越经济
5.保护装置寿命长
EC,P
ECORR E EA,OC
_ ECPA,OC
EA,
P
E’C, PECPA,P
I I CORR CP
Log I
极化100 mV
三、阴极保护判据 其他标准
NACE RP0169“埋地或浸水金属管道系统的外腐蚀控制”
–0.850V（CSE）电位判据—施加阴极保护的负（阴极 性）电位至少为850mV，应考虑除结构物/电解质界面 电位之外的所有电压降
⊕
⊕
子的反应，即还原反应，也就是阴极反应； 辅
Fe
助
（4）辅助阳极表面和Fe表面相反，发生阳极电反应。
极
（5）在Fe的表面，不可能发生金属失去电子的氧化
反应，不会发生Na腐Cl溶蚀液。
一、阴极保护原理
电流是从高电势 流向低电势位置
电解质中电流是 通过界面流入Fe
通电后，铁相对于电解质 的电位将向负向偏移。
– NACE A.PEABODY《管线腐蚀控制》，2000第二版 化工出版社2004年4月
三G、B/T阴21极448保-20护08判埋据地钢质G管B道2阴12极4保8护-2技0术0规8范
① 管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位，下同）应为-850mV（CSE） 或更负；
② 阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mV（CSE）更负；
100 mV 极化
(+)
自然电位 (自腐蚀电位，静止电位)
时间
执行标准
阴极保护判据
NACE RP 0169-2002 Control of external corrosion on
underground or submerged metallic piping systems
ISO 15589-1：2003 《管道输送系统的阴极保护》
CP电流
四、阴极保护系统组成-牺牲阳极
1、阴极保护桩（有些情况无阴极保护桩）
2、载流电缆（阴极电缆、阳极电缆）
3、测试电缆（接管道电缆、参比电极电缆）
4、参比电极
5、被保护体（管道、罐底、站区设施等）
6、阳极（Mg、Zn、Al等）及填包料
7、各种连接 阴极保护桩和各种电缆连接、电缆和管道的连接（一般为铝热焊接）
三、极结化构物图极与化到阴-极85保0 m护V判CSE据
+ EC,OC
ECORR
EC,P
结构物极化到更为活性阳极 点的电位，即−850 mVCSE
E
EA,OC
−850 mVCSE
_ ECPA,OC
EA,P
E’C,
P
ECPA,P
I CORR
ICP
Log I
三、极化图1与00阴m极V保极化护判据
+ EC,OC
其他国际标准
• 加拿大 – 加拿大标准协会 Standard Z662, CGA
• 德国 DIN 30676
• 日本 -日本海外沿海发展协会 -日本港务协会, Part 1 -日本水管道协会, WSP-050
• 澳大利亚- 澳大利亚标准协会 Standard No. 2832, Parts 1 - 3
五、实验
实验二： （1）测量Zn、Fe的自然电位； （2）将二者联入电路，调节电流大小，测量二者的电 位变化； （3）绘制极化图
五、实验
实验三：认识恒电位仪、动手操作。
注意： 高强度钢（最小屈服强度大于550MPa）和耐蚀合金，极限保护电位要根据实际 析氢电位来确定； 在厌氧菌或SRB及其他有害菌土壤环境中，管道阴极保护电位应为-950mV （CSE）或更负； 100Ω·m<ρ<1000Ω·m ， 负于-750mV（CSE） ρ>1000Ω·m ，负于-650mV（CSE） 以上准则难以满足时，可以采用阴极极化或去极化大于100mV的判据； 在高温、SRB的土壤中存在杂散电流干扰及异金属偶合管道中不能采用100mV；
NACE RP 0169-1996 Control of external corrosion on
underground or submerged metallic piping systems
NACE RP 0177 减轻交流电和雷电对金属结构和腐蚀控制系统的作
用
GB/T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范
（2）给电解液中的铁足够的电子，又会引起Fe/电解 质电极系统电极电位的发生什么样的变化
电流流动方向
（1）Fe/电解质界面上，电流的方向是从电解质流向
Fe，负电荷从Fe流向电解质；
电子流动方向
（2）Fe表面必须发生消耗正电荷或生成负电荷的电
极反应，才能保证电路导通；
（3）消耗正电荷或生成负电荷的反应，都是得到电
-950 mVCSE
国际标准 ISO 15589-1 (续)
Part 1 陆地管线
高电阻率土壤 对100 m < ρ < 1,000 m 为–750 mVCSE 对ρ > 1,000 m为–650 mVCSE
阴极极化 100 mV 注意: - 在高温 (60℃), SRB, 干扰电流, 平衡电流, 地电流, 混合 金属条件下避免采用100mV判据。
GB/T 21447-2008 钢质管道外腐蚀控制规范
GB/T 21246-2007 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法
SYJ 4006-90 长输管道阴极保护工程施工及验收规范
GB/T 19285-2003 埋地钢质管道腐蚀防护工程检验
SY/T 0017-2006 埋地钢质管道直流排流保护技术标准
SY/T 0023－97 埋地钢质管道阴极保护参数测试方法
两种方法技术比较
牺牲阳极保护：主要用于低电阻率环境介质和保护电流需 用量小的体系
外加电流法CP：往往用于保护电流量大或环境电阻率高的 体系，以及大范围区域性阴极保护的体系
但这并不是两种方法选择的绝对界线 应从技术性、有效性和经济性考虑
三、阴极保护判据
通入阴极电流后结构物发生极化
自然 电位 -.5 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58
结构物上最阴极性的点首先极化
三、阴极保测护量结判构据物上的极化
参比电极
-.900 v _+
极化膜
Eon = Ep + IR Drop 其中： Ep = Ecorr + Polarization
PotentBiblioteka Baidual (-mV)
结构物/电解质电位
(-)
通电电位
IR
100 mV 极化
断电电位
“通电-IR” -850 mVCSE “断电” -850 mVCSE
ICP=0
结构物极化程度为多少时，可以 认为腐蚀不在发生？
-.58 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58 ICP1
-.6 -.6 -.65 -.6 -.7 -.6 ICP2
腐蚀 被抑阻
-.65 -.65 -.65 -.65 -.7 -.65 ICP3 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 ICP4
阴极保护基本知识
一、阴极保护原理
腐蚀发生的微观过程：
显微视图
阴极点
阳极点
e- e- e-
e-
H+ H+
H
e-
H
H2
eH-+
Feee+-+e- -ee-F- e
Fe++ ++Fe++
OH-
H+ H+
Fe++OHFe++ OH-
H+
H+
Fe(OH)2 Fe(OH)2
Fe(OH)2
思考： 假想实验：
（1）如果在电解液中添加一个辅助电极，通过某种 方法，在钢铁和辅助电极之间建立电通路，使电子通 过导线从辅助电极流向被保护金属，阴极反应、阳极 反应分别在哪个电极上进行？钢铁还会发生腐蚀吗？
资 料
–
SY/T 0032-2000 埋地钢质管道交流排流保护技术标准 SY/T0087.1-2006 埋地钢质管道外腐蚀直接评价
W.V.贝克曼《阴极保护手册》，德文第三版(中文版2005年3月出版)
– W.V.贝克曼《阴极保护手册》， 中文邮电版 1990版
– 化工版《阴极保护工程手册》，中文化工版1999版
log I
I CORR
电子在电极中流动的速度大于电极反应的速度； 电化学反应的速度大于离子在溶液中的扩散速度。
O2 + 2 H2O + 4e-
4OH-
阴极
Fe 阳极
管线表面上的腐蚀电池
Fe2+ + 2e-
强制电流阴极保护示意图
O2 + 2 H2O + 4e阴极
电解质
4OH阴极 阴极保护电流
辅助阳极 2Cl-
NaCl溶液
EFe = - 0.90 V vs CSE EZn = - 1.00 V vs CSE
牺牲阳极阴极保护极化图（伊文斯图）
- 0.55 V
EOC Fe
电 位 EM
阴极极化：电位负向偏移
- 0.90 V - 1.00 V
EPC EPA
EOA
Zn
- 1.10 V
极化原因
阳极极化：电位正向偏移
1.不需要外部电源
牺牲阳极 法阴极保
护
2.对邻近构筑物无干扰或很小 3.投产调试后可不需管理 4.工程越小越经济
5.保护电流分布均匀、利用率高
缺点 1.需要外部电源 2.对邻近构筑物干扰大 3.维护管理工作量大
1.高电阻率环境不适用 2.保护电流几乎不可调 3.覆盖层质量必须好 4.投产调试工作复杂 5.消耗牺牲阳极金属
100 mV 极化判据—阴极极化值最少为100 mV
国际标准 ISO 15589-1 石油天然气工业 – 管线输送系统的阴极保护
Part 1 陆地管线
选用的金属/结构物电位要求腐蚀速率小于 0.01 mm/a
极化电位负于 –850 mVCSE 限制临界电位不大于–1,200 mVCSE 厌氧菌土壤或硫酸盐还原菌 (SRB)要求负于
电缆之间的连接、电缆和阳极之间的连接（一般为机械压接）
8、其他附件 电位、电流测试桩；绝缘接头；
排流地床、排流器
五、实验
实验一： （1）两块铁板浸在电解质溶液中，分别测量铁板的电 位； （2）分别将两块铁板接在直流电源的正负两极，测量 在不同的电流下，两块铁板的电位； （3）比较两个铁板的腐蚀情况； （4）绘制不同电流下，铁板的电位变化情况；
四、阴极保护系统组成-强制电流
1、恒电位仪（电源供应） 2、载流电缆（阴极电缆、阳极电缆） 3、测试电缆（零位接阴电缆、参比电极电缆） 4、参比电极（向恒电位仪反馈管道电位） 5、被保护体（管道、罐底、站区设施等） 6、阳极
按照安装方式：浅埋、深井阳极 按照材料：高硅铸铁、MMO、石墨、非金属等
四、阴极保护系统组成-强制电流
极化：电化学中，电流通过电极表面引起电极电位变化的现 象称之为极化；
阴极保护即是利用极化的原理，使被保护体发生阴极极化， 转移阳极反应发生的位置，防止被保护体发生腐蚀。
牺牲阳极阴极保护示意图
A
Fe
Zn
Fe
Zn
NaCl溶液
EFe= - 0.55 V vs CSE EZn= - 1.10 V vs CSE
7、各种连接 恒电位仪和各种电缆连接（一般为机械连接） 电缆和管道的连接（一般为铝热焊接） 电缆之间的连接（一般为机械压接） 电缆和阳极之间的连接（一般为机械压接）
8、其他附件 电位、电流测试桩；绝缘接头； 排流地床、排流器；
远地点
管道 / 结构物
恒电位仪
-+
强阳极梯度区 域
相对结构物 位于远地点 的阳极
Cl2+ 2e-
强制电流阴极保护极化图（伊文斯图）
（反电动势）
强制电流阴极保护极化图（伊文斯图）
+ EpA
电
位
EOA
EOC
EPC
_
反 电 动 势
log I
I CP
二、阴极保护方法
阴极保护
牺牲阳极法 强制电流法
方法的选用主要取决于：
保护对象和对周围构筑物的干扰影响； 电源的可利用性； 土壤电阻率等因素。
二、阴极保护方法-牺牲阳极法
CURRENT
ANODE
二、阴极保护方法-强制电流法
高硅铸铁阳极
CURRENT
Power
-Source
+ 整流器
CURRENT
ANODE
二、阴极保护方法
方法
优点
1.输出电流连续可调
外加电流 法阴极保
护
2.保护范围大 3.不受环境电阻率限制 4.工程越大越经济
5.保护装置寿命长
EC,P
ECORR E EA,OC
_ ECPA,OC
EA,
P
E’C, PECPA,P
I I CORR CP
Log I
极化100 mV
三、阴极保护判据 其他标准
NACE RP0169“埋地或浸水金属管道系统的外腐蚀控制”
–0.850V（CSE）电位判据—施加阴极保护的负（阴极 性）电位至少为850mV，应考虑除结构物/电解质界面 电位之外的所有电压降
⊕
⊕
子的反应，即还原反应，也就是阴极反应； 辅
Fe
助
（4）辅助阳极表面和Fe表面相反，发生阳极电反应。
极
（5）在Fe的表面，不可能发生金属失去电子的氧化
反应，不会发生Na腐Cl溶蚀液。
一、阴极保护原理
电流是从高电势 流向低电势位置
电解质中电流是 通过界面流入Fe
通电后，铁相对于电解质 的电位将向负向偏移。
– NACE A.PEABODY《管线腐蚀控制》，2000第二版 化工出版社2004年4月
三G、B/T阴21极448保-20护08判埋据地钢质G管B道2阴12极4保8护-2技0术0规8范
① 管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位，下同）应为-850mV（CSE） 或更负；
② 阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mV（CSE）更负；
100 mV 极化
(+)
自然电位 (自腐蚀电位，静止电位)
时间
执行标准
阴极保护判据
NACE RP 0169-2002 Control of external corrosion on
underground or submerged metallic piping systems
ISO 15589-1：2003 《管道输送系统的阴极保护》
CP电流
四、阴极保护系统组成-牺牲阳极
1、阴极保护桩（有些情况无阴极保护桩）
2、载流电缆（阴极电缆、阳极电缆）
3、测试电缆（接管道电缆、参比电极电缆）
4、参比电极
5、被保护体（管道、罐底、站区设施等）
6、阳极（Mg、Zn、Al等）及填包料
7、各种连接 阴极保护桩和各种电缆连接、电缆和管道的连接（一般为铝热焊接）
三、极结化构物图极与化到阴-极85保0 m护V判CSE据
+ EC,OC
ECORR
EC,P
结构物极化到更为活性阳极 点的电位，即−850 mVCSE
E
EA,OC
−850 mVCSE
_ ECPA,OC
EA,P
E’C,
P
ECPA,P
I CORR
ICP
Log I
三、极化图1与00阴m极V保极化护判据
+ EC,OC
其他国际标准
• 加拿大 – 加拿大标准协会 Standard Z662, CGA
• 德国 DIN 30676
• 日本 -日本海外沿海发展协会 -日本港务协会, Part 1 -日本水管道协会, WSP-050
• 澳大利亚- 澳大利亚标准协会 Standard No. 2832, Parts 1 - 3
五、实验
实验二： （1）测量Zn、Fe的自然电位； （2）将二者联入电路，调节电流大小，测量二者的电 位变化； （3）绘制极化图
五、实验
实验三：认识恒电位仪、动手操作。
注意： 高强度钢（最小屈服强度大于550MPa）和耐蚀合金，极限保护电位要根据实际 析氢电位来确定； 在厌氧菌或SRB及其他有害菌土壤环境中，管道阴极保护电位应为-950mV （CSE）或更负； 100Ω·m<ρ<1000Ω·m ， 负于-750mV（CSE） ρ>1000Ω·m ，负于-650mV（CSE） 以上准则难以满足时，可以采用阴极极化或去极化大于100mV的判据； 在高温、SRB的土壤中存在杂散电流干扰及异金属偶合管道中不能采用100mV；
NACE RP 0169-1996 Control of external corrosion on
underground or submerged metallic piping systems
NACE RP 0177 减轻交流电和雷电对金属结构和腐蚀控制系统的作
用
GB/T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范
（2）给电解液中的铁足够的电子，又会引起Fe/电解 质电极系统电极电位的发生什么样的变化
电流流动方向
（1）Fe/电解质界面上，电流的方向是从电解质流向
Fe，负电荷从Fe流向电解质；
电子流动方向
（2）Fe表面必须发生消耗正电荷或生成负电荷的电
极反应，才能保证电路导通；
（3）消耗正电荷或生成负电荷的反应，都是得到电
-950 mVCSE
国际标准 ISO 15589-1 (续)
Part 1 陆地管线
高电阻率土壤 对100 m < ρ < 1,000 m 为–750 mVCSE 对ρ > 1,000 m为–650 mVCSE
阴极极化 100 mV 注意: - 在高温 (60℃), SRB, 干扰电流, 平衡电流, 地电流, 混合 金属条件下避免采用100mV判据。
GB/T 21447-2008 钢质管道外腐蚀控制规范
GB/T 21246-2007 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法
SYJ 4006-90 长输管道阴极保护工程施工及验收规范
GB/T 19285-2003 埋地钢质管道腐蚀防护工程检验
SY/T 0017-2006 埋地钢质管道直流排流保护技术标准
SY/T 0023－97 埋地钢质管道阴极保护参数测试方法
两种方法技术比较
牺牲阳极保护：主要用于低电阻率环境介质和保护电流需 用量小的体系
外加电流法CP：往往用于保护电流量大或环境电阻率高的 体系，以及大范围区域性阴极保护的体系
但这并不是两种方法选择的绝对界线 应从技术性、有效性和经济性考虑
三、阴极保护判据
通入阴极电流后结构物发生极化
自然 电位 -.5 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58
结构物上最阴极性的点首先极化
三、阴极保测护量结判构据物上的极化
参比电极
-.900 v _+
极化膜
Eon = Ep + IR Drop 其中： Ep = Ecorr + Polarization
PotentBiblioteka Baidual (-mV)
结构物/电解质电位
(-)
通电电位
IR
100 mV 极化
断电电位
“通电-IR” -850 mVCSE “断电” -850 mVCSE
ICP=0
结构物极化程度为多少时，可以 认为腐蚀不在发生？
-.58 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58 ICP1
-.6 -.6 -.65 -.6 -.7 -.6 ICP2
腐蚀 被抑阻
-.65 -.65 -.65 -.65 -.7 -.65 ICP3 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 ICP4
阴极保护基本知识
一、阴极保护原理
腐蚀发生的微观过程：
显微视图
阴极点
阳极点
e- e- e-
e-
H+ H+
H
e-
H
H2
eH-+
Feee+-+e- -ee-F- e
Fe++ ++Fe++
OH-
H+ H+
Fe++OHFe++ OH-
H+
H+
Fe(OH)2 Fe(OH)2
Fe(OH)2
思考： 假想实验：
（1）如果在电解液中添加一个辅助电极，通过某种 方法，在钢铁和辅助电极之间建立电通路，使电子通 过导线从辅助电极流向被保护金属，阴极反应、阳极 反应分别在哪个电极上进行？钢铁还会发生腐蚀吗？
资 料
–
SY/T 0032-2000 埋地钢质管道交流排流保护技术标准 SY/T0087.1-2006 埋地钢质管道外腐蚀直接评价
W.V.贝克曼《阴极保护手册》，德文第三版(中文版2005年3月出版)
– W.V.贝克曼《阴极保护手册》， 中文邮电版 1990版
– 化工版《阴极保护工程手册》，中文化工版1999版
log I
I CORR
电子在电极中流动的速度大于电极反应的速度； 电化学反应的速度大于离子在溶液中的扩散速度。
O2 + 2 H2O + 4e-
4OH-
阴极
Fe 阳极
管线表面上的腐蚀电池
Fe2+ + 2e-
强制电流阴极保护示意图
O2 + 2 H2O + 4e阴极
电解质
4OH阴极 阴极保护电流
辅助阳极 2Cl-
NaCl溶液
EFe = - 0.90 V vs CSE EZn = - 1.00 V vs CSE
牺牲阳极阴极保护极化图（伊文斯图）
- 0.55 V
EOC Fe
电 位 EM
阴极极化：电位负向偏移
- 0.90 V - 1.00 V
EPC EPA
EOA
Zn
- 1.10 V
极化原因
阳极极化：电位正向偏移
1.不需要外部电源
牺牲阳极 法阴极保
护
2.对邻近构筑物无干扰或很小 3.投产调试后可不需管理 4.工程越小越经济
5.保护电流分布均匀、利用率高
缺点 1.需要外部电源 2.对邻近构筑物干扰大 3.维护管理工作量大
1.高电阻率环境不适用 2.保护电流几乎不可调 3.覆盖层质量必须好 4.投产调试工作复杂 5.消耗牺牲阳极金属