管道牺牲阳极法阴极保护专用专项方案.docx
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管道牺牲阳极法阴极保护专用专项方案
长输管道牺牲阳极法
阴极保护方案
项目名称：
建设单位：
施工单位：
编制日期：
10月4日
一、概述
（一）原理
将被保护金属结构连接一个比其电位更负金属或合金，该金属或合金为阳极，依靠它优先溶解所释放出电流使金属结构阴极极化到所需电位而实现保护，这种方法称为牺牲阳极法阴极保护。
（二）牺牲阳极法阴极保护优点
1、不需要外部电源；
2、对邻近金属构筑物无干扰或很小；
3、电流输出虽不能控制，但有自动调整倾向，且覆盖层不易损坏。
4、调试后，可不需日常管理；
5、保护电流分布均匀，利用率高。
（三）牺牲阳极材料
1、作为牺牲阳极材料，必需满足以下条件:
1.1有足够负且稳定电位，不仅要有足够负开路电位，而且要有足够闭路电位（或称工作电位，即在电解质介质中和金属结构连接时牺牲阳极电位）。
1.2腐蚀率小，且腐蚀均匀，要含有高而稳定电流效率。
牺牲阳极电流效率是指实际电容量和理论电容量百分比，以%表示。
1.3电化学当量高，即单位重量产生电流量大。
1.4工作中阳极极化率要小，溶解均匀，产物易脱落。
1.5腐蚀产物不污染环境、无公害。
1.6材料起源广泛，加工轻易并价格低廉。
2、镁
2.1镁阳极特点是比重小、电位很负、对铁驱动加压很大，且单位发生电量大。
2.2镁作为牺牲阳极，有较快溶解速度，镁在电解质中溶液中腐蚀行为是由本身很负电位和表面上保护膜性质所决定。
2.3镁标准电极电位为-2.37V（SHE）;非平衡电极电位则随腐蚀性介质性质而变，比如：
镁在海水中电位为-1.5V（SCE），镁在土壤之中电位为1.5V至-1.6（SCE），镁在碱溶液中电位约为-0.84V（SCE）。
镁电极电位和介质PH值有亲密关系,PH值在酸性范围内，电位较负，因为生成腐蚀产物氢氧化镁在碱性介质中是难溶。
正因为镁在酸性及中性介质中电位较负和保护膜不稳定性，所以镁在酸性和中性介质中腐蚀速度较大。
而在碱性介质中，镁表面保护膜稳定，电位较正，腐蚀速度则所以而降低。
镁作为牺牲阳极使用时，和电位较正金属相接触，这时，镁产生阳极化，会引发负差异效应，即在阳极极化影响下，金属自溶大为增强。
和其它牺牲阳极相比，镁自溶倾向最大，这是镁阳极电流效北较低原因之一。
杂质及合金元素对镁腐蚀速度有很大影响，镁合金通常比镁腐蚀速度大。
镁阳极中杂质关键成份是铁、镍、铜、钴，其中尤其是铁含量，因为这些金属有较正电位，引发额外腐蚀（寄生腐蚀）而使镁阳极效率降低。
添加锰能够抑制铁影响，因为锰能够使铁在熔铸过程中沉淀出来，留在合金中铁元素会被锰包围起来，使铁不能产生阴极性杂质有害作用。
对镁阳极影响较小元素有：
镉、锰、钠、硅、锌、铝、铅、钙和银等。
用纯镁作为牺牲阳极材料，对杂质含量应有一定限制，通常应是高纯镁（含镁大于99.95%），杂质铁含量应控制在<0.002%以下。
它电位很负，机械加工性能好。
镁适适用于电阻率较高土壤和淡水中。
镁在海水中应用时易造成过保护，或发生氢脆，故而极少用于海水中。
镁在碰撞时易产生火花，所以，通常不能用于有防爆要求场所。
2、阳极种类选择
通常依据土壤电阻率选择牺牲阳极种类，依据保护电流大小和使用寿命，选择阳极规格和数量。
在土壤中牺牲阳极选择标准见表5-14。
表5-14土壤中牺牲阳极种类应用选择
土壤电阻率Ω.m
可选阳极种类
＞100
60～100
40～60
＜40
＜15
＜5（含Cl-）
带状镁阳极
镁（-1.7V）
镁
镁（-1.5V）
镁（-1.5V，锌）
锌或Al-Zn-In-Si
注：
（1）在土壤潮湿情况下，锌阳极范围可扩大到30Ω.m；
（2）表中电位均相对于Cu/饱和CuSO4参比电极。
在土壤中使用牺牲阳极形状多为棒形，其横截面有梯形和D形。
在高电阻率土壤中或一些特定场所，如套管内管道保护等则用带状牺牲阳极。
3、工艺计算
3.1单支阳极接地电阻按下列公式计算：
（5-1）
（5-2）
式中：
RH－水平式有填料阳极接地电阻（Ω）；
Rv－立式有填料阳极接地电阻（Ω）；
P－土壤电阻率（Ω.m）；
pa－填料电阻率（Ω.m）；
L－阳极长度（m）；
La－阳极填料柱长度（m）；
d－阳极等效直径，
，C为边长（m）；
D－填料柱直径（m）；
t－阳极中心至地面距离（m）。
3.2组合阳极接地电阻计算
（5－3）
式中：
R总－阳极组总接地电阻（Ω）；
N－阳极数量（支）；
K－修正系数，查图5－2。
图5-2 修正系数K
3.3阳极输出电流计算
（5-4）
式中：
Ia－阳极输出电流（A）；
Ec－阴极开路电位（V）；
Ea－阳极开路电位（V）；
ec－阴极极化电位（V）；
ea－阳极极化电位（V）；
Ra－阳极接地电阻（Ω）；
Rc－阴极过渡电阻（Ω）；
RN－回路导线电阻（Ω）；
△E－阳极有效电位差（V）；
R－回路总电阻（R）。
3.4所需阳极数量按下式计算
（5－5）
式中：
N－阳极数量（支）；
IA－所需保护电流（A）；
Ia－单支阳极输出电流（A）；
f－备用系数，取2～3倍。
3.5阳极工作寿命按下式计算
（5－6）
式中：
T－阳极工作寿命（a）；
W－阳极净重量（kg）；
ω－阳极消耗率〔kg/（A.a）〕；
I－阳极平均输出电流（A）。
也可按该公式计算W（阳极总重量），以满足阳极设计寿命。
（四）阳极安装方法
1、阳极地床
为确保牺牲极在土壤中性能稳定，在阳极四面要填充适用填充料。
牺牲阳极填充料有用袋装和现场钻孔、挖坑填装两种方法，现场钻孔填装效果即使好，但填料用量大，稍不注意，轻易将土粒等杂物带入填料中，影响填充料质量，所以这种方法使用较少。
牺牲阳极安装中大多使用袋装阳极，立即配置好填充料放在渗透性材料制袋中，包围在阳极周围（填料厚度应在各个方向均保持5-10mm），然后放置在土坑中，再用细土回填、浇水、最终填平。
2、阳极分布
2.1牺牲阳极在管道上分布可采取单支或集中成组两种方法，同组阳极宜选择同一批号或开路电位相近阳极。
2.2牺牲阳极埋设分为立式和水平式两种，埋设方向有轴向和径向。
阳极埋设位置通常距管道外壁3-5mm，最小不宜小于0.3mm，埋设深度以阳极顶部距地面大于1m为宜，对于北方地域，必需在冻土层以下。
成组埋设时，阳极间距以2-3m为宜。
2.3在地下水位低于3m干燥地带，阳极应该加深埋设，对于河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽可能埋设在河床（或湖底）安全部位，以防洪水冲刷或挖泥清淤时损坏。
2.4在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极和被保护管道之间不应有其它金属构筑物，如电缆等。
（五）测试系统
为了检验地下钢质管道保护状态及效果，还应安装测试系统。
牺牲阳极法阴极保护测试系统应能提供保护体自然电位、阳极性能、保护电位功效。
通常在相邻两组牺牲阳极管段中间部位设置一个可测量管道保护电位测试桩，桩间距以500m左右为宜。
牺牲阳极测试桩处应设有辅助片长久有效参比电极，辅助试片材质应和管道材质相同。
在这里能够测出管道保护电位和阳极工作情况，如阳极输出电流、阳极接地电阻、阳极开路电位和闭路电位，还可测量辅助试片自然电位，用来比较钢质管道保护情况。
这里需要说明是，牺牲阳极法阳极保护各项参数测试，应该在牺牲阳极埋入地下及填包料浇水10d后进行。
另外，牺牲阳极投入运行后，应定时进行监测和维护，最少每六个月一次。
待牺牲阳极抵达使用寿命时，测量保护参数异常，或保护电位不能达成阴极保护标准，则说明阳极已“牺牲”完成，应更换安装新牺牲阳极，使管道继续得到阴极保护。
（六）应用标准和规范
1、《埋地钢质管道阴极保护电参数测试方法》SY/T0023-97
2、《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-97
3、《钢质管道及储罐防腐工程设计规范》SY0007-99
4、《阴极保护管道电绝缘标准》SY/T0086-95
5、《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-96
（七）关键测试设备和工具
本工程检测和测试工作所使用关键测试设备和工具表
序号
项目
单位
数量
1
土壤电阻测试仪
台
1
2
数字万用表
台
2
3
CSE参比电极
个
4
4
数据采集器
台
2
5
IBM笔记本电脑
台
1
6
施工车辆
台
2
7
照明设备
套
4
二、该项目管道牺牲阳极保护法设计
该管道为长输管道，管径1200㎜，为配合其它防腐方法，拟采取以下牺牲阳极保护法。
牺牲阳极选择镁阳极，1km设4组，每组由4支14kg镁阳极组成，其中3组直接焊在管道上，1组经过测试桩连接，方便进行电参数测量，了解阳极使用寿命。
共埋设镁阳极188支，距管道垂直距离＞1.5m，阳极周围用填料包围以降低接地电阻及促进腐蚀产物溶解。
汇流点及中间点设测试桩47支，测试桩基础根据1支/km标准埋设，并附有1支长寿命参比电极。
在管道穿越公路、铁路等处设有套管部位实施了镁带阳极保护，以使套管内受屏蔽管道得到保护，镁带规格为19mm×9.5mm。
施工时沿螺旋焊缝方向缠绕，使保护电流尽可能地均匀。
三、施工方法
1、牺牲阳极法阴极保护施工安装程序简述以下:
袋装阳极制作→阳极床定位→阳极床开挖→阳极埋设→阳极浇水浸透饱和及各参数测试→阳极通电点处理及焊接→通电点导通测试→通电点补口防腐（补口处防腐材料和管体防腐材料是匹配）→阳极回填→标识统计。
2、牺牲阳极法施工:
2.1锌阳极安装
2.1.1牺牲阳极施工：
牺牲阳极土壤中施工，包含埋设前组装、阳极填充和埋高。
2.1.2锌阳极和阳极电缆组装
阳极和电缆之间联接采取锡焊。
在焊接点上涂覆环氧涂料，加缠电工胶布和绝缘胶带，再包覆热收缩套，并再缠胶带保护。
必需确保焊接牢靠而且绝缘性能良好。
2.1.3阳极安装前准备
在组装牺牲阳极之前，应检验阳极表面是否有油污和氧化物。
牺牲阳极表面油污和氧化物能降低阳极活性，影响阳极电流发生，所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采取砂纸将阳极表面打磨洁净。
填料包组装可在室内或现场进行，应确保阳极四面填料厚度一致、密实，各边厚度大于50mm。
填料应调拌均匀，不得混入石块、泥土、杂草等。
每支阳极需用填料约50Kg。
2.1.4阳极电缆和PCCP管连接
电缆和管道焊接能够采取铝热焊法、电焊或铜焊，不管哪种焊接手段全部要求：
焊接牢靠，焊缝均匀，焊接点电阻要求小于4×10－4Ω，焊接点强度大于焊接后铜芯电缆承载力。
焊接完成且温度降低后进行焊缝检验，合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口，补口材料采取环氧煤沥青和玻璃布。
在电位测试装置处，阳极电缆和管道测试电缆在测试桩内连接。
阳极电缆敷设时应留有足够余量，在焊点及其它连接处预留蛇形弯，预防电缆或焊点受力拽脱。
2.1.5阳极埋设
当管道安装和锌阳极埋设同时进行时，牺牲阳极埋设位置，和管道外壁距离为1.5米左右，最低不应小于0.3m。
阳极可埋设在管道侧方或侧下方,视现场具体工况条件，可选择立式或卧式埋设。
埋设深度必需在冻土层以下，通常要求和管道深度一致。
见下图。
图1阳极位置示意图
对于已安装完管道，阳极埋设可在管道中心位置，使得阳极包中心位置和管道中心位置在同一高程上，施工采取人力钻孔施工方法。
钻孔直径为Ф400，阳极包采取竖向部署。
2.1.6阳极床浇水
阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必需完全浸没填料包，且坑内积水必需保持一段时间，方便根本浸填料包。
2.1.7阳极床回填
阳极床回填时，应向阳极床内回填细土，严禁向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物。
过河管道部分镁阳极安装要求
对于已安装完管道，阳极埋设可在管道中心位置，使得阳极包中心位置和管道中心位置在同一高程上，施工采取人力钻孔施工方法。
钻孔直径为Ф400，阳极包采取竖向部署。
2.1.8阳极床浇水
阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必需完全浸没填料包，且坑内积水必需保持一段时间，方便根本浸填料包。
2.1.9阳极床回填
阳极床回填时，应向阳极床内回填细土，严禁向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物。
2.2过河管道部分镁阳极安装要求
2.2.1镁阳极和阳极电缆组装
阳极和电缆之间联接采取锡焊。
在焊接点上涂覆环氧涂料，加缠电工胶布和绝缘胶带，再包覆热收缩套，并再缠胶带保护。
必需确保焊接牢靠而且绝缘性能良好。
2.2.2阳极安装前准备
在组装牺牲阳极之前，应检验阳极表面是否有油污和氧化物。
牺牲阳极表面油污和氧化物能降低阳极活性，影响阳极电流发生，所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采取砂纸将阳极表面打磨洁净。
填料包组装可在室内或现场进行，应确保阳极四面填料厚度一致、密实，各边厚度大于50mm。
填料应调拌均匀，不得混入石块、泥土、杂草等。
每支阳极需用填料约50Kg。
2.2.3阳极埋设
牺牲阳极埋设位置，和管道外壁距离为1.5米左右，最低不应小于0.3m。
阳极可埋设在管道侧方或侧下方,视现场具体工况条件，可选择立式或卧式埋设。
埋设深度必需在冻土层以下，通常要求和管道深度一致。
2.2.4阳极床浇水
阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必需完全浸没填料包，且坑内积水必需保持一段时间，方便根本浸填料包。
2.2.5阳极床回填
阳极床回填时，应向阳极床内回填细土，严禁向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物。
2.2.6阳极电缆和钢管连接
镁阳极埋设就位后，在管道环氧煤沥青涂层上开60X60mm大小开口，将开口处理洁净，去除油漆、水、泥、油污等杂物，将阳极电缆上预制方钢片和钢管电焊连接，焊接后清除焊渣，经质检后，涂刷防腐涂料，达成和管道同级防腐等级。
阳极电缆敷设时应留有足够余量，在焊点及其它连接处预留蛇形弯，预防电缆或焊点受力拽脱。
2.3过路管道部分镁阳极安装要求
2.3.1镁阳极安装技术要求
因为套管内外腐蚀环境不一样，将过路部分钢质管道分成两部分。
套管外部镁阳极安装同过河管道部分相同。
套管内部采取串状镁阳极保护，串状镁阳极安装随钢管安装同时进行，将镁阳极钢丝铁芯直接焊接在钢管上。
焊接及补口要求同过河管道部分。
2.4电位测试桩安装
测试桩安装要求
测试桩桩体由水泥制成，地上部分高约80公分，地下部分高60公分以上。
内设阴极测试端子和参比电极测试端子。
在管底位置埋设一支二氧化锰参比电极或长久有效硫酸铜参比电极。
电位测试桩只提供保护电位数据，可按设定频率进行人工测量，以了解和掌握阴极保护效果。
2.5智能监测装置安装
智能监测桩安装要求
智能监测桩安装应按图纸要求和设备安装说明进行。
2.6预留电缆安装
2.6.1预留电缆和PCCP管连接
电缆和管道焊接能够采取铝热焊法、电焊或铜焊，不管哪种焊接手段全部要求：
焊接牢靠，焊缝均匀。
焊接完成且温度降低后进行焊缝检验，合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口，补口材料采取环氧煤沥青和玻璃布。
2.6.2预留电缆引到地表
预留电缆在完成和PCCP管连接后，垂直向上引至地表周围，电缆敷设时应留有足够余量，在焊点及其它各处打蛇形弯，预防电缆或焊点受力。
2.7标识
在管沟回填过程中和完成后，承包商应具体统计阳极预留电缆位置，并选择合理有效标识方法，确保以后能顺利找到预留电缆。
2.8阴极保护系统调运
2.8.1牺牲阳极保护参数投产测试，必需是在阳极埋入地下及填包料浇水10天后进行。
2.8.2牺牲阳极投入运行后应进行一下项目标测试
⑴点位：
阳极开路点位，阳极闭路点位，管道开路点位，管道保护点位，测试片自然点位。
⑵阳极输出电流。
⑶阳极接地电阻。
⑷埋设点土壤电阻率。
2.8.3牺牲阳极投入运行后，应定时进行监测和维护，最少每六个月一次。
2.9质量检验标准
2.9.1阳极连接电缆其埋设深度不得小于0.8m，四面应填垫素土或细砂，其上部覆盖有水泥盖板或红砖。
2.9.2部署牺牲阳极时，阳极和管道之间不应有金属结构物。
2.9.3和钢制管道相连接电缆接头，焊接点应重新进行防腐绝缘处理，采取热熔胶和补口片进行绝缘。
2.9.4阳极四面填包料应密实且厚度一致。
填包料应均匀，阳极埋地后应充足灌水，并达成饱和。
2.9.5管道必需和支撑墩台、管柱、管桥、固定墩、支座、管卡、套管或混凝土钢筋等绝缘。
2.9.6牺牲阳极应达成下列要求为合格：
工作点位达成-0.085V或更负。
2.9.7安装完成，全线检验防腐层，对防腐层破损部位进行补修，防腐施工要求要和原防腐层相同。
附：
工程报价（元/KM）
序号
材料或工程名称
规格型号
单位
数量
单价
合价
1
镁合金阳极
支
4
460
1840
2
棉布袋填包料
个
4
3
澎润土
㎏
100
2.4
240
4
工业硫酸钠
㎏
60
4.2
252
5
石膏粉
40
0.45
18
6
混凝土测试装
个
1
440
440
7
长寿命硫酸铜参比电机
只
1
220
220
8
钢管测试片
100×50
个
1
23
23
9
锌合金接地电池
Ф43×1500
组
1
180
180
10
焊具
VV-1KV1×10
套
1
60
60
11
VV-1KV1×6
套
1
40
40
12
铝焊剂
15g（VV-1×10）
套
8
36
288
13
15g（VV-1×6）
套
2
33
66
14
单芯电缆
VV-1KV1×10
米
30
25
750
15
VV-1KV1×6
米
6
19
114
16
纯棉帆布袋
Ф320×1000
个
4
25
100
17
Ф320×1800
个
1
35
35
18
防腐补口补伤
㎡
8
260
2080
19
滑动绝缘橡胶套
个
3
115
345
20
加强级绝缘接头
个
1
165
165
21
土方开挖和回填
立方
12.5
45
562.5
22
施工运输费
套
4
420
1680
23
人工费
套
4
2300
9200
24
其它材料费
套
4
230
920
27
税金
669.58
造价
20288.08
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