1、 管道陰極保護(hù) (一) - 減輕腐蝕的方法及涂層王 元 教授1一、減輕腐蝕的方法概述(1) 對(duì)于埋地管道來說,減輕腐蝕的主要方法就是管道的內(nèi)、外涂層和對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)（CP）。 2概述 (2) 管道的腐蝕過程是一種電化學(xué)反應(yīng)過程。管道與土壤之間的電子流動(dòng)回路是腐蝕過程的基本組成部分。在土壤中，電解液（可導(dǎo)電的液體）和鋼管本身；以及陽極和陰極共同組成了一個(gè)完整的電池和回路。3概述 (3) 正是這個(gè)電回路使得腐蝕過程能夠一直進(jìn)行下去。在此過程中，鋼材就被消耗掉。如果這一電回路被切斷，腐蝕過程將會(huì)停止。4概述(4) 使用內(nèi)、外涂層就是為了防止金屬表面與它周圍的電解液直接接觸。同時(shí)，涂層等

2、于在電回路中增加了一個(gè)高電阻，它大大增加了電流流動(dòng)的阻力。至少，它使得電化學(xué)反應(yīng)不能立刻就出現(xiàn)。5概述 (5) 在管道服役的過程中，由于涂層的變質(zhì)、土壤的應(yīng)力作用、或者埋地管道的位移等，都會(huì)使涂層產(chǎn)生針眼（孔）或裂紋。 我們知道，如果使金屬表面成為電化學(xué)電池的陰極，這將大大降低金屬的腐蝕速度。6概述(6) 通過從外部強(qiáng)加電流；或者使用犧牲陽極的方法就能夠使金屬管道的表面變成電回路中的陰極。7概述 (7) 在強(qiáng)加電流系統(tǒng)的情況下，使用變壓（器）整流器，通過向管道供應(yīng)直流電的方法，將電流強(qiáng)加到鋼管道或金屬結(jié)構(gòu)上，并使管道成為電回路中的陰極。同時(shí)使用一個(gè)埋地的陽極地床。這樣一來，管道就受到了某種程度

3、的保護(hù)。8概述 (8) 在犧牲陽極的系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)將由一個(gè)犧牲陽極的金屬（例如：鋅或鎂）和鋼管（或金屬結(jié)構(gòu)-如鋼油罐）組成。用于犧牲陽極的金屬材料要比鋼材活潑（或它的電動(dòng)勢(shì)序比鋼材高）得多，它將向被保護(hù)的，作為陰極的管道提供電回路所需要的電（子）流。9二、管道的涂層和陰極保護(hù)10學(xué)習(xí)本節(jié)的目的通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，你將能夠： 了解減輕腐蝕的方法 了解涂層的特點(diǎn)了解陰極保護(hù)系統(tǒng)的組成11一、 涂層的功能(1) 埋地管道的主要防腐方法就是涂層。管道涂層之后，就可以防止管道金屬與周圍的土壤直接接觸。管道金屬的腐蝕就得到減輕。12一、涂層 的功能(1-1)如果涂層材料能在任何情況下都不破裂，同時(shí)始終保持

4、著回填時(shí)的質(zhì)量和起初的完整薄膜，它就可以阻止住腐蝕過程的發(fā)生。對(duì)于埋地管道選擇涂層就十分重要。13一、涂層的特性(2) 適當(dāng)?shù)耐繉硬牧蠎?yīng)當(dāng)具有下列特性:1. 它是有效的電絕緣體。 2. 它能夠有小的阻止潮濕的侵蝕。3. 良好的可使用性（易于形成涂層膜、易于與鋼表面結(jié)合等等） 。14一、涂層的特性(2)4. 隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層仍然能夠阻止針孔的產(chǎn)生、或開裂的能力。 5. 具有承受因正常運(yùn)輸、儲(chǔ)存UV(Ultra-Violet Light)）而不變質(zhì)和管道鋪設(shè)和安裝的能力。6. 易于修理。 7. 與環(huán)境之間無毒性反應(yīng)。15一、涂層材料 (3) 適當(dāng)?shù)耐繉硬牧习? 1、塑性（變性）煤膠油，或

5、瀝青瓷漆。在加熱的情況下使用。通常與非有機(jī)纖維的加強(qiáng)布一起使用。它是應(yīng)用最廣泛的一種外涂層材料。16一、涂層 材料(3) 2、塑料帶，一般使用自粘帶，或與一種底料/粘結(jié)劑一起使用的塑膠帶。通常主要使用的是聚氯乙烯帶，或者聚乙烯帶。有時(shí)也使用與橡膠組份分層壓制的膠帶。17一、涂層材料 (3) 3、各種氨基甲酸乙酯樹脂。它們都是通過涂刷；或噴涂的施工方法加以使用 4、高密度聚乙烯粉末。它們大多數(shù)是用燒結(jié)法；或擠壓法施工加以使用 5、環(huán)氧樹脂。一般以半固化的粉末型式應(yīng)用在加熱的管子表面上，以形成涂層。18一、涂層材料 (3)涂層的初始電阻率可以達(dá)到10,000m2 ；雖然，陰極保護(hù)所要求的電流密度取

6、決于管道在下溝和回填等操作期間涂層的受損情況。但是，管道開始投入使用時(shí)的電流密度可以取為0.05 mA/m2；或者更低。19一、涂層材料 (3-1) 如果我們希望把各陰極保護(hù)站之間的相互影響降低到最小的話，高質(zhì)量的涂層，對(duì)于加大各陰極保護(hù)站之間的距離具有非常重要的意義。20二、陰極保護(hù) (1) 8、按照對(duì)管道或設(shè)施保護(hù)所使用的不同方法，陰極保護(hù)可以分為犧牲陽極保護(hù)和強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)兩種。但是，它們保護(hù)管道的基本原理沒有太大的差別。21二、陰極保護(hù) (2)2.1. 犧牲陽極的保護(hù) 2.1.1.犧牲陽極的類型 2.1.2.犧牲陽極系統(tǒng)是如何工作的？ 2.1.3.犧牲陽極系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合222.2.

7、1.典型犧牲陽極系統(tǒng) 錳和鋅是管道上使用的兩種典型的金屬。雖然，鋁在理論上具有該于上述兩種的能量。但是，至今仍沒有證據(jù)它被應(yīng)用在埋地的金屬結(jié)構(gòu)上。因?yàn)樵诒３炙幕钚苑矫嫔袥]有找到有效的方法。232.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1） 陰極保護(hù)（CP）中使用的犧牲陽極就是把兩種不同的金屬（管道-陰極和陽極金屬）直接相連接，形成一個(gè)腐蝕電池的回路，從而對(duì)管道加以保護(hù)。此時(shí)，鋼管道在電氣上與一種電動(dòng)勢(shì)序比它高（活潑）的金屬連接在一起。兩者處于一個(gè)共用的、導(dǎo)電的電解液（例如土壤）中，形成了一個(gè)完整的電回路。242.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1A） 在此電回路中，作為陽極的這種金屬越活潑（電動(dòng)勢(shì)

8、序越高），它就越易于被腐蝕。即在此過程中，它就放出更多的（正）電（子）流。而作為陰極的管道（或金屬結(jié)構(gòu)）就被保護(hù)，免于或減輕了腐蝕。 錳和鋅正是這樣的一些可作為陽極的金屬材料。252.1.2.犧牲陽極是如何工作的？（1-1） 如果我們能確定對(duì)一條管道進(jìn)行陰極保護(hù)的電流密度（單位表面積上的電流）值。那么，我們就能夠在設(shè)計(jì)中確定陽極系統(tǒng)所使用的陽極材料的尺寸和陽極地床的數(shù)量。因?yàn)檎沁@個(gè)陽極連續(xù)地、在期望的系統(tǒng)壽命期內(nèi)，提供了所期望的電流輸出量。262.1.3.犧牲陽極的應(yīng)用 （1） 對(duì)于管道，犧牲陽極一般應(yīng)用在需要的電流相對(duì)比較小的場(chǎng)合；以及土壤電阻率足夠低（易于導(dǎo)電）的場(chǎng)合。以便在合理的陽極數(shù)

9、量下，能夠獲得所期望的電流值（大小）。如果需要大量的電流，一般來說，還是應(yīng)用強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)。272.1.3.犧牲陽極的應(yīng)用 （1-1） 一個(gè)具有良好涂層、并采用了強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道，可能有一些個(gè)別的地方需要加以保護(hù)。這些地方需要相對(duì)小的額外電流。這些要求可以同通過采用犧牲陽極的辦法加以滿足。282.1.3.犧牲陽極的應(yīng)用 （1-2） 典型的應(yīng)用包括涂層很差或不完整的埋地閥門、設(shè)施；不能夠進(jìn)行清理的短套管；或管子涂層已經(jīng)受到嚴(yán)重?fù)p壞的個(gè)別管段，以及一些管段雖然已經(jīng)由遠(yuǎn)處的強(qiáng)加電流系統(tǒng)供電保護(hù)，但是，由于電氣屏蔽等外部因素已經(jīng)損害了保護(hù)電流的分布狀況的地段等等。292.1

10、.3.犧牲陽極的應(yīng)用 （1-3） 犧牲陽極（通常使用鋅）也有可能應(yīng)用在管道泵站的電氣接地、跨越絕緣接頭等位置處。作為接地極使用的鋅棒不僅是有效的電氣接地極；同時(shí)也提供了對(duì)該設(shè)備；或設(shè)施的CP。302.1.3.犧牲陽極的應(yīng)用 （1-4） 管道有可能通過已經(jīng)有許多地下金屬結(jié)構(gòu)的地方。在這些地方安裝強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)；又不產(chǎn)生雜散電流和相互之間電氣干擾的問題難于達(dá)到。在這樣的條件下，作為一種陰極保護(hù)的電源提供者，犧牲陽極的方法可能是一種經(jīng)濟(jì)的選擇。312.2. 強(qiáng)加電流的陰極保護(hù) (1) 變壓整流器 陽極電纜 陰極電纜 強(qiáng)加電流的陽極 管道 測(cè)試樁圖2.1 強(qiáng)加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的主要組成部分 3

11、22.2.1 電源 A）變壓整流器 由下列主要部分組成： 一臺(tái)變壓器把引進(jìn)一級(jí)線圈的高壓交流電降壓為次級(jí)線圈的低壓交流電。次級(jí)線圈的不同抽頭容許選擇輸出電壓高低的范圍。332.2.1 電源- A）變壓整流器(2) 一臺(tái)整流裝置（器）將交流電變?yōu)橹绷麟姡⑤敵銎椒€(wěn)的直流電壓，同時(shí)保證在較高電壓下使用時(shí)都有高的效率（通常采用全波硅二極管進(jìn)行整流）。這就是向管道（段）供應(yīng)直流電的主要設(shè)備：變壓整流器。342.2.1 電源- A）變壓整流器(3) 有一個(gè)適于室外安裝的機(jī)箱。還有交流電斷路器和直流電輸出的電流、電壓等參數(shù)的測(cè)量?jī)x表。352.2.1. 電源- A）變壓整流器 (4) 變壓整流器的控制方法包

12、括輸出穩(wěn)定的電壓、穩(wěn)定的電流，以及穩(wěn)定的電勢(shì)調(diào)節(jié)、控制等等。362.2.1 電源- A）變壓整流(4-1) 一般管道系統(tǒng)使用的都是自動(dòng)穩(wěn)壓（電勢(shì)）整流器。這類設(shè)備可以自動(dòng)地在它保護(hù)的管段上維持一個(gè)穩(wěn)定的保護(hù)電勢(shì)。它能按照管道需要的保護(hù)電流改變其其電壓的大小。372.2.1. 電源 - A）變壓整流器 (5) 自動(dòng)穩(wěn)壓（電勢(shì)）整流器（圖2.2) 與過去常用的傳統(tǒng)整流器（它常需要手動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器的次級(jí)線圈的接頭，以改變輸出的電壓）不同。它有一個(gè)靈敏的監(jiān)測(cè)回路。該回路連續(xù)地監(jiān)測(cè)著管道與土壤之間的電勢(shì)變化，并以根據(jù)此測(cè)量值自動(dòng)地調(diào)節(jié)向被保護(hù)管道輸出的電流值。382.2.1 電源 - A）變壓整流器(6)

13、 如果按照管道到土壤的電勢(shì)（管道和參考電極之間），已經(jīng)（通過電氣控制器）將變壓整流器應(yīng)輸出的保護(hù)電勢(shì)值設(shè)置好。那末，服役電勢(shì)在絕對(duì)值上的任何增加，將使腐蝕反應(yīng)參與者的電抗值增加。而電抗的增加將使輸出保護(hù)電勢(shì)返回到原先的設(shè)置值處。392.2.1 電源 - A）變壓整流器 (6A) 同樣地，如果管道和參考電極之間的服役電勢(shì)在絕對(duì)值上的有任何的降低，它將使腐蝕反應(yīng)參與者的電抗值相應(yīng)地降低。電抗值的降低將使電勢(shì)升高，而使該輸出保護(hù)電勢(shì)回到原先的設(shè)置。40圖2.2 油冷變壓-整流器41B) 其它電源 - 概述 （1） 通常陰極保護(hù)的電源是從一臺(tái)正在操作的整流變壓器上引出。在那些不能使用整流變壓器的地方，

14、可以使用其它類型的電源。例如柴油發(fā)電機(jī)組、太陽能供電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、溫差發(fā)電、或透平機(jī)組發(fā)電等。42B)太陽能供電系統(tǒng)圖太陽能板控制器蓄電池負(fù)荷43B) 太陽能供電系統(tǒng)（2） 在陰極保護(hù)系統(tǒng)中使用的太陽能供電系統(tǒng)主要由許多光電伏特電池板（太陽能板）和電池充電控制器和輸出調(diào)節(jié)器組成。44B)太陽能供電系統(tǒng)（3） A）太陽能板 由各種高效的單塊，或多塊的晶體太陽能模塊組成。它高效地將光能轉(zhuǎn)化為電能。電池具有增透涂層（增透膜）。45B)太陽能供電系統(tǒng)（4） B）電池充、放電控制器 為了防止蓄電池過度充電，在蓄電瓶中出現(xiàn)氣體；或過度放電。通常要使用一臺(tái)電池充電控制器。用來控制蓄電池的充、放電程度。

15、46B）太陽能供電系統(tǒng)（5） 系統(tǒng)中管理電流的設(shè)備中，有一個(gè)帶有電源晶體管的固態(tài)開關(guān)-調(diào)節(jié)分路器。通過設(shè)定它的電流限值，以保護(hù)蓄電池不至于過度充電。通過它將太陽能板以最短的回路連接在一起操作。它也保護(hù)著蓄電池不會(huì)過度放電，這是通過自動(dòng)斷開供電負(fù)荷而暫時(shí)停止工作。47B) 太陽能供電系統(tǒng)（6） 蓄電池的過度放電限值（閾值）是可調(diào)節(jié)的。并按照一種滯后曲線自動(dòng)再連接。對(duì)于充、放電時(shí)，蓄電池的瞬時(shí)溫度值是通過一個(gè)PTC （壓力-溫度控制器）來檢測(cè)和控制的。48B) 太陽能供電系統(tǒng)（7） C）陰極輸出調(diào)節(jié)器 該輸出調(diào)節(jié)器是一臺(tái)專用的陰極保護(hù)控制裝置。輸出調(diào)節(jié)器保證了供給管道的穩(wěn)定電源（它并不考慮陽極地床

16、的電阻率）。它將供給管道的電流/電壓值控制在預(yù)先設(shè)定的水平上；或者依據(jù)檢測(cè)后所返回的參數(shù)（通過采用參考電極），將它輸出的電流/電壓值維持在預(yù)先設(shè)定的限值處。49B)太陽能供電系統(tǒng)（7-1） 陰極輸出調(diào)節(jié)器輸出的電壓/電流值，在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的。該調(diào)節(jié)器使用著DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換。它與太陽能板一起，以標(biāo)準(zhǔn)的12、24V（伏），或48V（伏）工作。為了保持高電源效率，它可以選擇上述任何一種電勢(shì)作為輸出的電壓。50B) 太陽能供電系統(tǒng)（7-2） 輸出調(diào)節(jié)器也能配合數(shù)字儀表使用。如配合一臺(tái)可改變接通斷開時(shí)間循環(huán)范圍的輸出電流斷路器使用。這一特點(diǎn)具有極好的實(shí)用價(jià)值。因?yàn)檫@就能使在現(xiàn)場(chǎng)

17、的腐蝕工程師方便、準(zhǔn)確地來測(cè)試陰極的極化電勢(shì)和每一個(gè)供電系統(tǒng)保護(hù)管道的功能。51B) 太陽能供電系統(tǒng) （7-3） C）電池 太陽能蓄電池的充電和放電機(jī)制與通常使用的蓄電池不同。后者充、放電速度十分緩慢。而電池的容量相對(duì)較低。因此，普通的標(biāo)準(zhǔn)蓄電池并不能夠作為太陽能蓄電池使用。對(duì)于太陽能蓄電池，諸如充電效率、自放電、充電時(shí)的溫度、循環(huán)壽命和維護(hù)要求等等許多因素都應(yīng)加以考慮。可惜對(duì)于這些特性，并沒有幾個(gè)供應(yīng)商加以公布。52B)太陽能供電系統(tǒng)（7-4） 對(duì)于太陽能板排、板的結(jié)構(gòu)、密閉類型、服役能力、電解液的密度等等，以及選擇的詳細(xì)要求都需要由不同專業(yè)的工程技術(shù)人員在一起加以確定。532.2.2. 強(qiáng)

18、加電流陰極保護(hù)的陽極- C）陽極材料 (1) 一般地說，陽極材料的最重要性質(zhì)就是材料消耗與電流密度之間的關(guān)系。542.2.2.強(qiáng)加電流陰極保護(hù)的陽極- C）陽極材料(2) 如果使用鋼材作為陽極材料的話，每公斤鋼材所能提供的電流和消耗時(shí)間乘積約為0.11(安倍.年/公斤)。也就是說，每1安倍.年，至少要消耗9公斤的鋼材。552.2.2. 強(qiáng)加電流陰極保護(hù)的陽極 - C）陽極材料 (3) 把石墨用作陽極材料,可以操作的電流密度為2.5 A/m2 10 A/m2。一般是用蠟；或人造樹脂浸漬的石墨，以填充它的孔隙。它的消耗率比鑄鐵和鋼材都要低。作為陽極使用，可達(dá)到比較滿意的程度。 562.2.2.強(qiáng)加

19、電流陰極保護(hù)的陽極 - C）陽極材料(4) 高硅鑄鐵可以在電流密度為5A/m2 50A/m2的條件下用作陽極。根據(jù)陽極的形狀和使用條件，此時(shí)的消耗率為0.2公斤/安倍.年1公斤/安倍.年 。高硅鑄鐵很適合用作埋地管道和水下管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極地床。572.2.2.強(qiáng)加電流陰極保護(hù)的陽極 - C）陽極材料(5) 磁性氧化鐵陽極的消耗速率低于5克/安倍.年。它可以在土壤、淡水和海水中使用。這種材料很脆，在運(yùn)輸應(yīng)特別注意這一特性。582.2.2.強(qiáng)加電流陰極保護(hù)的陽極 - C）陽極材料 (6) 當(dāng)陽極材料埋地時(shí)，上述各種材料總是與回填的焦炭一起使用。使用焦炭的目的是要降低陽極與土壤之間的電阻。從

20、而降低了陽極的消耗速度。592.2.3支持設(shè)備 D）絕緣接頭(1) 設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí),常常需要把已經(jīng)進(jìn)行了很好涂層的管道與涂層很差的設(shè)備；或完全裸體的設(shè)備相連接。例如：與泵站、儲(chǔ)罐配管相連；或與電氣接地裝置相連等。這些設(shè)備或裝置將會(huì)在陰極保護(hù)系統(tǒng)中形成一個(gè)很大的電流排放點(diǎn)。這對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)很不利。60 2.2.3支持設(shè)備- D）絕緣接頭(2) 另外，在不同的金屬之間也可能需要進(jìn)行電氣絕緣。同樣，在強(qiáng)加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)和犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備、裝置之間也需要進(jìn)行電氣絕緣。以便限制和消除相互之間的影響；或限制和消除各種雜散電流之間的相互影響。612.2.3支持設(shè)備 E）測(cè)試樁(3) 各種

21、永久性的測(cè)試樁（絕緣的導(dǎo)線和接頭與管道和測(cè)試樁相連接；并與地面上的終端接線箱連接）以適當(dāng)?shù)拈g距沿管道的路徑安裝和設(shè)置。以便用于陰極保護(hù)的功能和效果的檢查、監(jiān)測(cè)和控制。622.2.3支持設(shè)備 - A）測(cè)試樁的分布(4) (3) 測(cè)試樁的分布 通常每公里測(cè)試樁的數(shù)量不少于一個(gè)。在某些特殊的地區(qū)；或重要位置處，可能需要附加的測(cè)試樁。例如：在使用了套管保護(hù)的地方；在兩條管道相交叉的位置處；在管道的絕緣接頭處；在河流穿越處；以及在土壤具有很大侵蝕性的那些地方等等。632.2.3支持設(shè)備 - A ）測(cè)試樁的分布 (5) 管道施工階段，當(dāng)管道鋪設(shè)在其它管道或金屬結(jié)構(gòu)附近時(shí)，也許安裝附加的測(cè)試樁是值得的。這樣

22、一來，就有利于以后進(jìn)行它們之間電氣相互影響的測(cè)試。642.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型(6) 1、 STP (單頭測(cè)試樁) 用于測(cè)試管道對(duì)土壤的電勢(shì)值。 652.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型 (7) 2、 CTP (套管測(cè)試樁) 用于檢查管道與套管兩者之間的電氣絕緣狀況。同時(shí)，也用于測(cè)量管道對(duì)土壤的電勢(shì)值。 662.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型 (8) 3、 IJC (絕緣接頭測(cè)試樁) 用于檢查絕緣接頭使用的有效性；以及測(cè)定管道對(duì)土壤的電勢(shì)值。.672.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型 (9) 4、ATP (安倍電流測(cè)試樁)-用于管道電流值的測(cè)量；以及用于管

23、道對(duì)土壤電勢(shì)值的測(cè)量。 682.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型 (10) 5、 ETP (穿越原有管道或結(jié)構(gòu)測(cè)試樁) 用于檢查現(xiàn)在鋪設(shè)管道與原有管道/結(jié)構(gòu)之間的相互影響。也用于測(cè)量管道對(duì)土壤的電勢(shì)值。 692.2.3支持設(shè)備 - B) 測(cè)試樁的類型(11) 6、 ETP (等電位測(cè)試樁) 通過使用一個(gè)可變電阻，連接兩條電氣絕緣的平行管道。從而可以測(cè)定兩者之間的電勢(shì)（位）大小。也用于測(cè)定管道對(duì)土壤的電勢(shì)值。70減輕腐蝕的方法復(fù)習(xí)題 (1)1. 可以保護(hù)埋地管道的方法有 。 a) 涂層 b) 陰極保護(hù) c) 陽極保護(hù) d) a 和 b 71減輕腐蝕的方法復(fù)習(xí)題 (2)2. 涂層的功能是 。 a) 有效的電氣絕緣材料 b) 一種有效的電氣絕緣體 c) 降低提供陰極保