陰極保護(hù)的基本原理
金屬管道的周圍環(huán)境包括土壤、水和含有水蒸氣的氣體,均含有一定的電解質(zhì),尤其是埋設(shè)的金屬管道和水下特別是海水中的金屬管道,周圍環(huán)境的電解質(zhì)含量更多,因此金屬管道幾乎都存在電化學(xué)腐蝕。除采用外防腐涂料防腐外,還要釆用陰極保護(hù)措施抑制電化學(xué)腐蝕。另外當(dāng)外界有雜散電流時(shí),例如電氣化鐵路、電車、以接地為回路的輸電系統(tǒng)等直流電力系統(tǒng),會(huì)使處在電解質(zhì)溶液中的金屬管道產(chǎn)生電解而腐蝕,應(yīng)采取排流保護(hù)措施。
電化學(xué)腐蝕分為原電池腐蝕和電解腐蝕。原電池腐蝕系指金屬在電解質(zhì)溶液中形成原電池而產(chǎn)生的腐蝕;電解腐蝕系指外界雜散電流使電解溶液中的金屬進(jìn)行電解而產(chǎn)生的腐蝕。陰極保護(hù)的原理如圖所示:
被保護(hù)的金屬管道電位較低,稱為陽(yáng)極,輔助陽(yáng)極或犧牲陽(yáng)極電位更低,兩者之間在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電流,使被保護(hù)的金屬管道得以保護(hù)。陰極保護(hù)有兩種方法,其原理相同。
外加電流陰極保護(hù):利用直流電源,通過輔助陽(yáng)極對(duì)被保護(hù)的金屬管道通以恒定電流,使陰極變化,以防止腐蝕,此法為外加電流保護(hù)法,如圖所示。
兩種陰極保護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表所示。
方法 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
外加電流 陰極保護(hù)方法
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① 單站保護(hù)范圍大,因此管道越長(zhǎng),相對(duì)投資越小 ② 動(dòng)電壓高,能夠靈活控制陰極保護(hù)電流,可供 給較大保護(hù)電流 ③ 不受土壤電阻率的限制,在惡劣的腐蝕條件下也能使用 ④ 釆用難溶性陽(yáng)極材料,可作長(zhǎng)期的陰極保護(hù) |
① 一次性投資費(fèi)用較高 ② 需要外部電源 ③ 對(duì)鄰近的地下金屬結(jié)構(gòu)物干擾大 ④ 維護(hù)管理較復(fù)雜 |
犧牲陽(yáng)極 保護(hù)方法 |
① 保護(hù)電流的利用率高,不會(huì)過保護(hù) ② 適用于無(wú)電源地區(qū)和小規(guī)模分散的對(duì)象 ③ 對(duì)鄰近的地下金屬結(jié)構(gòu)物幾乎無(wú)干擾,施工技術(shù) 簡(jiǎn)單 ④ 安裝及維護(hù)費(fèi)用小 ⑤ 接地和防腐兼顧 |
① 驅(qū)動(dòng)電壓低,保護(hù)電流調(diào)節(jié)困難 ② 使用范圍受土壤電阻率的限制 ③ 對(duì)于大口徑裸管或防腐涂層質(zhì)量不良 的管道,由于費(fèi)用高,一般不宜釆用 ④ 在雜散電流干擾強(qiáng)烈地區(qū),將喪失保 護(hù)作用 ⑤ 投產(chǎn)測(cè)試工作較復(fù)雜 |
輔助陽(yáng)極材料要有良好的導(dǎo)電性和抗腐蝕性,常用的有碳鋼、鑄鐵、石墨、高硅鑄鐵、磁性氧化鐵等。 常用陽(yáng)極材料性能如表所示。
性 能 |
陽(yáng)極材料 |
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碳鋼 |
石墨 |
高硅鑄鐵 |
磁性氧化鐵 |
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密度 / (kg/m3) |
7800 |
450?1680 |
7000 |
5100—5400 |
20℃ 電阻率/(Q?cm) |
17×10-6 |
700×10-6 |
72×10-6 |
3×10-2 |
抗彎強(qiáng)度/(105Pa) |
|
80 ?130 |
14 ?17 |
與高硅鑄鐵相似 |
抗壓強(qiáng)度/(105Pa) |
|
140?350 |
70 |
與高硅鑄鐵相似 |
消耗率/[kg/(A-a)] |
9.1~10 |
04 ?1.3 |
0.1~1 |
0.02~0.15 |
允許電流密度/(A/㎡) |
|
5~10 |
5~80 |
100~1000 |
利用率(%) |
50 |
66 |
50 |
|
綜上所述,無(wú)論釆用何種方法,都必須使產(chǎn)生的電流足以克服和抵消腐蝕電流,從而停止金屬管道的腐蝕,受到有效 的保護(hù)。
犧牲陽(yáng)極材料需要滿足下述要求:
① 驅(qū)動(dòng)電位大,使被保護(hù)金屬管道陰極極化。
② 陽(yáng)極極化率小,使電位及輸出電流穩(wěn)定。
③ 單位重量消耗提供電量多,單位面積輸出電流大,電流效率高。
④ 價(jià)格低廉,來(lái)源廣,制造簡(jiǎn)單,便于施工。
常用的犧牲陽(yáng)極材料有鎂基合金、鋁基合金、鋅基合金三大類,其基本性能如表所示。
性能 |
純鎂、鎂、鎰 |
(Mg-6Al-3Zn) |
(AI-Zq-Iq) |
純鋅、鋅合金 |
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密度 / (kg/m3) |
1740 |
1770 |
2830 |
7140 |
|
陽(yáng)極開路電位/V |
1.56 |
1.48 |
1.08 |
1.03 |
|
對(duì)鋼鐵的有效電壓/V |
0.75 |
0.85 |
0.25 |
0.2 |
|
理論產(chǎn)生電量/ (A?kg) |
2.2 |
2.21 |
2.87 |
0.82 |
|
海水中 |
消耗率/[kg/(A-a)] |
50 |
55 |
80 |
95 |
允許電流密度/(A/㎡) |
1.1 |
1.22 |
2.2 |
0.78 |
|
利用率(%) |
8 |
7.2 |
3..8 |
11.8 |
|
土壤中 |
電流效率(%) |
40 |
50 |
65 |
65 |
發(fā)生電量/ (A?kg) |
0.88 |
1.11 |
1.86 |
0.53 |
雜散電流的腐蝕及防護(hù)
直流電對(duì)腐蝕的影響
電氣化鐵路、電車、以接地為回路的輸電系統(tǒng),都會(huì)在土壤中產(chǎn)生雜散電流,使地下管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,其腐蝕 程 度要比一般的土壤強(qiáng)烈得多,有雜散電流存在時(shí),管地電位差可能高達(dá)8~9 V, 較無(wú)雜散電流的零點(diǎn)幾伏電位差大得多,其影響可遠(yuǎn)達(dá)幾十公里,必須采取防護(hù)措施。
防止雜散電流的措施
除使長(zhǎng)輸管道遠(yuǎn)離雜散電流外,如果不能遠(yuǎn)離,長(zhǎng)輸管道防止雜散電流的主要措施是排流保護(hù),即用絕緣的金屬電纜將被保護(hù)的金屬管道與排流裝置連接,將雜散電流引回鐵軌或回歸線 (負(fù)極母線)上。電纜與管道的連接點(diǎn)稱為排流點(diǎn)。 排流保護(hù)可分為簡(jiǎn)單排流保護(hù)、極性排料保護(hù)、接地式排流、強(qiáng)制排流等,在工程設(shè)計(jì)中由電力專業(yè)設(shè)計(jì)人員確定。
由于雜散電流通過管道時(shí)電位變化幅度較大,所以地下管道采用排流保護(hù)的段落,一般都不用陰極保護(hù)。
陰極保護(hù)的抗干擾措施
當(dāng)各種管道密集分布或平行鋪設(shè)時(shí),某一根管道的陰極保護(hù)設(shè)施會(huì)對(duì)其他管道產(chǎn)生干擾,不僅會(huì)影響被保護(hù)管道的防護(hù)效果,還會(huì)加速未防護(hù)管道的腐蝕。為防護(hù)這種干擾影響,應(yīng)盡可能使未防護(hù)管道遠(yuǎn)離陰極保護(hù)設(shè)施,否則應(yīng)采取下述 抗干擾措施:
① 采用絕緣法蘭隔離有陰極保護(hù)的管段和無(wú)陰極保護(hù)的管段,一般在被保護(hù)管道的出站口、大型穿越障礙物的兩端、雜散電流影響段,被保護(hù)管道與其他不應(yīng)受到陰極保護(hù)的管道連接處應(yīng)裝設(shè)絕緣法蘭。絕緣法蘭釆用絕緣墊片,每個(gè)螺拴 都加絕緣圈和絕緣套管,使兩個(gè)法蘭完全絕緣。組裝后要做絕緣性能試驗(yàn),用 500V兆歐表?yè)u測(cè),其絕緣電阻大于 5MQ方 可焊到管道上。
② 采用加“均壓線 ”的方法,將未保護(hù)管道與保護(hù)管道用電纜連接起來(lái),以保持各處電位的平衡,實(shí)行聯(lián)合陰極保護(hù), 一般長(zhǎng)輸管道每隔 50m 左右設(shè)一 “均壓線”。
③ 在距陽(yáng)極較遠(yuǎn)有電流從管道流出的部位,安裝一個(gè)犧牲陽(yáng)極與管道相連,使雜散電流經(jīng)犧牲陽(yáng)極流入地下。
④ 交流輸電線感應(yīng)腐蝕的防護(hù)。
一般來(lái)說交流電引起的腐蝕比直流電小得多,大約為直流電的1 %以下。但是當(dāng)高壓交流輸電線與管道平行架設(shè)時(shí),由 于靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的影響,對(duì)金屬管道感應(yīng)而產(chǎn)生交流電流,這時(shí)對(duì)管道的影響和危害卻不能忽視,在交直流疊加的情況下,交流電的存在可引起電極表面的去極化作用,使腐蝕加速。除盡可能避免或縮短平行段的長(zhǎng)度外,還應(yīng)釆取下述措施:
① 將管道串接大電容接地,或在管道與電力系統(tǒng)接地之間安裝接地電池。接地電池由一對(duì)或幾對(duì)用絕緣塊隔開的鋅陽(yáng) 極構(gòu)成,埋在低電阻率的回填土中。
② 為防止高壓電對(duì)人員的危害,在所有露出地面的金屬管道附屬設(shè)施處,需作接地處理,以消除靜電干擾。在管道工 作人員接觸有關(guān)部位,設(shè)接地柵極或接地電池,將感應(yīng)的交流電引入大地,防止工作人員受電擊。
③ 為防止絕緣法蘭被擊穿,應(yīng)在法蘭上安裝避雷器或放電器,或?qū)⒎ㄌm兩端與接地電池相連。
④ 嚴(yán)格遵循有關(guān)安全規(guī)程。
【本文標(biāo)簽】 陰極保護(hù) 鋁陽(yáng)極 鋅合金犧牲陽(yáng)極 陰極保護(hù)系統(tǒng) 犧牲陽(yáng)極
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