燃气管道强制电流阴极保护标准版.docx
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燃气管道强制电流阴极保护标准版
燃气管道强制电流阴极保护（标准版）
Technicalsafetymeansthatthepursuitoftechnologyshouldalsoincludeensuringthatpeoplemakemistakes
（安全技术）
单位：
_________________________
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_________________________
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燃气管道强制电流阴极保护（标准版）
备注：
传统安全中认为技术只要能在人不犯错误时保证人安全就达到了技术的根本要求，但更进一步的技术安全观对技术的追求还应该包括保证防止人犯错，乃至在一定范围内缓冲、包容人的错误。
管道的强制电流法阴极保护主要由外加直流电源和辅助阳极接地床构成。
基典型系统如图10-32所示。
图10-32管道的强制电流阴极保护系统
1—整流器2—连接头3—阳极电缆4—交流输入5—焦炭6—辅助阳极7—参比电极8—管道9—接电压表阴极
一、强制电流保护的设备与装置
强制电流保护的设备与附属装置，如图10-33所示。
它包括直流电源、辅助阳级、绝缘法兰、测试桩和检查片。
图10-33管道阴极保护示意
1—流电源2—整流器3—阳极4—被保护管线5—绝缘法兰6—测试桩7—检查片
（一）电源设备
阴极保护系统中，需要稳定的直流电源，能保证长期持久的供电。
阴极保护电源是阴极保护的重要设施，低电压、大电流是其特点。
一般情况下应优先考虑市电，或各类站、场稳定可靠的交流电源。
当使用农用电时，必须装有备用电源或不间断供电的专门设备。
对于无市电地区，强制电流阴极保护电源还可以选择太阳能电池、高容量蓄电池、无人管理的密闭循环发电机组等。
这些电源设备都应具备；输出电压、电流可调；可长期连续供电，可靠性高；寿命长；易于维修保养；对环境适应性强；具有过载、防雷、故障保护装置。
1.整流器的类型整流器是一种将交流电转变为直流电的装置。
它结构简单，易于安装，无转动元件，操作维护都方便。
自然空冷式整流器元件的选择取决于所需性能及周围温度和天气的影响。
目前常用的整流元件特性如表10-52所示。
表10-52整流二极管的特征
项目
单位
Se
Ge
Si
电流容量：
循环冷却
A/cm2
0.07
40
80
风冷
A/cm2
0.20
100
200
有效转换电压
V
25
110
380
最高工作温度
℃
85
65
140
整流效率
%
92
98.5
99.6
设备工作所占的相对空间
%
15
3
1
正向导通电压
V
0.4
0.2
0.7
动态电阻
mΩ·cm2
1100
4
1
硒整流器仅允许有相当低的电流，因此所需空间大，仍经常在阴极保护装置里使用是因为它经得住足够的工作温度，对过载和过压不敏感。
在交流线路里快速熔断保险丝和直流输出端的慢速熔断丝足以应付过载情况。
锗整流元件不能用于阴极保护，因为它只能制成低功率的二极管。
有时，将二极管装在杂散电流导体上以切断反向电流，但很明显，在过载时易在两个方向上导通。
硅整流元件是阴极保护整流设备中最常用的。
它具有很高的电流容量和整流电压，所需空间很小。
现行的硅二极管均为封闭式的，因此不受外界气候的影响。
但是，硅二极管对超压和过载很敏感，应在变压器和整流元件之间串入特快熔断器，并在输出端提供过载保护。
在正常的气候条件下和低环境温度下，硅整器和低效率的硒整流器一样经济。
2.恒电流式整流器杂散电流保护用整流器为磁饱和电抗器或可控硅整流器，电流排放时不受外部电阻或反向电压的支配。
带有限流或滤波的整流器有一个增大的内部阻抗，像一个恒电流稳流器。
这种整流器特别适用于强制排除覆盖层相当差的管线的杂散电流，这种管线的管一地电位通常与排出的电流成比例。
安装恒电流保护装置时，管—地电位即使出现相当小的波动，也应予以考虑。
恒电流控制的整流器有时用于敷设在正向电车轨道下面的管道的阴极保护。
一般应当将杂散电流朝自然流向排流，即最后在铁轨交叉点的两边若干千米远处实现强制电流阴极保护。
3.恒是位式整流器管一地电位，特别是良好覆盖层管线的管一地电位，在下流电电气铁道影响范围内经常波动很大。
因此，非可控保护装置的平均管一地电位，必须大幅度减少，以便杂散电流高时维持一个适当的保护电位。
过负的管一地电全不仅增加电功损耗，而且还对其他管线产生不利影响。
电化学试验长期使用恒电位法来保持电极电位的恒定。
同样，能够用磁放大器或控制整流器的闸流管来控制管线和参比电极之间的电侠。
用专门设计的参比电极作为埋地装置的控制电极。
例如自然电位比较稳定的金属铁、铜、锌或镁。
如果可能，控制电极应安装于管一地电位最不利的地方（如铁路交叉点），并靠近管道，以便在测量结果中包括的土壤电位降最小。
图10-34是磁放大恒电位控制器的基本电路。
整流器中的电压表是用以调整管线给定电位的。
实际测得的管一地电位的电压与这个参比电压相比得一电压差，此电压差通过磁饱和电抗器控制整流器变压器的输出。
如果管一地电位从参比值向正向偏移，则保护电流增加；若向负向偏移，则保护电流减少。
几个并联运行的装置的响应时间必须可调，以避免感应振荡。
当管一地电位恒定时，在铁轨电位极负时则经常产生很高的电流峰值。
因此，控制装置的整流板通常要做成能通过相当于变压器电流两倍的电流。
图10-34可控电位整流器的排流方框图
1—交流电源2—磁饱和输入3—参与电极4—磁饱和输出5—整流输出6—轨道或阳极7—管道
4．可控硅恒电位仪阴极保护过程中。
金属管道的一地是位往往因各种因素而变化。
如供电电网的电压波动、气候的变化、管道防腐层的老化变质、杂散电流的干扰、土壤含水量的变化等，均可使管道的电位发生波动。
为维持管道电位永远处于一最佳的电位范围内，就需经常调节供电电源的电位与输出电流，使管道电位恒定在一规定的范围内。
这就需要采用恒电位仪自动控制。
恒电位仪可在无人值守的情况下自动调节电流和电压，使管道阴极保护通电点电位恒定在控制电位内，达到最佳保护效果。
（1）原理可控硅恒电位仪利用可控硅整流器作电源，自动改变电解中被控制对象的电流密度，使其处于某一最佳控制电位。
其基本原理如图10-35所示。
图10-35恒电位仪的方框原理
1—参比电极2—研究电极3—辅助电极
当外界条件（介质成分、温度、湿度等）发生变化时，引起研究电极电位的偏移（即管道的电位），此偏移可由参比电极取值经与控制基准电位在比较器比较，输出一个不平衡信号给放大器，经放大后输入调整器，调节极化电流的大小，从而使研究电极恢复到所控制的电位值，做到电位恒定。
恒电位仪在室内工作，目前我国在长输管道上已实现微机管理。
全部做到自动化。
（2）恒电位仪的性能指标
给定是位连续可调：
-0．5V～一2．0V。
电位控制精度：
≤±20mV。
绝缘电阻（电源进线对地）：
>100MΩ。
输入阻抗：
≥1MΩ。
抗交流干扰能力：
≥12V。
耐电压：
≥750V（电源线对机壳）。
负载波纹系数：
单相≤5％；
三相≤8％。
（3）恒电位仪性能目前，在长输管道中所使用的KSW-D微机管理恒电位仪性能。
它能满足上述恒电位仪基本性能要求。
微机管理部分有百年日历、时钟、定时和间隔打印，正常保护打印，故障打印，恒电位仪关机打印和自动切换备用机等。
打印内容有时期、时间、输出电压U0
、输出电流I0
、控制电位C、保护电位φ、正常时间累计∑、故障时间累计∑E
、故障标志EERR
和机名。
（二）其他形式电源
在交流电缺乏的边远地区，可利用的电源种类很多，如风力发电机、太阳能电池、闭路循环蒸汽涡轮机、热电发生器、蓄电池等，它们统称为第二电源。
其中，太阳能电池和闭路循环蒸汽涡轮机可靠性较好，寿命均可达20年以上，费用也很经济。
1.硅太阳能电池太阳能电池是利用半导体器件的光电转换原理，将光能转变为电能的一种装置。
可以产生太阳能电池的半导体的材料有单晶硅、硫化镉、砷化镓等，其中，硅薄膜电池的工艺较为成熟。
地面阴极保护用的太阳能为P-N型硅太阳能电池。
电池在热平衡状态下，当光线照射在半导体换能器P-N结上时，在负载上就有电流流过，直接把光能转换成电能。
硅太阳能电池的转换效率一般为8％～12％，最高可达15%。
太阳能电池在光电转换中不发生化学反应。
本身物质不消耗，无污梁，无噪声、性能可靠，适用温度范围宽（-60～120℃），在国外应用较多。
硅太阳能电池可串联、并联组成电池组。
常称为硅太阳能电池方阵。
它适用于恶劣环境，如高温或低温、潮湿、盐雾地区。
其优点是重量轻、使用方便、可靠性高，耐冲击和震动、寿命长，但价格较贵。
图10-36是硅太阳能电池电源阴极保护结构的原理图。
2．直流发电机组直流发电机能提供无脉动的电力，其输出电压可精确调节和控制。
其低电压、大电流的输出特性更适合于作阴极保护用电源。
3．热电发生器热电发生器原理与一般热电偶相同。
它是利用两种不同金属在连接点上加热，产生温差电势、输出电流的电源装置。
提高连接点一侧的温差材料的温度，另一端由于散热片的作用，温度低，这就存在着温差电势，接上负载后就有电流输出。
常用的温差半导体材料有碲化铅等。
实际使用中，由于用一对温差材料发电功率太小，通常使用多对温差材料并联起来。
组成大功率的热电发生器。
热电发生器利用油、气管道本身输送的介质作为燃料，使温差材料发电。
因而适用于无电或经常停电的阴极保护站。
国内生产的热电发生器功率可达100W，使用寿命达2年，但价格较贵。
二、辅助阳极地床
辅助阳极是在阴极保护装置中，将保护电流从外加直流电源引入土壤中的导电体，外加电流通过辅助阳极输送到埋地的被保护金属管道的表面，金属体阴极极化。
（一）辅助阳极
强制电流用辅助阳极多选用电子型导体材料。
选用辅助阳极主要应考虑成本、电化学性能和机械性能等因素。
这些因素是相互关联的。
具
图10-36太阳能阴极保护系统
1—太阳能电池方阵2—充电控制器3—蓄电池组4—阴极保护控制装置5—连接电缆
体材料的选择不只是涉及到总费用，而且还必须考虑阴极保护系统的初期费用和被保护设备及阴极保护装置在设计寿命期间的维护、运行及更新费用。
适合作辅助阳极材料的导电体应具备以下条件：
1.具有良好的导是性能，能通过较大的电流量，极化小。
2.与土壤或地下水接触时具有稳定的接触电阻。
3.化学稳定性好，阳极本身的消耗低。
4.机械性能了，便于加工和安装。
5.来源广、价格低廉。
辅助阳极材料分为如下几大类：
稀有金属在：
以铂为主，其基材可分为钽、钛、铌等。
黑色金属类：
以废钢铁、高硅铸铁为主要代表。
铅系材料：
以铅银合金、铅铂为主要代表。
碳素材料：
以石墨为主要代表。
有色金属材料：
以铝、锌为主、也可当作辅助阳极用。
另外还有复合式阳极。
在土壤和淡水中，应用最多是废钢铁、石墨及高硅铸铁材料。
废钢铁是用于强制电流辅助阳极最早的阳极材料。
其优点是来源广，价格便宜，常使用报废的旧装置；其缺点是消耗率高，可达9～10kg/A·a。
钢铁阳极的工作电流密度不必限制，在运行时以铁的电解腐蚀为主要阳极反应，所以在电极上析出气体很少，没有“气阻”问题。
高硅铸铁材料问世于1912年，长期以来作为化学工业的耐蚀材料应用。
其主要成分为：
14％Si，0．7％Mn，0．95％C，余量为铁。
在阳极条件下工作的硅铸铁，表面生成二氧化硅膜，渗透性很好，是良好的电子导体。
但高硅铸铁耐卤素的性能很差，所以它的使用应限制在含C1-小于万分之二的环境中。
为了改善耐C1-的能力，可在高硅铸铁中添加1％～3%的铬，称之为高硅铬铁。
自1959年以来，它已广泛应用于海水或含氯化物的土壤环境中。
其典型成分为：
14．4％Si，0．7GMn，1.0%C，4.25%Cr，余量为铁。
高硅铸铁在应用中，应注意“气阻”和搬运中的脆断。
高硅铸铁阳极一般为圆柱形，可使阳极的腐蚀均匀。
它又有空心与实心之分，空心阳极的利用率比较高。
对阳极引出线有限制的原因，是为了减小接线的电阻。
因此也对引出导线的截面有16mm2的要求，以便在阴极保护进行中，使电能的消耗大部分用于被保护金属的防护。
根据规范，阳极引出线的接触电阻应小于0.01Ω，其拉脱力值应大于阳极自身重量的1．5倍。
接头应密封可靠，阳极表面应无明显的缺陷。
高硅铸铁阳极使用性能与常用规格见表10-53和表10-54。
表10-53高硅铸铁阳极使用性能
种类
允许电流密度/（A/m2
）
消耗率/（kg/A·a）
使用环境
高硅铸铁阳极
50～80
1000
22
2
75
1500
16
>1000
35
3
100
1500
16
>1000
80
石墨阳极是公认的耐蚀材料，也是微溶性材料。
尤其是耐氯性能好，因此可应用于海水和含氯化物的土壤中。
但由于它质脆。
安装不方便，在使用上颇受限制。
近年来多用树脂浸渍石墨以增强其机械性能，这种石墨称为不透性石墨。
但不透性石墨电阻较大，阳极表面电流分布不均匀，在电流集中处易断裂。
我国在地下电缆和长输管道的防护中，均使用了石墨阳极。
石墨阳极在加拿大、美国等应用较广泛。
从1927年使用起，至今已有较长的历史。
石墨阳极的石墨化程度应大于或等于81％、灰分应小于0.5%。
石墨阳极宜经亚麻油或石蜡浸渍处理。
石墨阳极的主要性能指标见表10-55，常用规格见表10-56。
石墨阳极的阳极引出线接触电阻应小于0．01Ω，拉脱力数值应大于阳极自身重量的1．5倍。
且接头应密封可靠。
表10-55石墨阳极的主要性能
密度/（g/cm3
）
电阻率/（Ω·mm2
/m）
气孔率（%）
消耗率/（kg/A·a）
允许电流密度/（A/m2
）
1.7～2.2
9.5～11.0
25～30
1000
10
2
100
1450
16
>1000
23
3
150
1450
16
>1000
51
为提高耐蚀性，可用树脂浸渍。
用亚麻油浸渍则可降低气孔，抑制可能引卢的阳极胀裂或过早失效、表面气体的析出及碳的氧化。
浸渍后的阳极寿命可延长约50％。
石墨阳极不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸盐离子较高的地方长期使用。
如厍拿大萨斯喀温省东南，20年期间已有数百个阳极地床被损坏，经过土壤分析确认，是硫酸盐的浸蚀性所致，使阳极使用的寿命仅为2～3年。
磁性氧化铁阳极是20世纪70年代发展起来的一种新型难溶性阳极材料。
主要是用磁铁矿和铁氧体经高温烧结制成磁性氧化铁粉末。
再采用专门的铸造技术，将磁性氧化铁粉末铸成中空有底的圆柱阳极。
磁性氧化铁具有消耗低、使用寿命长、受温度变化影响小的优点。
磁性氧化铁的主要成分（质量分数）是：
Fe3
O4
92％～93％（FeO约占30%，Fe2
O约占62％～63％），SiO2
4％～6％。
CaO、MgO、Al2
O3
分别占0.1%～1%。
为了在整个阳极表面得到尽量均匀的电流密度，整个内表面镀一层铜。
阳极长度约800mm，外径60mm，壁厚5～10mm。
磁性氧化铁阳极的电阻率很低，反允许通过的电流密度约20～50A/h·m2
，消耗率为0.02～0.15kg/A·a。
其机械性能与高硅铁相似，也具有硬、脆的特点。
在日本、加拿大、瑞典都有应用。
特别是适用于土壤中，也可用于海水和淡水中。
因此，被认为是今后外加电流阴极保护中最具前途的阳极材料。
常用的阳极材料特性见表10-57。
表10-57辅助阳极材料及性能
阳极材料
主要成分
消耗率/（kg/A·a）
允许电流密度（A/m2
）
高硅铸铁
Si14.5%,Dr4.5%
0.1～1.0
5～80
石墨
C
0.4～1.3
5～10
磁性氧化铁
Fe3
O4
0.003～0.008
100～1000
钢铁
Fe
9.1～1.0
上述阳极材料是在阴极保护中技术成熟、使用普遍的辅助阳极材料，在我国也广泛应用（除磁性氧化铁外）。
各国均根据本国资源及技术条件来选用阳极材料。
如在海水中金属构筑物的防护，美国过去用石墨阳极，后来用镀铂钛阳极，近年来开始采用铂钯合金阳极；英国采用镀铂钛、铅银合金，近年来在试验镀铂钽；日本则采用铅银合金和铅铂复合电极。
（二）参比电极
阴极保护中经常需要测量和控制设备的电位，使其处于保护电位之内。
要测量电位，就需要一个已知电位的相对标准的电极，将待测电位与之比较。
这种电极称为参比电极，即参比电极是一种电位恒定的基准电极。
在测量中，用这个电极的电位差来表示被测物的电位值。
参比电极除电位稳定外，还应具有易于制作、便于携带、电位精确、重复性好、测量方便、寿命较长及价格便宜的特点。
在阴极保护中常选择可逆电极来做参比。
如甘汞电极（中性介质中）、硫酸电极（土壤、中性介质）、氯化银电极（海水、氯离子稳定的中性介质中）、氧化汞电极（碱性介质）等。
以上几种电极都是电极材料和带有特种电解液组成的半电池电极。
这种电极较贵，发装易损坏，使用不方便。
还有一种固体电极，是由电极材料直接与腐蚀介质组成的半电池，常用的是金属和一些合金材料，如不锈钢、碳铜、锌、镁等。
这种固体参比电极牢固耐用，使用、安装方便，但稳定度、精确度都不如可逆电池。
使用前，要先讲行标定。
国内阴极保护多采用可逆不极化硫酸铜参比电极，用硫酸铜参比电极和恒电位仪组成自控信号源。
但由于液体硫酸铜参比电极的密封性难以保证，且需要经常添加硫酸铜溶液，冬季又容易冻结，影响了恒电位仪的连续自动控制，所以，国外也采用固体电极作恒电位仪的参比电极。
如镁电极和锌电极。
在固定环境中使用其极化值可以保证要求的精度，但使用中要有填料来保证电极电位的稳定性。
长寿命埋地型硫酸铜电极由两部分组成：
电极本身与为改善电极工作环境的填包料。
用这种导电填包料来取代便携式液体CuSO4
电极中的饱和硫酸铜溶液，克服了溶液的渗漏问题。
导电填包料主要成分为石膏粉、硫酸钠和膨润土，其作用为：
石膏粉：
微溶可塑性材料。
可在潮湿条件下长期保证SO-2
4
的浓度，改善了土壤环境的离子污染程度。
硫酸钠：
改善填料的导电能力，降低电阻率。
膨润土：
遇潮膨胀并能长期保持湿度，使电极在工作中长期和土壤结合紧密，永久维持湿润。
总之，填包料隔绝了电解液渗漏的渠道，并使电极永远处于潮湿糊状，有利于电极的工作，其效力可达10年以上。
这种参比电极已在少数输油管道进行了偿试，实际寿命还有待进一步探测。
长寿命埋地型参比电极，克服了液体便携式参比电极每1个月，甚至1个星期就要加1次液，每两年就更换1次电极的缺点。
其优点是安装后可用几年甚至10年再更换，节约人力物力，同时还使测量精度提高，降低IR降，也为阴极保护在无人地区的推广使用提供了前提。
（三）辅助阳极地床回填料
焦炭碴主要成分是碳，它是辅助阳极的理想回填料。
多孔且导电良好，用于填包高硅铸铁阳极、石墨阳极可避免“气阻”，并起到加大阳极尺寸，减小阳极拉地电阻，延长阳极寿命的作用。
回填焦炭的颗粒度是应用中的关键。
颗粒太大，则呈现大的局部接触电阻，导致不均匀的消耗；颗粒太细，对避免“气阻”不利。
有时可填加一些化合物来改善工作性能，例如加10％的熟石灰来阻止因电渗透造成的湿度损失的趋势，有时在非常干燥的条件下可使用硫酸钙。
由于使用回填焦炭把电解型导电转化为电子型导电，使得阳极消耗由阳极主体转到焦炭上，以生成CO和CO2
为主要反应，大大降低了阳极体的消耗率。
当完全氧化反应时，其焦炭的消耗为1．0kg/A·a，而实际的消耗率只有0．25kg/A·a，这主要取决于环境条件。
典型的焦炭回填料见表10-58中。
表10-58焦炭回填料特性
颗粒度（过筛）
25mm
占8%
电阻率
50Ω·cm
-
20～25mm
占34%
化学成分
碳
>85%
16～20mm
占39%
水分
<5%
10～16mm
占17%
挥发性物质
<1%
10mm
占2%
灰分
<8%
密度
约580kg/m3
-
硫
<1%
截面为300mm×300mm的阳极地床的回填料参考用量为50kg/m。
目前在土壤中的水平式地床可采用连续性焦炭渣回填。
在回填焦中每隔1．5～2倍的阳极长度间隔放置阳极，这样不但防止了阳极体的端部效应，还可使阳极成为一字形连续大阳极，大大提高阳极的利用率。
图10-37为阳极材料的消耗率。
图10-37阳极材料的消耗率
阳极埋地电阻如无焦炭填料，则投入使用后其电阻值会迅速增加，埋在焦炭填料中的阳极则可保持多年无变化。
如图10-38所示。
（四）地床结构及其特点
强制电流阴极保护的辅助阳极地床可分为浅埋和深埋两大类，其方式有立式和水平式两种。
目前国内常用浅埋立式阳极，其结构如图10-39所示。
这种阳极地床的特点是：
安装容易，费用低；阳极埋设深度处的土壤湿度变化小，不受地下水的影响；阳极可适当加深埋入理想湿度的环境中；不会受冻土层的影响；填料易夯实，利于气体的排放；阳极问隔相等，彼此干扰小，因此利用系数高。
图10-38有焦炭和没有焦炭回填的立式单支阳极的接地电阻
立工阳极优点很多，但有些场合不宜采用。
如在薄的岩石层结构地方和深层土壤电阻率较高的地方，砂质土壤的河滩地及地下水位较高不易开挖的地方和沼泽地区，都不宜用立式阳极装置，需选用水平式阳极地床，其典型结构如图10-40所示。
与立式阳极相比，平式阳极地床有如下特点；开挖土方量相对小，维修较方便，阳极可通过回填料首尾相接，构成一根长串式连续性的大阳极。
有些场合，由于地理环境、地表土壤电阻率的限制，不宜浅埋地床，而需采用深埋工阳极，如立式深井阳极。
这种阳极用于人口稠密地区更好，既可少占地，又可在某种程度上减少对邻近其他设施的阳极干扰。
深井阳极可由单根阳极或多根阳极串联而成，图10-41为一种典型的深井地床。
图10-39立式阳极地床构造示意图
（五）地床位置的选择
地床位置的选择主要考虑
图10-40水平式阳极地床构造示意图
1.地床相对管道的距离一般取300～500m为宜。
覆盖层质量良好或受环境影响，亦可取60～100m。
2．电能的利用率尽可能靠近已有的电源，最大程度利用电能。
3．土壤电阻率尽量选在土壤电阻率低的地方，以降低阳极接地电阻，减少阳极支数，相应降低阳极的运行费用。
4．土壤湿度土壤湿度大，有利于阳极工作
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