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阴极保护的基本知识

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阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。

阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。

美国腐蚀工程师协会（NACE）对阴极保护的定义是：

通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。

牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属,如铝、锌或镁。

阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。

外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。

该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构。

保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。

实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），也就是说，当金属处于比-0.85V（CSE）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。

　　阴极保护是一种控制钢质储罐和管道腐蚀的有效方法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长储罐和管道的使用寿命。

根据美国一家阴极保护工程公司提供的资料，从经济上考虑，阴极保护是钢质储罐防腐蚀的最经济的手段之一。

网状阳极阴极保护方法

网状阳极阴极保护方法是目前国际上流行且成熟的针对新建储罐罐底外壁的一种有效的阴极保护新方法，在国际和国内都得到了广泛应用。

网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连接片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极。

阳极网预铺设在储罐基础中，为储罐底板提供保护电流。

　　网状阳极保护系统较其它阴极保护方法具有如下优点：

1）电流分布均匀，输出可调，保证储罐充分保护。

2）基本不产生杂散电流，不会对其它结构造成腐蚀干扰。

3）不需回填料，安装简单，质量容易保证。

4）储罐与管道之间不需要绝缘，不需对电气以及防雷接地系统作任何改造。

5）不易受今后工程施工的损坏，使用寿命长。

6）埋设深度浅，尤其适宜回填层比较薄的建在岩石上的储罐。

7）性价比高，造价仅为目前镁带牺牲阳极的1倍；虽然长期由恒电位仪提供电流，但其可靠性，寿命和综合经济效益远高于牺牲阳极；

深井阳极阴极保护

深井阳极阴极保护是近年来兴起的一种阴极保护方法，采用的阳极与浅埋基本相同，但施工较浅埋阳极复杂得多，且一次性投资比较高，调试比较麻烦。

现场是否适合采用深井保护还需考虑当地的地质情况、地层结构以及周围金属构筑物的分布情况。

但从其保护效果及投资来说，推荐在需要对整个大型罐区和埋地管网进行保护时采用。

深井阳极也可用于保护长输管道，但由于现场施工复杂等原因，一般很少采用。

柔性阳极产品

柔性阳极亦称缆形阳极，是一种新型阳极，早期主要是为解决覆盖层老化的老龄管道的阴极保护问题而研制开发，目前已广泛应用于新建和已建管道及储罐的保护。

该阳极的基本结构为铜芯外面包裹导电聚合物及耐酸碱编织层，然后经过特殊的工艺处理，使之具有耐热、抗老化的性能，在允许在工作电流范围内，其工作寿命预期可达40年以上。

这种结构，铜芯确保了纵向低电阻，可以把电流传到很远；而且导电聚合物确保了横向有一较高电阻接地，使铜芯中的电流只能慢慢地“滴入”地中。

柔性阳极产品和常规辅助阳极相比，柔性阳极在下列领域具有优越性：

①覆盖层老化的旧管道；

②错综复杂的管网；

③储罐罐底外壁；

④长距离、小间距平行的管道；

⑤高电阻率环境。

埋地钢结构防腐蚀技术

埋地钢结构防腐蚀技术

埋地金属构筑物的种类繁多，包括输送各种流体的金属管道、管网，也包括各种各样的金属储罐，以及各种避雷接地装置（网）等等。

这些金属构筑物直接或通过防腐层间接与土壤接触。

土壤是由固态、液态、气态三相物质所组成的复杂的混合体系，它的结构、成分以及其它环境因素的相互作用，使得土壤腐蚀性比其他介质更为复杂。

土壤酸碱性、细菌类型及含量、无机盐离子类型及含量、杂散电流大小及方向等是影响其腐蚀性能的重要因素，有时土壤的这种腐蚀是很严重的。

总体上讲，土壤腐蚀会不同程度降低金属构筑物的使用寿命。

而且，由于不同条件下金属构筑物会发生不均匀腐蚀，对管道而言会造成局部穿孔，更是大大影响了整条管道的使用寿命。

因此对埋地金属构筑物进行有效的保护是十分必要的，现有解决方案一般采用外涂层与阴极保护联合使用的方法。

阴极保护分为牺牲阳极保护和强制电流保护两种方法，以下对两种方法分别进行介绍。

1．牺牲阳极法

将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属和合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体极化以降低速率的方法。

在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极。

通常用作牺牲阳极的材料有镁和镁合金、锌合金、铝合金等。

镁阳极适用于淡水和土壤电阻率较高的土壤中，锌阳极大多用于土壤电阻率较低的土壤和海水中，铝阳极主要应用在海水、海泥以及原油储罐污水介质中。

牺牲阳极保护法的主要特点是：

（1）适用范围广，尤其是中短距离和复杂的管网

（2）阳极输出电流小，发生阴极剥离的可能性小

（3）随管道安装一起施工时，工程量较小

（4）运行期间，维护工作简单。

（5）阳极输出电流不能调节，可控性较小。

2.强制电流保护法

将被保护金属与外加电流负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。

外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地电池中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子的氧化反应，使腐蚀受到抑制。

强制电流保护法的主要设备有，恒电位仪、辅助阳极、参比电极。

强制电流保护法的主要特点是：

（1）适用于长输管线和区域性管网的保护

（2）输出电流大，一次性投资相对较小

（3）安装工程量较小，可对旧管道补加阴极保护

（4）运行期间需要专业人员维护

（5）容易实现远程自动化监控

3.强制电流阴极保护系统组成

*阳极地床

阳极地床一般分为浅埋阳极地床和深井阳极地床两种。

*阴极保护控制系统

阴极保护的控制系统由恒电位仪、控制箱、阳极地床、阴极通电点组成*阳极地床通过汇流电缆与恒电位仪阳极接点相连。

阴极通电点设置两根阴极电缆和两支电位控制用长寿命固体硫酸铜参比电极。

*阴极保护检测系统

阴极保护检测系统由恒电位仪和管线测试桩组成，恒电位仪可以自动测量通电点的电位、恒电位仪的工作电位和输出电流；管线测试桩可检测管道的保护电位和牺牲阳极的工作电位、输出电流、开路电位。

*阴极保护排流系统

杂散电流干扰强烈的地区的管道应采取排流保护。

在长输管道与高压输电线路平行段或者与电气化铁路交叉平行段必须根据杂散电流影响的大小设置排流阳极组。

*临时保护系统

按照阴极保护设计规范的要求，如果管道的施工期超过6个月，此管道应该设置临时阴极保护系统，来避免外加电流阴极保护系统投用前管道受到土壤的腐蚀。

*阴极保护绝缘与电连接系统

为保障阴极保护电流不泄漏到非保护的金属部分，在长输管道两端设置绝缘接头。

*套管中管道的阴极保护

当管道穿越公路、铁路时，需要加钢质套管。

为了保证套管中管道在设计寿命年限之内不受腐蚀，必须采用镯式锌阳或锌带极进行阴极保护。

牺牲阳极

在腐蚀介质中，当牺牲阳极与保护体形成电性连接后，靠阳极自身的溶解提供阴极保护电流，作为牺牲阳极的材料一般具备以下几个条件：

1．具有足够负的电位，且很稳定。

2．工作中阳极极化率小，溶解均匀，产物可自动脱落。

3．有较高的电流效率。

4．电化学当量高。

5．腐蚀产物无毒，不污染环境。

6．价格便宜，来源方便。

目前较常用的牺牲阳极材料有锌基、铝基和镁基合金阳极，其材料成分和电化学性能不同，应用环境也有所不同。

外加电流阴极保护产品

外加电流阴极保护产品

外加电流阴极保护法，是通过外加电源来提供所需的保护电流。

将被保护的金属作阴极，选用特定材料作为辅助阳极，从而使被保护金属受到保护的方法。

外加电流阴极保护系统由如下几部分组成：

①直流电源，②辅助阳极，③参比电极。

此外，为使阳极输出的保护电流更均匀，避免阳极附近结构物产生过保护，有时在阳极周围还须涂刷阳极屏蔽层。

为使船舶的轴及推进器等转动结构获得良好的保护，应加装轴接地装置。

直流电源

在外加电流阴极保护系统中，需要有一个稳定的直流电源，以提供保护电流。

目前，广泛使用的有整流器和恒电位仪两种。

一般，当被保护的结构物所处的工况条件（如浸水面积、水质等）基本不变或变化很小时，可以采用手动控制的整流器；但当结构物所处的工况条件经常变化时，则应采用自动控制的恒电位仪，以使结构物电位总处在最佳保护范围内。

在工程中广泛使用的恒电位仪主要有三类：

可控硅恒电位仪、磁饱和恒电位仪和晶体管恒电位仪。

可控硅恒电位仪功率较大、体积较小，但过载能力不强。

磁饱和恒电位仪紧固耐用，过载能力强，但体积比较大，加工工艺也比较复杂。

晶体管恒电位仪输出平稳、无噪声、控制精度较高，但线路较复杂。

辅助阳极

辅助阳极的作用是将直流电源输出的直流电流由介质传递到被保护的金属结构上。

可作辅助阳极的材料有很多，如废钢铁、石墨、铅银合金、高硅铸铁、镀铂钛、包铂铌以及混合金属氧化物电极等。

这些材料各有其特点，适用于不同的场合。

我所在辅助阳极材料研究与开发方面做了很多工作，开发的铂铌阳极等具有体积小、排流量大、使用寿命长、工作稳定可靠等优点。

已广泛应用于船舶、钢桩码头、循环水泵、冷凝器及海水管道的保护中。

参比电极

参比电极的作用有两个：

一方面用于测量被保护结构物的电位，监测保护效果；另一方面，为自动控制的恒电位仪提供控制信号，以调节输出电流，使结构物总处于良好的保护状态。

在工程中，常用的参比电极有铜/饱和硫酸铜、银/卤化银及锌参比电极等，这些参比电极各具特点，适用于不同的场合。

我所研制的埋地管线阴极保护用长寿命铜/硫酸铜参比电极，因具有性能稳定可靠、使用寿命长等优点，而被广泛使用。

为保证外加电流系统的控制和检测，我所研制了海水Ag/AgCl和高纯锌复合参比电极。

城市埋地煤气管道的阴极保护方法

埋在土壤中的金属管道由于各种原因管道表面将出现阳极区和阴极区，并在阳极区发生局部腐蚀。

阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的。

使用阴极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，以降低阴极保护的费用。

阴极保护技术根据保护电流的供给方式，可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。

采用牺牲阳极法的主要优点有：

无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其他建构筑物、保护电流利用率高等，因此特别适合于城市范围内的埋地钢管腐蚀。

而我公司输配管网绝大部分均埋设在市区范围，因此我公司予以推荐。

另方面，强制电流法则有：

保护范围大、适合范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点，故适合用于长输管线或市郊管线的防腐。

如应用于市区范围内时，则由于其会产生干扰电流而影响其他管线及建筑物，且还需要征地或占用建筑物，因此在实施时会带来较大的困难。

因此，城市埋地煤气管道防腐的阴极保护宜用牺牲阳极法。

当条件许可时，也可采用强制流保护法。

目前，在我公司城市燃气输配管网中，已全面采用牺牲阳极法来进行管道防腐。

广州埋地燃气管道阴极保护的设计与施工

3.1牺牲阳极选用及布点的技术要求

（1）电防护法在选用时应符合以下要求

a）锌阳极不得使用在土壤电阻率＞20O•m的场合；

b）镁阳极不宜使用在土壤电阻车＞100Ω•m的场合；

c）外加电流阴极保护法在选用时不受土壤电阻率的限制。

（2）采用牺牲阳极法时，选用阳极的保护效果应符合以下要求：

a）对地电位应达到-0.85V或更负；

b）通电时，阴极电位较自然电位向负方向变化值应大于300mV；

c）当土壤或水中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根含量大于0.5％时，通电后，对地电位应达到-0.95V或更负。

（3）在牺牲阳极法中的镁阳极选用时，必需按照表1来进行选取。

（4）牺牲阳极在埋设时，与保护的燃气管道的距离不宜小于0.3m，也不宜大于7m，埋设深度不宜小于1m，且直埋设在潮湿的土壤中。

埋设形式可采用立式或卧式。

在阳极与保护管道之间，严禁设置其他金属构筑物。

（5）牺牲阳极检测桩、检测头在设置时应符合下列要求：

a）检测桩、检测头宜设置在燃气主干管沿线；

b）宜每5组牺牲阳极或至少1Km设置1个检测桩；

c）检测桩应设置在牺牲阳极附近，且宜安装在管道沿线中土壤腐蚀性强、湿度大、地下水位高或管道绝缘防腐层薄弱的地点；

d）宜每在每个检测桩附近设置1个检测头。

（6）设置检查桩和检测头的目的：

检测桩是为了监测牺牲阳极装置的保护电位。

检测头是为了检测、掌握阴极保护系统运行后管道被保护状态而设置。

3.2牺牲阳极的施工要求

a）阳极的埋设：

按比例配制、调匀好填料，装入φ300×1000的棉或麻布袋中，将经过用铁砂纸打光及表面清洁处理的阳极及时插人填料中心位置，并压实；包外用铁线缠绕绑实平卧或竖直埋设在管道侧边的2-3M处，埋深应与管道埋深相同，并要在冰冻线以下，用细原土掺盐分层浇水湿润后回填混凝土。

b）所有的电缆与阳极、铜鼻子、管道、加强板的连接采用锡焊（分线盒内的连接除外），焊接前都要剥去防腐绝缘层，清洁、打光焊接处；在焊接处及电缆的外裸部位必须做好绝缘防腐处理；电缆加PVC保护套管松缓自然埋设，埋深与管道埋深相同。

C）在防护罩内的电缆要有个0.8M的冗余长度（电缆冗余部分不加PVC保护套管），以便将分线盒提出地面检测参数；分线盒的两个出人线孔用浸过沥青的麻丝填实，再用沥青填平做防水处理。

d）连接管道的电缆颜色应与其它电缆颜色区分开，以便辩认检测。

e）分线盒在施工安装、检测完毕后，分线盒盖子须拧紧防水。

f）阳极的埋设点必须做永久性标志，并填入"投产保护参数测量表"中，永久性标志可以包括周围建筑物。

深井阳极的埋藏

深井阳极是深度在15米以下的竖直阳极。

主要用作地表空间狭小或地表土壤电阻率高的场合下的阴极保护系统阳极。

采用深井阳极的优点之一是阳极距离被保护结构有一定距离，使保护电流的分布更加均匀，另外，也会减小对其他埋地金属结构的腐蚀干扰。

为了便于阳极的安装，保证工程质量，近年发展的贵金属氧化物阳极串得到了广泛应用。

本文将对阳极串深井阳极的设计、选材、安装进行介绍。

1.阳极串及电缆：

阳极串是将几支贵金属氧化物筒状阳极固定在一根阳极电缆上，贵金属氧化物阳极具有不消耗、电流输出大、体积小、重量轻的优点。

与之相对应的阳极电缆应耐侵蚀。

阳极工作时，阳极反应会产生氯气并使阳极电缆处于酸性介质中。

因此，阳极电缆的绝缘层要能够抵抗氯气的侵蚀。

经常采用的阳极电缆绝缘层为PVDF/HMWPE。

截面积一般是8–10mm2。

2.土壤电阻率

土壤电阻率在深井阳极设计中有很大的影响，它决定阳极的用量、阳极井的直径以及深度、电源设备的功率等。

一般将阳极位置选在土壤电阻率低、土质均匀的地点。

电阻率有两种方式获得，一是现场测试，二是利用现有的阴极保护系统进行估算。

阳极的接地电阻一般占系统电阻的85%。

如果附近的阴极保护设施输出电压40V，电流20A，则该系统的电阻为2欧姆。

阳极的接地电阻为2x0.85=1.7ohm。

据此，可根据相应阳极地床的电阻公式计算出土壤的电阻率。

阳极接地电阻将直接影响系统的运营成本，一般来讲，接地电阻不大于0.5欧姆。

3.阳极井的尺寸

影响阳极接地电阻的主要因素是阳极井深度。

考虑阳极井的直径时，应充分考虑到排气管（25mm）、阳极以及电缆将占据相当的空间。

因此，阳极井的直径一般不小于200mm。

直径小于200mm时，应对阳极的安装进行严格控制，输出电流大时，应增大阳极井直径。

4.回填料的电流密度

阳极井的尺寸不是随意确定的，它将受到一系列因素的影响。

其中之一是填料与土壤接触面上的电流密度。

经验表明，对于回填料的电流密度要进行限制，其原因如下：

1.阳极与土壤之间必须保持一定的湿度，由于电渗透效应，阴极保护电流试图将水分蒸干，其程度取决于土壤类型以及电流密度。

2.阳极反应消耗水分并产生气体，气体的积聚或阳极表面的干燥都会增大阳极的接地电阻。

气体的产生量直接与电流密度有关。

3.在特殊情况下，阳极与土壤接触面的温度会升高，这也会加快水分的蒸发速度，而温度又和电流密度、土壤导热性以及阳极尺寸有关。

4.建议回填料电流密度按下表选取：

土壤类型回填料电流密度（mA/m2）

非常干燥1.08

干燥1.61

半干（在水位线以上）2.15

潮湿（处于地下水位以下）3.22

开放式阳极井4.95

填料电流密度确定后，就可以确定阳极长度了。

阳极长度只能大于计算值。

1.回填料的选择

使用填料的目的是减小阳极接地电阻、由于阳极反应转移到填料上，减小阳极的消耗、减少气阻、保持阳极井的形状。

因此，填料应具有低电阻率、小粒径以及高密度是很重要的。

回填料分为两类，即，石油焦碳以及冶金焦碳。

建议采用石油焦碳，它是高温烧制成的，具有良好的导电性和均匀性。

建议将焦碳回填料用泵从阳极井底部打入井中。

回填料的指标：

电阻率10ohm.cmmax

粒径通过200–20号筛

含碳量90%min

密度1120kg/m3

采用低电阻率填料将减少阳极用量，在同一地质条件以及阳极井尺寸情况下，填料电阻率低，阳极间距增大，填料电阻率高，阳极间距减小。

尽管厂家声称的填料电阻率会很低，但考虑到实际安装阳极时，阳极的密实程度、水含量等不确定因素，设计时，填料电阻率最小取2.0ohm.cm。

填料颗粒最好是球形，这种形状易于回填和压实。

另外，为了补充阳极工作时对填料的消耗，填料长度一般要低于最下面的阳极3米，高于最上面的阳极3米。

2.排气管

采用排气管的目的除了排除气体，减小气阻外，它还可以用来散发热量、回注水。

安装阳极时，可以利用排气管辅助阳极安装。

排气管上的小孔或狭缝要小于填料粒径以防止被填料或淤泥堵塞。

推荐排气管直径为25mm，填料柱以上的排气管没有钻孔或狭缝。

3.定位器

使用定位器的目的是保证阳极处于填料的中心部位。

填料密实以及阳极工作后，定位器将很快腐蚀掉。

一般一根阳极安装两个定位器。

4.阳极串配重

为了使阳极串顺利的下降到阳极井的底部，在阳极串底部要连接一个重物，通常是混凝土重块，重量在5--7公斤之间。

将此重物用塑料绳与阳极串底部连接，距离底部阳极下端3米。

当采用复式阳极电缆时，重块与阳极电缆折弯处连接，距离底部阳极下端3--4米。

5.套管

套管不仅为阳极井提供支撑作用，方便阳极串安装，同时可以限制阴极保护电流从近地表释放。

套管的长度、材质、高出地表的距离都取决于阳极井类型以及土质条件。

6.不导电填料

采用不导电填料的目的是减小阴极保护电流在近地表处释放。

通常用砾石、粗砂回填阳极柱上方的阳极井。

7.电源设备

计算出阳极的接地电阻后，就可以根据保护电流确定整流器的功率。

需要注意的是阳极接地电阻一般只占整个阴极保护系统电阻的85%。

处于焦碳回填料中的阳极具有2伏的反电动势。

选取设备容量时，还要予留15%的裕量。

当几个阳极井共用一台整流设备时，要经过可调电阻将阳极电缆与设备连接。

8.阳极的安装

1.安装套管：

打完阳极井后，首先安装6米的塑料套管。

该套管位于阳极井顶部，其直径要比阳极井大5--6厘米。

建议将此套管留在阳极井中。

2.井下试验：

建议进行阳极井沿深度方向的电阻测试，以确定最佳阳极安放位置，从而减小接地电阻。

测量时，将阳极井充满水，测量辅助阳极与被保护结构之间的电阻。

3.阳极井清理：

用清水将泥浆置换出。

4.安装阳极：

将排气管平放在地面上，将其底部封住。

将阳极串靠近排气管平放，排气管的下端部超出底部阳极下端0.5米。

5.用塑料绳将配重块连接到最下部的阳极，距离阳极下端部3米。

对于复式电缆的阳极串，配重块连接到电缆上，距离底部阳极下端3.5米。

6.将阳极串、排气管、电缆固定在一起。

此时，在阳极上安装定位器。

阳极电缆每隔2米用胶带与排气管固定一次。

固定阳极时，阳极距离排气管的距离为5--7厘米。

7.将填料注入管下放到阳极井底部，或在安放阳极串的同时下放注料管。

下放阳极串/排气管。

阳极串定位后，迅速固定好阳极电缆。

8.用泵将填料打入阳极井，此操作一旦开始，中途将不能停止，直到填料填充完毕。

从阳极井的底部注入填料，将避免产生孔隙、填压不实等问题出现。

用粗砂或砾石将填料上部的空间填满。

9.高出地表的套管要加盖帽，盖帽下面的套管部分要钻出很多直径6.35mm的小孔，以利于气体排放。

10.排气管上端要加盖滤帽，防止昆虫进入。