长输管道牺牲阳极法阴极保护方案.docx
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长输管道牺牲阳极法阴极保护方案
长输管道牺牲阳极法阴极保护方案
阴极保护方案
项目名称：
建设单位：
施工单位：
编制日期：
2010年10月4日
一、概述
（一）原理
将被保护的金属结构连接一种比其电位更负的金属或合金，该金属或合金为阳极，依靠它的优先溶解所释放出的电流使金属结构阴极极化到所需的电位而实现保护，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的优点
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，但有自动调节倾向，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，必须满足以下条件:
1.1有足够负且稳定的电位，不仅要有足够负的开路电位，而且要有足够的闭路电位（或称工作电位，即在电解质介质中与金属结构连接时牺牲阳极的电位）。
1.2腐蚀率小，且腐蚀均匀，要具有高而稳定的电流效率。
牺牲阳极的电流效率是指实际电容量与理论电容量的百分比，以%表示。
1.3电化学当量高，即单位重量产生的电流量大。
1.4工作中阳极的极化率要小，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材料来源广泛，加工容易并价格低廉。
2、镁
2.1镁阳极的特点是比重小、电位很负、对铁的驱动加压很大，且单位发生的电量大。
2.2镁作为牺牲阳极，有较快的溶解速度，镁在电解质中溶液中的腐蚀行为是由本身很负的电位和表面上保护膜的性质所决定。
2.3镁的标准电极电位为-2.37V（SHE）;非平衡电极电位则随腐蚀性介质的性质而变，例如：
镁在海水中的电位为-1.5V（SCE），镁在土壤之中的电位为1.5V至-1.6（SCE），镁在碱溶液中的电位约为-0.84V（SCE）。
镁的电极电位与介质的PH值有密切关系,PH值在酸性范围内，电位较负，因为生成的腐蚀产物氢氧化镁在碱性介质中是难溶的。
正因为镁在酸性及中性介质中的电位较负和保护膜的不稳定性，所以镁在酸性和中性介质中的腐蚀速度较大。
而在碱性介质中，镁的表面保护膜稳定，电位较正，腐蚀速度则因此而降低。
镁作为牺牲阳极使用时，与电位较正的金属相接触，这时，镁产生阳极化，会引起负的差异效应，即在阳极极化的影响下，金属的自溶大为增强。
与其他牺牲阳极相比，镁的自溶倾向最大，这是镁阳极的电流效北较低的原因之一。
杂质及合金元素对镁的腐蚀速度有很大的影响，镁合金通常比镁的腐蚀速度大。
镁阳极中的杂质主要成分是铁、镍、铜、钴，其中特别是铁的含量，由于这些金属有较正的电位，引起额外的腐蚀（寄生腐蚀）而使镁的阳极效率降低。
添加锰可以抑制铁的影响，因为锰可以使铁在熔铸过程中沉淀出来，留在合金中的铁元素会被锰包围起来，使铁不能产生阴极性杂质的有害作用。
对镁阳极影响较小的元素有：
镉、锰、钠、硅、锌、铝、铅、钙和银等。
用纯镁作为牺牲阳极材料，对杂质的含量应有一定的限制，通常应是高纯镁（含镁大于99.95%），杂质铁的含量应控制在<0.002%以下。
它的电位很负，机械加工性能好。
镁适用于电阻率较高的土壤和淡水中。
镁在海水中应用时易造成过保护，或发生氢脆，故而很少用于海水中。
镁在碰撞时易产生火花，因而，一般不能用于有防爆要求的场合。
2、阳极种类的选择
通常根据土壤电阻率选择牺牲阳极的种类，根据保护电流的大小和使用寿命，选取阳极的规格和数量。
在土壤中牺牲阳极选择的原则见表5-14。
表5-14土壤中牺牲阳极种类的应用选择
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的形状多为棒形，其横截面有梯形和D形。
在高电阻率的土壤中或某些特定场合，如套管内管道的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－阳极中心至地面的距离（m）。
3.2组合阳极接地电阻的计算
（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阳极输出电流的计算
（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），以满足阳极的设计寿命。
（四）阳极安装方式
1、阳极地床
为保证牺牲极在土壤中性能稳定，在阳极四周要填充适用的填充料。
牺牲阳极填充料有用袋装和现场钻孔、挖坑填装两种方法，现场钻孔填装效果虽然好，但填料用量大，稍不注意，容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，即将配置好的填充料放在渗透性材料制的袋中，包围在阳极周围（填料的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、最后填平。
2、阳极分布
2.1牺牲阳极在管道上的分布可采用单支或集中成组两种方法，同组阳极宜选用同一批号或开路电位相近的阳极。
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。
阳极埋设位置一般距管道外壁3-5mm，最小不宜小于0.3mm，埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m为宜，对于北方地区，必须在冻土层以下。
成组埋设时，阳极间距以2-3m为宜。
2.3在地下水位低于3m的干燥地带，阳极应当加深埋设，对于河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽可能埋设在河床（或湖底）的安全部位，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的管道之间不应有其他金属构筑物，如电缆等。
（五）测试系统
为了检查地下钢质管道的保护状态及效果，还应安装测试系统。
牺牲阳极法阴极保护的测试系统应能提供保护体的自然电位、阳极性能、保护电位的功能。
通常在相邻两组牺牲阳极管段的中间部位设置一个可测量管道保护电位的测试桩，桩的间距以500m左右为宜。
牺牲阳极测试桩处应设有辅助片长效参比电极，辅助试片的材质应与管道材质相同。
在这里可以测出管道的保护电位和阳极工作状况，如阳极的输出电流、阳极的接地电阻、阳极的开路电位和闭路电位，还可测量辅助试片的自然电位，用来比较钢质管道的保护情况。
这里需要说明的是，牺牲阳极法阳极保护的各项参数的测试，应当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，应定期进行监测和维护，至少每半年一次。
待牺牲阳极到达使用寿命时，测量的保护参数异常，或保护电位不能达到阴极保护标准，则说明阳极已“牺牲”完毕，应更换安装新的牺牲阳极，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、《阴极保护管道的电绝缘标准》SY/T0086-95
5、《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-96
（七）主要测试设备和工具
本工程检测和测试工作所使用的主要测试设备和工具表
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的设计
该管道为长输管道，管径1200㎜，为配合其它防腐措施，拟采用如下牺牲阳极保护法。
牺牲阳极选用镁阳极，1km设4组，每组由4支14kg的镁阳极组成，其中3组直接焊在管道上，1组通过测试桩连接，以便进行电参数测量，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，阳极周边用填料包围以减少接地电阻及促进腐蚀产物的溶解。
汇流点及中间点设测试桩47支，测试桩基本按照1支/km的原则埋设，并附有1支长寿命参比电极。
在管道穿越公路、铁路等处设有套管的部位实施了镁带阳极保护，以使套管内受屏蔽的管道得到保护，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如下:
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（补口处防腐材料与管体防腐材料是匹配的）→阳极回填→标记记录。
2、牺牲阳极法的施工:
2.1锌阳极安装
2.1.1牺牲阳极的施工：
牺牲阳极土壤中的施工，包括埋设前的组装、阳极的填充和埋高。
2.1.2锌阳极与阳极电缆的组装
阳极与电缆之间的联接采用锡焊。
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。
必须保证焊接牢固并且绝缘性能良好。
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。
牺牲阳极表面的油污和氧化物能降低阳极的活性，影响阳极电流的发生，所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采用砂纸将阳极表面打磨干净。
填料包的组装可在室内或现场进行，应保证阳极四周的填料厚度一致、密实，各边厚度不小于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阳极电缆与PCCP管的连接
电缆与管道的焊接可以采用铝热焊法、电焊或铜焊，无论哪种焊接手段都要求：
焊接牢固，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的承载力。
焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口，补口材料采用环氧煤沥青和玻璃布。
在电位测试装置处，阳极电缆与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，在焊点及其他连接处预留蛇形弯，防止电缆或焊点受力拽脱。
2.1.5阳极埋设
当管道的安装与锌阳极埋设同步进行时，牺牲阳极的埋设位置，与管道外壁距离为1.5米左右，最低不应小于0.3m。
阳极可埋设在管道的侧方或侧下方,视现场具体工况条件，可选择立式或卧式埋设。
埋设深度必须在冻土层以下，一般要求与管道深度一致。
见下图。
图1阳极位置示意图
对于已安装完的管道，阳极埋设可在管道中心位置，使得阳极包的中心位置与管道中心位置在同一高程上，施工采用人力钻孔的施工方法。
钻孔直径为Ф400，阳极包采用竖向布置。
2.1.6阳极床浇水
阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水，坑内水位必须完全浸没填料包，且坑内积水
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