1、公司管線防腐陰極保護(hù)裝置技術(shù)培訓(xùn)教程編制：fxz zjp2010年3月目錄一、金屬防腐基本知識一、金屬防腐基本知識二、陰極保護(hù)原理二、陰極保護(hù)原理三、陰極保護(hù)方式三、陰極保護(hù)方式四、陰極保護(hù)的基本參數(shù)四、陰極保護(hù)的基本參數(shù)五、參比電極五、參比電極六、六、管線陰極保護(hù)裝置管線陰極保護(hù)裝置七、恒電位儀工作原理及操作七、恒電位儀工作原理及操作一、金屬防腐基本知識1、電化學(xué)腐蝕原理v金屬在電解質(zhì)溶液中由于電化學(xué)作用所發(fā)生的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕。它是金屬腐蝕中最普遍的一種形式，這種形式發(fā)生在金屬和電解質(zhì)溶液接觸而互相作用的時候，其最明顯的特征是它必然有電流的流動（電子的轉(zhuǎn)移）。返回目錄一、金屬防腐基本知識

2、v金屬電化學(xué)腐蝕原因是金屬表面產(chǎn)生原電池作用，或外界電源影響使金屬表面產(chǎn)生電解作用所引起的破壞。把兩種電極電位不同的金屬放入電解液中，即成為簡單的原電池，若用導(dǎo)線將兩種金屬連接起來，則兩電極間有電位差存在而產(chǎn)生電流。例如將鋅板和銅板當(dāng)作兩極，插入裝有稀硫酸溶液的同一器皿中，并用導(dǎo)線連接，如圖所示。由于雙電層原理Zn、Cu各自在溶液中建立電極電位，但Zn的電極電位較負(fù)，所以不斷失去電子，變成Zn2+離子溶解到電解質(zhì)溶液中去。鋅板上多余的電子則沿導(dǎo)線由鋅板流到銅板，銅板上不斷地有來自鋅板的電子和溶液中的氫離子中和放電。v其電極反應(yīng)：v在銅板上酸中的H離子接受電子進(jìn)行還原，生成氫氣逸出返回本章第一頁

3、一、金屬防腐基本知識v整個電池反應(yīng)為v在原電池外部電子e由鋅板流到銅板（圖中虛線方向），則電流方向由銅板到鋅板。（圖中實線方向）。v在原電池內(nèi)部電流方向是從鋅板流入溶液，再由溶液流入銅板。電極電位比較負(fù)的鋅板稱為陽極，電極電位比較正的銅板稱為陰極。v在電解質(zhì)溶液中，金屬表面上的各部份，其電位是不完全相同的，電位較高的部分形成陰極區(qū)，電位較低的部分形成陽極區(qū)。這便構(gòu)成了局部腐蝕電池。v腐蝕電池可以理解為金屬腐蝕表面上短路的多電極原電池。返回本章第一頁二、陰極保護(hù)原理v、理想極化曲線v腐蝕電池在電路接通后就產(chǎn)生電流，電流的流通，使得腐蝕電池陽極和陰極的電極電位都偏離電流未流通之前的電極電位值。v在

4、陽極，由于陽極金屬溶解即離子化的過程滯后于電子的轉(zhuǎn)移過程，而正電荷過剩，使陽極表面的電位向正的方向偏移，即陽極極化。v在陰極表面，由于從陽極轉(zhuǎn)移過來的電子的遷移速度大大于在陰極表面的極化劑（H+和O2分子）吸收電子的速度，使大量電子在陰極表面集聚，從而使陰極表面的電位向負(fù)的方向偏移，即陰極極化。返回目錄二、陰極保護(hù)原理v陽極極化和陰極極化的共同結(jié)果，造成了腐蝕原電池起始電位差的變小。將腐蝕電池陽極和陰極的電極電位與電流之間的關(guān)系用曲線表示出來繪成圖，就得到了腐蝕電池的極化曲線圖。圖是腐蝕電池的極化曲線示意圖。返回本章第一頁二、陰極保護(hù)原理v如圖所示，EaS是陽極化曲線，EcS是陰極極化曲線，當(dāng)

5、腐蝕電池內(nèi)電阻為零時，它們相交于點。點所對應(yīng)的電位稱之為該體系的腐蝕電位，也稱自然電位，表為Ecorr。它是腐蝕電池的陽極和陰極在極化后共同趨近的電位值。與此電位值相對應(yīng)的電流Icorr稱為該系統(tǒng)理論上最大可能的腐蝕電流。v事實上，上述的極化曲線是測不出來的。這是因為人們無法在腐蝕電池系統(tǒng)中確定陽極與陰極的面積。也無法保證在電極表面只發(fā)生單一的一種電極反應(yīng)。甚至不可能測到腐蝕電池中任一微陽極部位，或微陰極部位的電位值。而測到的通常是其微陽極與微陰極極化后，共同趨向的電位Ecorr。上述極化曲線稱之為理想的極化曲線，或假想的極化曲線。它所反映的是，腐蝕電池內(nèi)電流與陽極和陰極電位的關(guān)系。返回本章第

6、一頁二、陰極保護(hù)原理v、陰極保護(hù)原理、陰極保護(hù)原理v在介紹腐蝕電池工作原理時，人們曾談到由于金屬在介紹腐蝕電池工作原理時，人們曾談到由于金屬本身的電化學(xué)不均性，或由于外界環(huán)境的不均勻性，本身的電化學(xué)不均性，或由于外界環(huán)境的不均勻性，都會形成微觀的或宏觀的腐蝕原電池。例如在碳鋼都會形成微觀的或宏觀的腐蝕原電池。例如在碳鋼表面，其基體金屬鐵與碳素體表面，其基體金屬鐵與碳素體Fe3C如浸在電解質(zhì)如浸在電解質(zhì)溶液中會形成電位差為溶液中會形成電位差為200mV的微電池腐蝕。的微電池腐蝕。v當(dāng)采用外加電流極化時，原來腐蝕著的微電池會由當(dāng)采用外加電流極化時，原來腐蝕著的微電池會由于外加電流的作用，電極電位發(fā)

7、生變化，此時腐蝕于外加電流的作用，電極電位發(fā)生變化，此時腐蝕著的微電池的腐蝕電流減少，稱之為正的差異效應(yīng)。著的微電池的腐蝕電流減少，稱之為正的差異效應(yīng)。反之，則稱之為負(fù)的差異效應(yīng)反之，則稱之為負(fù)的差異效應(yīng)返回本章第一頁二、陰極保護(hù)原理v強(qiáng)制電流陰極保護(hù)所引起的差異效應(yīng)可用圖來說明。返回本章第一頁二、陰極保護(hù)原理v上圖a為未加陰極保護(hù)之前金屬本身的腐蝕的電池模型；b為加陰極保護(hù)以后保護(hù)電池的電路及原來腐蝕電池的變化，所加的外電流I的方向是使被保護(hù)金屬作為陰極。v向系統(tǒng)輸入外電流，使金屬陰極極化，此時整個腐蝕原電池體系的電位將向負(fù)的方向偏移。v若使金屬繼續(xù)陰極極化到更負(fù)的電位Ea即達(dá)到微陽極的開路

8、電位，則腐蝕減至為零。金屬達(dá)到完全保護(hù)v總之，極化消除了被保護(hù)金屬體表面的電化學(xué)不均勻性，抑制了微電池作用，又因為陰極極化構(gòu)成了新的大地電池即保護(hù)電路，使被保護(hù)金屬體成為新的大地電池的陰極，從而在其表面只發(fā)生得電子的還原反應(yīng)。金屬不再發(fā)生丟電子的氧化反應(yīng)，腐蝕不再發(fā)生。這就是陰極保護(hù)使金屬受到保護(hù)的原理。返回本章第一頁二、陰極保護(hù)原理v陰極保護(hù)是一種用于防止金屬在電介質(zhì)（海水、淡水及土壤等介質(zhì)）中腐蝕的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是使金屬構(gòu)件作為陰極，對其施加一定的直流電流，使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位值時，該金屬表面的電化學(xué)不均勻性得到消除，腐蝕的陰極溶解過程得到有效抑制，

9、達(dá)到保護(hù)的目的。在金屬表面上的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)都有自己的平衡點，為了達(dá)到完全的陰極保護(hù)，必須使整個金屬的電位降低到最活潑點的平衡電位。v陰極保護(hù)的原理；是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點達(dá)到同一負(fù)電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實現(xiàn)這一目的，即，犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。 返回本章第一頁三、陰極保護(hù)方式v陰極保護(hù)可以通過下面兩種方式實現(xiàn)。v、犧牲陽極法v、強(qiáng)制電流保護(hù)法返回目錄三、陰極保護(hù)方式v、犧牲陽極法v 將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率的方法

10、。在被保護(hù)金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實現(xiàn)了對陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)。v常用犧牲陽極材料有高鈍鎂合金、高鈍鋅及鋅合金、鋁合金等。返回本章第一頁三、陰極保護(hù)方式v犧牲陽極陰極保護(hù)是將電位更負(fù)的金屬與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去，使整個被保護(hù)金屬處于一個較負(fù)的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少產(chǎn)生腐蝕干擾，廣泛應(yīng)用于保護(hù)小型（電流一般小于1安培）或處于低土壤電阻率環(huán)境下（土壤電阻率小于100歐姆.米）的金屬結(jié)

11、構(gòu)。如，城市管網(wǎng)、小型儲罐等。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料的報道，對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓(xùn)，認(rèn)為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年，最多5年。犧牲陽極陰極保護(hù)失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。產(chǎn)生該問題的主要原因是陽極成份達(dá)不到規(guī)范要求，其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設(shè)計犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)時，除了嚴(yán)格控制陽極成份外，一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。 返回本章第一頁三、陰極保護(hù)方式v、強(qiáng)制電流保護(hù)法v將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，由于外部電源提供保護(hù)電流，以降低腐蝕速率的方法。v外部電源通過埋地的輔助陽極、將保護(hù)電流引入地下，通過土壤提供給被保護(hù)

12、金屬，被保護(hù)金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發(fā)生丟電子氧化反應(yīng)。因此，輔助陽極本身存在消耗。v該方式主要用于保護(hù)大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長輸埋地管道，大型罐群等。返回本章第一頁三、陰極保護(hù)方式v陰極保護(hù)的上述兩種方法，都是通過一個陰極保護(hù)電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護(hù)的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護(hù)電流，使之恰好抵消金屬內(nèi)原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產(chǎn)生保護(hù)電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負(fù)的金屬或合金，另一種則利用直流電源。v兩種保護(hù)方式的選擇v強(qiáng)制電流陰極保

13、護(hù)驅(qū)動電壓高，輸出電流大，有效保護(hù)范圍廣，適用于被保護(hù)面積大的長距離、大口徑管道。v犧牲陽極陰極保護(hù)不需外部電源，維護(hù)管理經(jīng)濟(jì)，簡單，對鄰近地下金屬構(gòu)筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。v圖表明了犧牲陽極和外加電源陽極的大致使用范圍，從圖中可以看到，鎂陽極主要用于低歐姆的土壤內(nèi)，以及總電流量需要小的管道上。返回本章第一頁三、陰極保護(hù)方式返回本章第一頁四、陰極保護(hù)的基本參數(shù)v、最小保護(hù)電流密度v陰極保護(hù)時，使腐蝕停止，或達(dá)到允許程度時所需的電流密度值稱為最小保護(hù)電流密度。v最小保護(hù)電流密度的大小取決于被保護(hù)金屬的種類，表面狀況、腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、組成、濃度、溫度和金屬表面絕緣層質(zhì)量等

14、。v、最小保護(hù)電位v為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達(dá)到的絕對值最小的負(fù)電位值，稱之為最小保護(hù)電位。v最小保護(hù)電位也與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成、溫度、濃度等有關(guān)。最小保護(hù)電位值常常是用來判斷陰極保護(hù)是否充分的基準(zhǔn)。因此此電位值是監(jiān)控陰極保護(hù)的重要參數(shù)。v實驗測定在土壤中的最小保護(hù)電位為0.85V（相對飽和硫酸銅參比電極）。返回目錄四、陰極保護(hù)的基本參數(shù)v、最大保護(hù)電位v在陰極保護(hù)中，所允許施加的陰極極化的絕對值最大值，在此電位下管道的防腐層不受到破壞。此電位值就是最大保護(hù)電位。v最大保護(hù)電位值的大小通過試驗確定。一般取1.5V（CSE）。v在新的PE保護(hù)層中可用斷點測試法，在斷3秒時

15、測試其最大保護(hù)電位不大于-1.15Vv腐蝕電位或自然電位每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位）。腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負(fù)愈容易失去電子，我們稱失去電子的部位為陽極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(qū)由于失去電子（如，鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕而陰極區(qū)得到電子受到保護(hù)。 返回本章第一頁五、參比電極 v為了對各種金屬的電極電位進(jìn)行比較，必須有一個公共的參比電極。飽和硫酸銅參比電極，其電極電位具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，構(gòu)造簡單，在陰極保護(hù)領(lǐng)域中得到廣泛采用。v不同參比電極之間的電位比較：土壤中或浸水鋼鐵結(jié)構(gòu)最小陰極保護(hù)電位

16、（V）被保護(hù)結(jié)構(gòu) 相對于不同參比電極的電位飽和硫酸銅 氯化銀 鋅 飽和甘汞鋼鐵（土壤或水中） -0.85 -0.75 0.25 -0.778鋼鐵（硫酸鹽還原菌） -0.95 -0.85 0.15 -0.878 返回目錄五、參比電極v參比電極位置對測量結(jié)果影響. v假設(shè)受陰極保護(hù)的管道為河床,外加電流為河水,水位為保護(hù)電位.由于河床密實,滲水量很小,當(dāng)上游供水量平衡時,河面將保持一個穩(wěn)定的深度(自上游到下游水位逐漸下降,相當(dāng)于陰極保護(hù)電位的衰減),如果河床某處出現(xiàn)一個漏水點,則大量的水將通過該點泄漏,在河面形成旋渦.使漏點上方的實際水位低于其他河面.同樣,受陰極保護(hù)的管道,其防腐層相當(dāng)于密實的河

17、床,由于絕緣電阻大,僅有少量的電流透過防腐層到達(dá)管道.但如果防腐層有漏點,則較多的電流通過漏點進(jìn)入管道.在漏點附近形成漏斗狀電壓場.使漏點處的電位低于其他地方的電位. 返回本章第一頁六、管線陰極保護(hù)裝置v1、管線工程概述v 公司輸送管線全長約30km，為DN250埋地敷設(shè)鋼質(zhì)管道，輸送管線起自公司庫泵出口至有限公司罐界區(qū)線外1米處（具體坐標(biāo)現(xiàn)場勘定，此為第一段管線），全長約27 km，并延至有限公司罐界區(qū)外1米處（具體坐標(biāo)現(xiàn)場勘定），此為第二段管線，全長約4 km。返回目錄六、管線陰極保護(hù)裝置 2、管線陰極保護(hù)裝置概述 由于輸送管線大部分穿越荒郊野外及山區(qū), 穿越地區(qū)土壤電阻率很高，高達(dá)500

18、m1000m，因此對管線宜采取外加電流陰極保護(hù)方式。由于管線穿越大量的山區(qū)，會造成保護(hù)電流的屏蔽，為了保證管道得到均勻有效的保護(hù)，本項目設(shè)計兩套陰極保護(hù)系統(tǒng)。部分仍對保護(hù)電流產(chǎn)生屏蔽處，另采用鎂犧牲陽極保護(hù)。 本工程共設(shè)兩座陰極保護(hù)站，分別位于輸送管道兩端的站場安全區(qū)內(nèi)，陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括恒電位儀、恒電位儀切換控制柜、輔助陽極、長效埋地參比電極、陰/陽極電纜、測試樁、鋅接地電池等設(shè)施的制作安裝。 返回本章第一頁六、管線陰極保護(hù)裝置3、管線陰極保護(hù)裝置設(shè)備組成v a、 恒電位儀v每個陰極保護(hù)站設(shè)計2臺KHL型恒電位儀（互為備用每一個月交換一次）以及一臺配套使用的恒電位儀切換控制柜。v恒電位議主

19、要技術(shù)指標(biāo)如下：v直流輸出：60V/30A； 交流輸入：380V/50Hz；v給定電位連續(xù)可調(diào)范圍： 0.03V（可連續(xù)可調(diào)）；v輸出控制：手動或自動；v手動時設(shè)備輸出為恒流工作；自動時，設(shè)備輸出為恒電位工作；v恒流范圍030A； 最大限壓值：DC60V；v恒電位范圍 03伏； 最大限流值： DC52A；v恒電位精度：5mV； 輸入阻抗：10M；v保護(hù)功能：過流、過壓等故障的自動保護(hù)功能；v安裝方式：室內(nèi)； 防雷方式：輸入輸出雷擊防護(hù)；v絕緣電阻：20 M； 滿載波紋系數(shù)：小于5。返回本章第一頁六、管線陰極保護(hù)裝置b、輔助陽極及陽極地床 本項目每套陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計DYY-1型金屬氧化物陽極16

20、支。考慮云南的地質(zhì)情況，陽極地床采用淺埋陽極地床，位置在一號閥站西側(cè)150米處。c、參比電極 為了給陰極保護(hù)電源提供電位信號和測量管道電位，在管道通電點處埋設(shè)2只控制參比電極，采用MCT-2長壽命銅/飽和硫酸銅參比電極，預(yù)包裝在填包料的布袋中，并帶有一根截面積為1.5mm2的高分子聚乙烯銅芯電纜。本項目共安裝參比電極4套。管道中間段電位測試?yán)帽銛y式參比電極，本項目共設(shè)2套便攜式參比電極。參比電極的埋設(shè)位置在通電點處，距管線200mm，埋深度2米，并確保其處于永久濕潤的環(huán)境中。 返回本章第一頁六、管線陰極保護(hù)裝置d、測試樁v測試樁用于檢測管道的保護(hù)電位和開路電位。沿管線每公里設(shè)置一個測試樁，在

21、公路、鐵路穿越等地增設(shè)測試樁。每一個月要對陰極保護(hù)全面巡檢一次，檢測每一個測試樁電位要在保護(hù)范圍內(nèi)。e、接地電池v在管道與非保護(hù)埋地鋼結(jié)構(gòu)或設(shè)施存在連接的情況，為了避免被保護(hù)管道保護(hù)電流的流失，在連接處安裝絕緣法蘭或絕緣接頭，并在絕緣法蘭處安裝一套接地電池。本條管線設(shè)計接地電池20套。 返回本章第一頁七、恒電位儀工作原理及操作恒電位儀工作原理及操作v1、恒電位儀基本工作原理恒電位儀基本工作原理 當(dāng)儀器處于“自動”工作狀態(tài)時，機(jī)內(nèi)給定信號（控制信號）或外控給定信號和經(jīng)阻抗變換器隔離后的參比信號一起送入比較放大器，經(jīng)高精度、高穩(wěn)定性的比較放大器比較放大，輸出誤差控制信號，將此信號送入移相觸發(fā)器，移相觸發(fā)器根據(jù)該信號的大小，自動調(diào)節(jié)脈沖的移相時間，通過脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖調(diào)整極化回路中可控硅的導(dǎo)通角，改變輸出電壓、電流的大小，使保護(hù)電位等于設(shè)定的給定電位，從而實現(xiàn)恒電位保護(hù)。返回目錄七、恒電位儀工作原理及操作恒電位儀工作原理及操作2、運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 當(dāng)儀器工作在恒電位狀態(tài)而因參比失效或其它故障致使儀器不能實現(xiàn)恒電位控制時，經(jīng)一定時間延遲后，儀器確認(rèn)采集到的信號實屬恒電位失控的誤差信號，就將自動轉(zhuǎn)換為恒電流工作狀態(tài)。恒電流給定信號和經(jīng)阻抗變換后輸出電流取樣信號一起送入比較放大器，比較