管道工程阴极保护技术

管道工程阴极保护技术
1.阴极保护
给被保护管道外加电流或在被保护的管道上连接一个电位更负的金属或合金作为阳极，从而使被保护的管道阴极极化，消除或减轻管道腐蚀速率的方法。

2.牺牲阳极保护
将被保护管道和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护管道阴极极化以降低管道腐蚀速率的方法。

在被保护管道（阴极）与牺牲阳极所形成的大地电池中，牺牲阳极被逐渐腐蚀消耗，故称之为“牺牲”阳极。

牺牲自己去实现被保护管道的保护，是牺牲阳极保护的最大特点。

这种保护方式的优点是：①保护电流的利用率较高，不会发生过保护；②适用于无电源地区或短距离的管道；③对邻近的地下金属设施无干扰影响；④施工技术简单，安装及维护费用低；⑤管道的接地、保护兼顾；⑥日常管理工作量小。

缺点是：①驱动电位低，保护电流调节困难；②使用范围受土壤电阻率的限制；③对大口径、裸露或防腐绝缘差的管道实施困难；④在杂散电流干扰强烈地区，将丧失保护作用；⑤保护时间受牺牲阳极寿命的限制。

3.外加电流阴极保护
将被保护管道与外加直流电源负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低管道腐蚀速率的方法。

外加电流阴极保护也称作强制电流阴极保护。

优点是：①驱动电压高，能够灵活控制阴极保护电流的输出量；②在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中适用；③使用不溶性阳极材料可作长期阴极保护；④如果管道防腐绝缘层质量良好，一座阴极保护站可以保护几十公里的范围；⑤对局部裸露或防腐绝缘层质量较差的管道也能达到完全的保护。

缺点是：①需要外部电源；②对邻近的地下金属设施易产生干扰；③维护技术较牺牲阳极保护复杂；④一次性投资费用高。

4.阴极保护站
外加电流阴极保护方式，特别适用于大口径长距离输送管道的外壁防腐。

根据经济技术对比确定对埋地管道采用这种保护方式后，就要选择站址，建立阴极保护站。

一座外加电流阴极保护站，由电源设备和站外设施两部分组成。

电源设备是外加电流阴极保护站的“心脏”，它由提供保护电流的直流设备及其附属设施（如交、直流配电系统）构成。

站外设施包括汇流点装置、阳极地床、架空阳极线路或埋地电缆、测试桩、绝缘法兰、均压线等构成，站外设施是阴极保护站不可缺少的组成部分，缺少其中任何一部分都将使阴极保护站停止运行或不能达到正常的保护效果。

5.阳极地床
阳极地床又称辅助阳极，是外加电流阴极保护中的重要组成部分。

阳极地床的用途是通过它把保护电流送入土壤，再经土壤流入管道，使管道表面进行阴极极化而防止腐蚀。

阳极地床在保护管道免遭土壤腐蚀的过程中自身会遭受腐蚀破坏，因此阳极地床代替管道承受了腐蚀。

6.阳极地床埋设位置的选择
6.1阳极地床与管道的距离阳极地床与管道的距离将决定保护电位分布的均匀程度，对管道的距离越远，电位分布就越均匀。

阳极地床远离管道，还可在一定程度上减弱阳极电场的有害影响。

但无限制地拉长距离，会使阳极导线增长，电阻增大，投资升高。

一般认为，长输管道阳极地床与管道通电点的距离在300～500m较为适宜，在管道较短或管道密集的地区，采用50～300m的距离较为事宜。

当然，对于特殊地形环境的管道，阳极地床与管道的距离应根据现场情况慎重选定。

阳极地床相对管道布置的形式有一字垂直、平行分布、呈角度按几何形状安装等，要因地制宜，不可强求一致。

6.2阳极地床位置的选择在选择阴极保护站的同时，应在预选站址处管道的一侧或两侧选择阳极地床的安装位置，条件是：地下水位较高或潮湿低洼地带；土层厚、无块石、便于施工；土壤电阻率一般在50Ω·m以下，特殊地区也应小于100Ω·m；对于邻近的金属构筑物干扰小，阳极地床与被保护的管道之间不得有其它金属管道；考虑阳极地床附近地带及管道的发展规划，以避免今后可能出现的搬迁；
阳极地床位置与管道通电点距离适当。

在阴极保护系统中，能量损失与回路电阻成正比例，阳极地床接地电阻约占直流回路电阻的60%～80%，大部分的能量损失由它造成，因此合理选择阳极地床位置十分重要。

7.阳极地床的结构
7.1浅埋式阳极地床将阳极埋入距地表1～5m的土层中，这是管道阴极保护一般选用的阳极地床埋设形式。

浅埋式阳极地床又可分为立式、水平式两种。

立式阳极地床由一根或多根垂直埋入地下的阳极排列构成，阳极间用电缆或其它导体连结。

其优点是：全年接地电阻变化不大；当尺寸相同时，较水平式阳极地床的接地电阻小。

水平式阳极地床是将阳极以水平方式埋入一定深度的地层中。

其优点是：安装土石方量较小，易于施工；容易检查阳极地床各部分的工作情况。

7.2深埋式阳极地床当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制或在地下管网密集区进行区域性阴极保护时，使用深埋式阳极地床，可获得浅埋式阳极地床所不能得到的保护效果。

深埋式阳极地床根据埋设深度不同可分为次深（20～40m）、中深（50～100m）和深（超过100m）三种。

深埋式阳极地床的优点是接地电阻小，对周围干扰小，消耗功率低，电流分布比较理想。

其缺点是施工复杂，技术要求高，单井造价贵。

8.外加电流法阴极保护常用阳极材料的选择理论上讲，凡导电
体都可用作外加电流阴极保护系统的阳极材料。

但是，由于其化学特性、物理性能及价格等方面的原因，实际用作阳极材料的仅是导电体中很少的一部分。

选作阳极材料的导电体应满足以下性能要求：导电性能好，能够通过较大的电流量；具有一定的机械强度，经得起回填和夯实土壤的应力作用；在与土壤和地下水接触时具有稳定的接触电阻；化学稳定性好，在各种恶劣环境中腐蚀率小；重量轻，便于运输，易于加工，适用于偏远地区；材料来源广，价格比较便宜。

目前外加电流法阴极保护常用的阳极材料有：
1)钢铁阳极钢铁阳极是我国早期管道阴极保护辅助阳极的主体材
料，它有材料来源广、施工方便、价格低廉、通过的电流几乎不受限制等优点。

钢铁阳极属于易溶性阳极，理论消耗率为9.1～10kg/(A·a)，因此也存在使用寿命短的缺点，需定期更换。

2)高硅铸铁阳极高硅铸铁是一种常用的阳极材料，外形与铸铁相
似，非常脆、硬，不能用普通的方法加工，因而在运输和安装过程中要特别注意。

高硅铸铁阳极是一种难溶性阳极材料，被广泛应用在海水、淡水及含氯化物的土壤环境中。

高硅铸铁阳极的允许电流密度为5～80A/m2，理论消耗率<0.5kg/(A·a)。

3)石墨阳极石墨作为外加电流阴极保护系统的阳极，目前在长输管
道和地下电缆的保护中得到较普遍的应用。

石墨是耐蚀材料，与可溶性阳极比较属难溶性阳极，因一次施工后一般不需要更换，所以也称“永久性阳极”。

石墨阳极的石墨化程度应≥81%，灰份应<0.5%。

为提高石墨阳极的耐蚀性，可用石蜡或亚麻油对其浸渍，
以降低气孔，抑制可能引起的阳极胀裂而过早失效或表面气体的析出及碳的氧化，浸渍后的阳极寿命可延长50%。

石墨阳极不能在有氧侵入、呈酸性或含硫酸盐离子较高的地方长期使用。

石墨阳极的允许电流密度为5～10A/m2，理论消耗率<0.6kg/(A·a)。

4)磁性氧化铁阳极磁性氧化铁阳极是70年代发展起来的一种新型
难溶性材料，主要是磁铁矿和铁氧体经高温烧结制成磁性氧化铁粉末，再采用专门的铸造技术，将磁性氧化铁粉末铸成中空有底的圆柱形阳极。

磁性氧化铁阳极有消耗低、使用寿命长、受温度变化影响小的优点。

磁性氧化铁阳极的电阻率很低，允许通过的电流密度为20～50A/m2，理论消耗率为0.02～0.15kg/(A·a)，其机械性能与高硅铸铁相似，也具有硬、脆的特点。

这种阳极特别适用于土壤中，也可应用于海水或淡水中，被认为是今后外加电流阴极保护最有前途的阳极材料。

磁性氧化铁阳极制造工艺较为困难，使得目前世界上只有为数不多的几个国家可以生产。

5)柔性阳极1984年，美国研制出的一种导电聚合物阳极，它是将导
电性聚合物挤塑在铜芯上，作为阳极用，外形和塑料电缆差不多，柔性很好，施工起来也类似于电缆敷设，所以是一种很受欢迎的阳极材料。

这种阳极特别适用于高电阻环境、管道防腐绝缘层质量劣化的场合，它可以平行管道敷设，改善了沿线的电流分布，对于站内管网、几何形状不规则的管道特别有益。

目前，我国已研制出此类产品。

9.牺牲阳极法阴极保护常用阳极材料的选择
牺牲阳极材料的选择主要是看合金的性能及其化学成份，特别是合金元素的含量和杂质的含量。

合金的金相组织对阳极性能也有着重要的影响。

目前，牺牲阳极法阴极保护常用的阳极材料有：
1)镁及镁合金阳极镁是活泼的碱土金属元素，25℃时的标准电极电
位值为-2.37V,镁及其合金相对于钢铁有最高的有效电位差，在所有的阳极材料中，镁与钢铁类被保护体组成的保护回路驱动电压最大。

镁阳极的表面不易极化，腐蚀产物疏松、易脱落。

因此，镁是应用最广的牺牲阳极材料。

镁阳极一般应用于电阻率比较高的土壤或淡水中。

镁在海水中应用时易造成过保护，导致氢脆，故镁阳极很少用于海水中。

2)锌及锌合金阳极锌是最早使用的牺牲阳极材料，但使用场合大多
限于海水环境。

最初使用的锌阳极是纯锌，它与钢铁的有效电压只有0.20～0.25V，纯锌阳极很容易极化而失去保护作用。

目前，我国已成功地研制出低合金化的锌合金牺牲阳极，不论从技术上还是经济上都比纯锌阳极的性能大为提高，并已经广泛应用于工程实际之中。

锌合金阳极在海水或土壤中有较高的电流效率，其电位稳定，阳极输出电流随被保护金属的状态及环境的变化而自动调节，不仅可用于低电阻率土壤中，还可以用于海洋中。

锌合金阳极的不足之处是相对于钢铁的有效电位差小，因此只能用于土壤电阻率较低的场合。

3)铝合金阳极铝合金作为牺牲阳极是近年来才得到广泛发展的。

铝
合金阳极单位重量发出的有效电量大，理论电容量为2980A·h/kg，大约是锌的3.6倍，镁的1.35倍。

铝在海水和含有氯离子的环境中性能稳定，在保护钢结构时有自动调节电流和电位的功能，铝的来源充足，制备工艺简单，价格低廉，便于安装。

其缺点是表面极易钝化，只有通过合金化来限制和阻止表面形成连续的氧化膜，促进表面活化。

实践证明，铝合金阳极在海水中使用是比较理想的材料，在土壤中应用效果并不理想。

10.管道阴极保护及检测仪器
1)可控硅恒电位防腐仪可控硅恒电位防腐仪，习惯上称恒电位仪。

恒电位仪是我国电法防腐保护领域使用的主要仪器设备之一，在管道外加电流阴极保护中普遍采用。

电法防腐保护的核心是在被保护管道和辅助阳极之间制造出阴极区和阳极区，使被保护管道处于阴极区而得到保护。

为了实现这一目的，需要使用极化电源向被保护管道和阳极供给电流，强制地使被保护管道成为阴极，辅助阳极成为阳极，这种保护叫作外加电流阴极保护，也叫强制电流阴极保护。

恒电位仪是这种保护系统中采用极化电源装置的一种，它的特点是不但能向系统供给需要的电流，而且可以根据管道周围介质环境的不同和被保护管道的需要，把供给电流调整到最佳状态，并且当这种状态一旦确定，不论介质环境再发生什么变化，它都能自动地进行调整，使这种状态保持不变，即平常所说的恒电位状态。

此即“恒电位仪”这一名称的由来。

2)防腐绝缘层检漏仪地下管道防腐绝缘层检漏仪简称检漏仪。

其主
要功用是：在不开挖地面的情况下，在管道的上方检查管道外防腐绝缘层的质量缺陷，查出漏铁点，以进行补漏和维修，防止管道腐蚀的发生和发展。

3)电火花检漏仪电火花检漏仪又叫电火花探伤仪，是用来检查管道
防腐绝缘层破损具体位置的专用仪器。

它与检漏仪配合使用，可以提高检查的准确性和速度。

电火花检漏仪是利用高压放电的工作原理，在检漏时尖端发出1～2万伏的高电压，当被检查的防腐绝缘层完好时，则不发出放电现象，当被检查的防腐绝缘层有破损、裂纹、夹层或者材料本身有变质等缺陷时，检查到相应的位置时就会发生放电，从而准确地确定绝缘不合格的位置。

4)管道定位仪这是近年来应用于管道的新型检测仪器，由发射机和
接收机两部分组成，接收机通过接收发射机加载到管道上的特定频率的信号而准确地确定管道的平面位置和管道的埋深。

这种仪器具有重量轻、操作简单、定位精确的特点，深受管道管理部门的欢迎。

11.绝缘法兰
绝缘法兰是对构成金属管道电绝缘连接的法兰接头的统称。

它包括法兰、绝缘密封件、法兰紧固件以及绝缘紧固件与法兰间的电绝缘件。

绝缘法兰的作用安装绝缘法兰的目的是将被保护管道和不应受
到保护的管道从导电性上分开，这是因为当保护电流流到不应受到保护的管道上，将增大电源输出功率，缩短管道的保护长度或者引起干扰腐蚀。

在杂散电流干扰严重的管段，绝缘法兰还被用来分割干扰区和非干扰区，作为降低杂散电流影响的一种抗干扰手段。

在某些特殊环境下，如不同材质管道、新旧管道连接等场合，有时也采用绝缘法兰进行隔断。

绝缘法兰的安装位置①在被保护管道起端和终端的站、库的进出口处；②在被保护管道中间的站、库进出口处，为保证站、库两端导电的连续性，应在两绝缘法兰外侧用电缆将被保护管道连接起来；
③在泄漏电流较大的被保护管道中间的穿、跨越管段两端；④在被保护管道与其它不应受到阴极保护的主、支管道的连接处；⑤其它需要安装绝缘法兰的场合。

绝缘法兰的性能要求①绝缘法兰两端应具有很好的电绝缘性能；②在管道内输送介质的设计温度、压力下能长期可靠工作，并具有足够的强度和密封可靠性；③绝缘法兰使用的绝缘垫片在管道输送介质中应有足够的化学稳定性，其它绝缘零件也要在大气中不易老化，同时应具有一定的机械强度，以保证零件在安装和使用过程中不发生损坏。

绝缘法兰的结构及使用要求绝缘法兰的结构应在满足性能的前提下保证安装、拆卸、更换方便，使用的材料应容易获得、成本低廉。

其结构通常有两种形式：Ⅰ型的绝缘垫片制作材料有橡胶石棉板、氯丁橡胶板、织物基氯丁橡胶板等；Ⅱ型的绝缘垫片制作材料有酚醛层
压玻璃布板等。

绝缘螺栓衬套和螺栓绝缘垫圈的材料，一般采用高强度酚醛层压布板（棒）进行加工。

法兰与管道间采用焊接方式连接时，法兰的材质应尽量与管道材质相同或相近。

绝缘法兰可安装在室内、室外或干燥的阀井内，不能安装在管道补偿器附近或其它受应力作用的地方，以免因管道的伸缩而破坏绝缘法兰的密封性。

当绝缘法兰装在有防爆要求的场合时，应用绝缘材料缠包严实，以防发生火花。

绝缘法兰严禁埋在土中或泡在水里，法兰两侧各10m内的埋地管道，应做特加强级防腐处理，以防短路。

12.汇流点
汇流点又称通电点，它是用电缆将恒电位仪“输出阴极”端接至管道上，向被保护管道施加阴极极化电流的接入点，是外加电流必不可缺少的设施之一。

13.参比电极
参比电极是一种电位恒定的基准电极，在电位测量中用测试点的电位与这个电极的电位差来表示被测管道的电位值。

参比电极的种类在阴极保护中常常选择可逆电极来做参比电极，例如：甘汞电极、硫酸铜电极、氯化银电极、氯化汞电极等。

这种电极称为液态电极，一般价格比较贵，安装易损坏，使用和维护不方便。

还有一种固体电极，它是由金属和一些合金材料制作的。

如：不锈钢、碳钢、锌、镁等。

固体电极牢固耐用，使用安装方便，但稳
定性、精确度都不如液态电极，因此在使用前应进行标定。

参比电极的性能要求①极化小、稳定性好、寿命长；②易于制作，携带方便；③测量方便，精确度高，重复性好；④价格便宜。

在埋地管道中的应用情况在埋地管道阴极保护中多采用可逆不极化硫酸铜参比电极，用硫酸铜参比电极和恒电位仪组成自控信号源。

但由于液态硫酸铜参比电极的密封性处理不好，经常造成渗漏过度，因此需要经常添加硫酸铜溶液。

特别是冬季寒冷地区容易冻结，影响恒电位仪的连续自动控制。

针对这种问题，我国已经研制出了长效埋地型硫酸铜电极，可作为长期对恒电位仪基准信号取值的参比电极。

长效埋地型硫酸铜参比电极由两部分组成：一是电极本身；二是为改善电极工作环境的填包料。

用导电填包料取代硫酸铜电极中溶液的作用，因而克服了溶液的渗漏和防冻问题。

14.均压线
为避免干扰腐蚀，用电缆将同沟埋设、近距离平行敷设或交叉敷设的管道连接起来，以平衡保护电位，此电缆称为均压线。

安装均压线的原则是使两管道间的电位差不超过50mV，均压线的连接可采用铝热焊技术。

15.测试桩
为了定期检测管道阴极保护参数，应根据需要在管道沿线设置测试桩。

电位测试桩的设置部位：汇流点处；从汇流点位置开始每隔一
公里处；管道的套管处；绝缘法兰连接处；与其它管道、电缆等构筑物交叉处。

电流测试桩的设置部位：从汇流点处开始每隔5～8km设置一个。

长输管道的测试桩按输送介质流向排列编号，一般位于油流方向左侧距管道中心线1.5m处。

测试桩的标志要醒目，埋设要牢固。

用于测量管内电流的测试桩，应将其测量段电阻值标示在桩的名牌上，特殊功能的测试桩应标上特殊的标记或说明。

目前长输管道多采用钢管测试桩、玻璃钢测试桩及钢筋混凝土预制桩。

16检查片
埋设检查片是研究、了解管道腐蚀的重要手段，通过它可定量得出阴极保护效果，从中总结管道阴极保护的经验。

检查片的材质与埋地管道用的钢管材质相同，其外形尺寸为100mm×50mm×5mm，利用磨床加工表面，使其达到R1.6μm，检查片要统一进行编号，用中号钢字横排打印在每片的右上角。

检查片埋设前必须进行表面清理和称重，记录原始重量和表面积，然后用腊或其它方法将编号覆盖。

检查片的埋设点要选择有代表性的土壤和比较典型的环境，如盐碱地带，沼泽、稻田地区，杂散电流干扰大的地区等，同时应兼顾交通方便，便于管理等条件，并且应远离阴极保护的汇流点，一般应距汇流点10km以上。

检查片每12片为一组，6片与管道连接，6片不连接。

检查片埋设后，应在里程桩上作明显的永久性标志，按月测试电位，定期取出分析，每次分析取出通电保护与未通电保护的检查片各2片，每隔一年进行一次。