陰極保護的基本原理
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,尤其是埋設的金屬管道和水下特別是海水中的金屬管道,周圍環(huán)境的電解質含量更多,因此金屬管道幾乎都存在電化學腐蝕。除采用外防腐涂料防腐外,還要釆用陰極保護措施抑制電化學腐蝕。另外當外界有雜散電流時,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),會使處在電解質溶液中的金屬管道產生電解而腐蝕,應采取排流保護措施。
電化學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溶液中形成原電池而產生的腐蝕;電解腐蝕系指外界雜散電流使電解溶液中的金屬進行電解而產生的腐蝕。陰極保護的原理如圖所示:
被保護的金屬管道電位較低,稱為陽極,輔助陽極或犧牲陽極電位更低,兩者之間在電解質溶液中產生電流,使被保護的金屬管道得以保護。陰極保護有兩種方法,其原理相同。
外加電流陰極保護:利用直流電源,通過輔助陽極對被保護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法,如圖所示。
兩種陰極保護方法的優(yōu)缺點比較如表所示。
方法 |
優(yōu)點 |
缺點 |
外加電流 陰極保護方法
|
① 單站保護范圍大,因此管道越長,相對投資越小 ② 動電壓高,能夠靈活控制陰極保護電流,可供 給較大保護電流 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 釆用難溶性陽極材料,可作長期的陰極保護 |
① 一次性投資費用較高 ② 需要外部電源 ③ 對鄰近的地下金屬結構物干擾大 ④ 維護管理較復雜 |
犧牲陽極 保護方法 |
① 保護電流的利用率高,不會過保護 ② 適用于無電源地區(qū)和小規(guī)模分散的對象 ③ 對鄰近的地下金屬結構物幾乎無干擾,施工技術 簡單 ④ 安裝及維護費用小 ⑤ 接地和防腐兼顧 |
① 驅動電壓低,保護電流調節(jié)困難 ② 使用范圍受土壤電阻率的限制 ③ 對于大口徑裸管或防腐涂層質量不良 的管道,由于費用高,一般不宜釆用 ④ 在雜散電流干擾強烈地區(qū),將喪失保 護作用 ⑤ 投產測試工作較復雜 |
輔助陽極材料要有良好的導電性和抗腐蝕性,常用的有碳鋼、鑄鐵、石墨、高硅鑄鐵、磁性氧化鐵等。 常用陽極材料性能如表所示。
性 能 |
陽極材料 |
|||
碳鋼 |
石墨 |
高硅鑄鐵 |
磁性氧化鐵 |
|
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 |
抗彎強度/(105Pa) |
|
80 ?130 |
14 ?17 |
與高硅鑄鐵相似 |
抗壓強度/(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,無論釆用何種方法,都必須使產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。
犧牲陽極材料需要滿足下述要求:
① 驅動電位大,使被保護金屬管道陰極極化。
② 陽極極化率小,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 價格低廉,來源廣,制造簡單,便于施工。
常用的犧牲陽極材料有鎂基合金、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 |
|
密度 / (kg/m3) |
1740 |
1770 |
2830 |
7140 |
|
陽極開路電位/V |
1.56 |
1.48 |
1.08 |
1.03 |
|
對鋼鐵的有效電壓/V |
0.75 |
0.85 |
0.25 |
0.2 |
|
理論產生電量/ (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
直流電對腐蝕的影響
電氣化鐵路、電車、以接地為回路的輸電系統(tǒng),都會在土壤中產生雜散電流,使地下管道產生電化學腐蝕,其腐蝕 程 度要比一般的土壤強烈得多,有雜散電流存在時,管地電位差可能高達8~9 V, 較無雜散電流的零點幾伏電位差大得多,其影響可遠達幾十公里,必須采取防護措施。
防止雜散電流的措施
除使長輸管道遠離雜散電流外,如果不能遠離,長輸管道防止雜散電流的主要措施是排流保護,即用絕緣的金屬電纜將被保護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 (負極母線)上。電纜與管道的連接點稱為排流點。 排流保護可分為簡單排流保護、極性排料保護、接地式排流、強制排流等,在工程設計中由電力專業(yè)設計人員確定。
由于雜散電流通過管道時電位變化幅度較大,所以地下管道采用排流保護的段落,一般都不用陰極保護。
陰極保護的抗干擾措施
當各種管道密集分布或平行鋪設時,某一根管道的陰極保護設施會對其他管道產生干擾,不僅會影響被保護管道的防護效果,還會加速未防護管道的腐蝕。為防護這種干擾影響,應盡可能使未防護管道遠離陰極保護設施,否則應采取下述 抗干擾措施:
① 采用絕緣法蘭隔離有陰極保護的管段和無陰極保護的管段,一般在被保護管道的出站口、大型穿越障礙物的兩端、雜散電流影響段,被保護管道與其他不應受到陰極保護的管道連接處應裝設絕緣法蘭。絕緣法蘭釆用絕緣墊片,每個螺拴 都加絕緣圈和絕緣套管,使兩個法蘭完全絕緣。組裝后要做絕緣性能試驗,用 500V兆歐表搖測,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,將未保護管道與保護管道用電纜連接起來,以保持各處電位的平衡,實行聯(lián)合陰極保護, 一般長輸管道每隔 50m 左右設一 “均壓線”。
③ 在距陽極較遠有電流從管道流出的部位,安裝一個犧牲陽極與管道相連,使雜散電流經犧牲陽極流入地下。
④ 交流輸電線感應腐蝕的防護。
一般來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。但是當高壓交流輸電線與管道平行架設時,由 于靜電場和交變磁場的影響,對金屬管道感應而產生交流電流,這時對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度外,還應釆取下述措施:
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。接地電池由一對或幾對用絕緣塊隔開的鋅陽 極構成,埋在低電阻率的回填土中。
② 為防止高壓電對人員的危害,在所有露出地面的金屬管道附屬設施處,需作接地處理,以消除靜電干擾。在管道工 作人員接觸有關部位,設接地柵極或接地電池,將感應的交流電引入大地,防止工作人員受電擊。
③ 為防止絕緣法蘭被擊穿,應在法蘭上安裝避雷器或放電器,或將法蘭兩端與接地電池相連。
④ 嚴格遵循有關安全規(guī)程。