燃气管道牺牲阳极保护.docx
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燃气管道牺牲阳极保护
燃气管道牺牲阳极保护
牺牲阳极法是最早应用的电化学保护法。
它简单易行，又不干扰邻近的设施。
牺牲阳极还是抗干扰腐蚀的一种手段，可用来排流、防雷及防静电接地。
与强制电流保护法相比，牺牲阳极法具有独特的优点和功能，因而同样受到人们的重视。
近年来，牺牲阳极技术在我国得到了推广和发展。
在生产上也向标准化、系列化方向发展。
并在油、气管道、海船及海上结构物的防护上得到了成功的应用。
一、牺牲阳极保护原理
根据电化学原理，把不同电极电位的两种金属置于电解质体系内，当有导线连接时就有电流流动，这时，电极电位较负的金属为阳极、利用两金属的电极电位差作阴极保护的电流源。
这就是牺牲阳极法的基本原理。
见图10-54。
二、牺牲阳极材料
由于牺牲阳极法是通过阳极自身的消耗，给被保护金属体提供保护电流。
因此，对牺牲阳极材料就产生了性能要求。
图10-54牺牲阳极装配示意图
1．要有足够负的电位，在长期放电过程中很少极化。
2．腐蚀产物应不粘附于阳极表面，疏松易脱落，不可形成高电阻硬壳，且无污染。
3．自腐蚀小，电流效率高。
4．单位重量发生的电流量大，且输出电流均匀。
5．有较好的力学性能，价格便宜，来源广。
常用的牺牲阳极有镁及镁合金、锌及锌合金以及铝合金三大类。
它们的电化学性能见表10-59。
牺牲阳极的电化学性能取决于材料的成分和杂质含量。
在牺牲阳极的标准规范中都有规定。
表10-59牺牲阳极的电化学性能
性能
单位
Zn、Zn合金
Mg、Mg-Mn
Mg-6Al-3Zn
Al-Zn-In
相对密度
g/cm3
7.1
1.74
1.77
2.83
阳极开路单位（SCE）
V
-1.03
-1.56
-1.48
-1.08
相对铁的保护的电位差
V
-0.20
-0.75
-0.65
-0.25
理论发生电量
Ah/g
0.82
2.20
2.21
2.87
海水中（3mA/cm2）
电流效率
%
95
50
55
80
实际发生电量
Ah/g
0.78
1.10
1.22
2.30
消耗率
kg/A·a
11.8
8.0
7.2
3.8
土壤中（0.03mA/cm2）
电流效率
%
65
40
50
65
实际发生电量
Ah/g
0.53
0.88
1.11
1.85
消耗率
kg/A·a
17.25
10.0
7.92
4.68
三、牺牲阳极种类及规格型号
（一）镁合金牺牲阳极
镁是比较活泼的金属，表面不易极化，电极电位比较负，所以是理想的牺牲了极材料。
但是，钝镁的电流效率不高，造价太高，所以一般都使用镁合金做牺牲阳极材料。
目前世界上流行的镁阳极成分很多，但归纳起来只有三个系列：
高纯镁系、镁锰系和镁铝锌锰系。
其典型的代表成分见表10-60。
这三个系列中，Mg-6Al-3Zn-0.15Mn是使用最广泛的，也是国内定型生产的商品化镁阳极，用于土壤和淡水中性能最佳。
表10-60镁合金牺牲阳极的典型成分
系列
成分（质量分数%）
备注
Al
Zn
Mn
Mg
Si
Cu
Ni
Fe
纯镁
<0.01
<0.03
<0.01
>99.95
<0.01
<0.001
<0.001
<0.002
JISH6125
镁锰
<0.01
-
0.5～1.3
余量
-
<0.02
<0.001
<0.03
Galvomag
镁铝
锌锰
5.3～6.7
2.5～3.5
0.15～0.6
余量
<0.1
<0.02
<0.03
<0.005
SYJ19-1986
镁阳极的化学成分应符合表10-61的规定。
镁阳极电化学性能必须符合表10-62的指标。
表10-61镁阳极化学成分
合金元素
杂质不大于（质量分数，%）
Al
Zn
Mn
Mg
Fe
Ni
Cu
Si
5.3～6.7
2.5～3.5
0.15～0.6
余量
0.005
0.003
0.02
0.1
表10-62镁阳极电化学性能
项目
单位
指标
测试方法
开路电位
V
≤-1.50
（Cu/CuSO4）SYJ23-1986
理论电容量
A·h/kg
2210
按化学成分计算
电流效率
%
≥55
GB/T4948-1985附录C
注：
GB/T4948—1985附录C的介质为海水·本标准应用时试验介质应改用当地土壤，并用当地地下水饱和，在被检阳极四周应有5～10mm厚的填包料。
镁阳极规格按净重分为2kg、4kg、8kg、11kg、14kg和22k6种。
其形式均为梯形断面。
2kg阳极参考长度为206mm，4kg阳极参考长度为360mm，其余均为700mm。
用作导电的钢芯，采用直径不小于6mm的钢筋制成。
钢芯表面应镀锌，外露长度为100mm。
阳极基体和钢芯必须结合好，接触电阻应小于0．001Ω。
镁阳极表面为铸造表面，其表面应清洁、平滑，无明显铸造缺陷。
镁阳极应储存在室内仓库内，严禁沾染油污、油漆和接触酸、碱、盐等化工产品。
在镁阳极验收时，应对外观、重量进行检验。
钢芯与阳极的接触电阻、化学成分及电化学性能，应按批量进行抽样检查。
抽查率为3%，但至少不少于3支。
若不合格，加倍抽查，其中再有一支不合格，则判定该批不合格。
当化学成分不合格，而接触电阻和电化学性能合格时，可以使用。
接触电阻测试方法是GB/T4948—1985附录B；化学成分分析方法按供方采用的标准方法进行；电化学性能按表10-62中的测试方法进行。
镁阳极的优点：
对钢铁阴极保护（-0．85V）的激励电压力-0.7V左右，适应的土壤电阻率范围广，阳极表面不极化，腐蚀产物易脱落。
不宜用于易燃液体环境中。
（二）锌牺牲阳极
锌是阴极保护中应用最早的牺牲阳极材料。
锌的电极电位比铁负，表面不易极化，是理想的牺牲阳极材料。
锌不仅可以用于低电阻率土壤中，还可广泛用于海洋中。
目前，锌牺牲阳极成分均已标准化。
如ASTMB418、GB4950等。
从阳极成分来分，锌阳极可分为两个系列：
高纯锌系和锌铝镉系。
它们的成分见表10-63中。
表10-63锌阳极的成分
阳极系列
化学成分（%）
备注
Si
Pb
Cu
Fe
Zn
Cd
Al
ASTM418-1973
<0.0014
余量
<0.003
<0.005
ASTMⅡ型
Zn-Al-Cd
0.3～0.6
0.05～0.12
余量
<0.005
<0.005
<0.006
<0.125
GB/T4950-1985
Zn-Al-Cd
0.1～0.5
0.025～0.15
余量
<0.005
<0.005
0.006
MIL-A-18001H
An-Al
0.3～0.6
-
余量
<0.005
<0.005
<0.006
<0.125
SYJ20-1986
锌阳极的开路电位应为-1．1V（相对Cu/CuSO4），在海水中电流效率为95%、土壤中为50％～60％，理论发生电量为820A·h/kg，消耗率为11kg/A·a左右。
锌阳极的最大特点是表面不易极化，电流效率高，材料来源广，价格便宜。
锌阳极的不足之处是相对铁的保护电位（-0．85V）激励电压小，只有0.25V，相当于镁阳极的1/3，因此，应用范围较窄。
在土壤中使用，一般很制在ρ<150Ω·m中（GB/T4950）。
当土壤潮湿时，可扩大到ρ<30Ω·m（SYJ20—1986）。
根据使用的要求，土壤中应用的锌阳极典型规格见表10-64。
表10-64土壤中常用的锌阳极规格尺寸
阳极尺寸/mm
重量/kg
有效电量/A·a
阳极尺寸/mm
重量/kg
有效电量/A·a
35×35×1000
6.8
0.6
50×50×1500
22.2
2.0
50×50×1000
14.8
1.3
35×35×1500
10.2
0.9
（三）铝合金阳极
铝合金作为牺牲阳极材料是近年发展起来的新品种。
由于铝是自钝化金属，所以不论是纯铝还是铝合金，从电化学观点看，都是一种似乎不可克服的弊病，即阳极表面极易钝化，造成电位正移，活性降低。
由于铝的自饨化性能，所以钝铝不能作为牺牲阳极材料。
目前已开发了Al-Zn-Hg系、Al-Zn-In系等几个系列，其典型成分见表10-65。
由于汞对环境的污染及冶炼困难，目前各国都限制含汞的铝阳有生产。
而AI-Zn-In系是目前各国公认的有前途的铝阳极系列。
表10-65铝阳极的代表成分
合金系列
合金成分（%）
备注
Al
Si
Mg
Cd
In
Hg
Zn
GalValum1
余量
0.45
0.45
Al-Zn-Hg
Al-Zn-In
4.9～5.5
0.018～0.02
<0.8
余量
管道设计院
Al-In
0.15～0.2
余量
邮电部五所
Al-Zn-In-Si
3.0
0.015
0.1
余量
Ga1ValumⅢ
Al-Zn-In-Ca
2.5～4.5
Sn
0.018～0.050
0.005～0.02
<0.13
余量
GB4948-1985
Al-Zn-In-Sn
2.2～5.2
0.018～0.035
0.02～0.045
<0.13
余量
GB4948-1985
为改善阳极的电化学性能，在三元素合金基础上又添加了第四、第五元素。
世界上流行最广的GalValumⅢ型铝阳极为Al-Zn-In-Si系列。
铝合金牺牲阳极开路电位是-1．18～-1．10V（相对饱和甘汞电极），工作电位为-1.12～-1．05V（相对饱和甘汞电极），实际发生电量大于2400A·h/kg，海水中电流效率大于80%，消耗率约3.8kg/A·a。
铝是产量最多的有色金属，资源广，价格便宜；其单位重量产生的电量大，是锌的3．6倍，是镁的1．35倍，作为牺牲阳极有着广阔的前途。
其不足之处是电流效率和溶解性能随阳极成分、制造工艺的不同而异。
在土壤中常由于胶体AI（OH）3的聚集而使阳极过早报废，因此铝阳极在土壤中的应用还有待于探索。
表10-66列出了几种可用于土壤的铝合金阳极的规格尺寸。
四、牺牲阳极保护的施工
（一）阳极种类的选择
表10-66土壤中使用的铝阳极规格
尺寸①/mm
重量/kg
有效电量/A·a
尺寸①/mm
重量/kg
有效电量/A·a
47×（33+47）×1000
5.1
1.4
41×（29+41）×2000
7.5
2.0
60×（40+60）×1000
8.1
2.1
75×（61+75）×2000
27.4
7.2
注：
①括号内为梯形截面的上底和下底长度。
牺牲阳极种类的选择主要是根据土壤电阻率、土壤含盐类及被保护管道的覆盖层状态来选取阳极。
表10-67列出了土壤中选择牺牲阳极种类的推荐意见。
一般说，镁阳极适用于各种土壤环境，锌阳极适用于土壤电阻率低的潮湿环境，而铝阳极还没有统一认识，国外一直不主张用于土壤环境中，国内已有不少实践，推荐用于低电阻率、潮湿和氯化物的环境中。
表10-67土壤中牺牲阳极使用的选择
土壤电阻率/（Ω·m）
推荐使用的牺牲阳极
>100
不宜采用牺牲阳极
60～100
高电位的纯镁系或镁锰系镁阳极
15～60
镁铝锌锰系镁阳极
<15
镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极
<10（含Cl-）
锌合金或铝锌系合金阳极
（二）牺牲阳极地床
为了防止土壤对阳极的钝化作用，一般在阳极四周都要填有一定的化学填料，填料的作用为：
1.改良阳极周围环境，确保稳定、良好的电流效率。
2.降低阳极接地电阻，增加阳极输出电流。
3.溶解电极腐蚀产物，防止阳极极化。
4.吸收周围土壤中水分，维持阳极四周长久湿润，提高阳极的工作电位。
化学填料的推荐配方列于表10-68中。
不同的阳极、不同的适用环境需采用不同的填包料。
表10-68中的膨润土系一种特殊的硅酸盐土壤，具有强的吸水性，并能形成半透膜，阻止土壤中阴离子（在填包料中）的流失。
因此，膨润土不可用粘土来代替。
表10-68牺牲阳极化学填料推荐配方
阳极类型
填料成分（重量）（%）
备注
石膏粉
硫酸钠
硫酸镁
生石灰
氯化纳
膨润土
适用环境ρ（Ω·m）
50
50
≤20
25
25
50
≤20
75
5
20
>20
15
15
20
50
>20
15
35
50
>20
锌阳极
50
5
45
潮湿土壤
SYJ20-1985
75
5
20
饱水土壤
铝阳极
20
30
60
40
20
30
填包料宜采用棉布袋或麻袋预包装。
不可采用人造纤维织物布袋。
可以在现场包封。
填包料厚度不应小于50mm。
应保证阳极四周的填包料厚度一致、密实。
填包料应调拌均匀，不能混入石块、泥土和杂草等。
在将装设好阳极电缆的阳极块放入填包料之前。
应先将阳极表面用砂布打磨干净。
除去氧化皮并去除油污。
对铝合金阳极也可用10％NaOH溶液浸泡数分钟，以除去阳极表面的氧化膜，然后用清水冲洗干净。
在装填袋装阳极时应注意：
1．防止阳极钢芯与电缆引出头焊接处的折断。
2．阳极所有裸露的表面均需除净油污等杂物。
3．擦洗净的阳极表面，严禁用手直接拿放，并应及时装入填包袋中，以防污染。
4．袋装阳极引出电缆与袋口绑扎要结实，防止散口。
（三）阳极布置与埋设
牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式。
阳极埋设分立式、水平式两种。
埋设方向分轴向和径向。
阳极埋设位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.3m。
埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m为宜。
成组布置时，阳极间距以2～3m为宜。
见图10-55。
图10-55牺牲阳极埋设示意图
1—管道2—测试桩3—连接电缆4—牺牲阳极
牺牲阳极必须埋在冻土层以下。
在地下水位低于3m的干燥地带，牺牲阳极应适用加深埋设。
在河流、湖泊地带，牺牲阳极应尽量埋设在河床（湖底）的安全部位，以防洪水冲刷和挖泥清淤时损坏。
在城市和管网区使用牺牲阳极时，要注意阳极与管道之间不应有其他金属构筑物。
例如电缆、水、气管道等。
1.牺牲阳极施工根据施工条件，选择经济合理的阳极施工方式。
立式阳极宜采用钻孔法施工；卧式宜采用开挖沟槽施工。
按设计要求在埋设点挖好阳极坑和电缆沟，检查袋装阳极电缆接头的导电性能，合格后袋装阳极就位，放入阳极坑内。
阳极连接电缆，埋设深度不应小于0．7m，四周垫有5～10cm的细砂，砂的上部应覆盖水泥护板或红砖。
阳极电缆与管道应用加强板（材质与管材一致）上焊铜鼻子的方法连接。
在焊加强板的管道表面上防腐层应剥除干净。
放上加强板，加强板与管道应采用四周角焊，焊缝长度不少于100mm。
电缆与管道加强板通过铜鼻子锡焊或铜焊连接。
焊后，必须将连接处重新进行防腐绝缘处理，其材料和等极应和原有防腐层一致。
阳极连接电缆和阳极钢芯采用铜焊或锡焊连接，双边焊缝长度不得小于50mm。
电缆与阳极钢芯焊接后，应采取必要的保护措施，以防接头损坏。
电缆在敷设时，要有一定的裕量，以防止土壤下沉变形而造成接头处受力。
电缆与电缆接头及露出阳极端面的钢芯均要防腐绝缘。
绝缘材料应用环氧树脂或相同功效的其他涂料。
镁阳极连接电缆应满足地下敷设条件的要求，耐压500V，并带有绝缘护套。
通常使用铜芯电缆。
推荐型号为：
VV29～500/1×10和XV29-500/1×10。
确认各焊点、连接点、绝缘防腐合格后，回填土壤。
在回填土将阳极布袋埋住后，向阳极坑内灌水。
使阳极填料饱和吸满水后，将回填土夯实，恢复地貌。
2.牺牲阳极的运行管理牺牲阳极投入运行后的测量项目有：
（1）电位包括：
1）阳极开路电位；
2）阳极闭路电位；
3）管道开路电位（投运前为自然电位）；
4）管道保护电位。
（2）电流包括：
1）单支阳极输出电流；
2）组合阳极联合输出电流。
（3）电阻包括：
1）单支阳极接地电阻；
2）组合阳极联合接地电阻。
（4）埋设点土壤电阻率所有参数的测量应符合《埋地钢质管道阴极保护电参数测试方法》（SYJ23—1986）的规定。
牺牲阳极保护参数投产测试，必须是在阳极埋入地下、填包料浇水10d后进行。
为便于测量，在相邻两组阳极的管段中间，根据需要适当设置电位测试桩。
桩间距以不大于500m为宜。
镁阳极投入运行后，相邻两组阳极之间的管道保护电位，应为-0．85V或更负。
牺牲阳极投入运行后，应定期进行监测，至少每半年测量一次管道保护电位和阳极输出电流，并根据测量结果进行保护电流的调节（一般以每年调节一次为宜）。
对镁阳极保护系统，每年至少应维护一次。
测试桩可用混凝土或钢管制作。
测试盒放在桩的内部。
要注意桩的布置整齐，安全，设置在路旁或人行道上时，不宜高出地面，以免影响交通。
油漆标色醒目，标有号码，对盖板要做防锈处理，测试盒要防水必封。
测试盒内连接要便于测量，其接线柱应注明管道及阳极的编号。
牺牲阳极保护档案资料。
应包括：
牺牲阳极质量保证书，竣工图纸，施工说明书，阳极位置及电缆走向的说明，投产时保护参数测量结果，历年维护更新，检查测试的资料。
（四）牺牲阳极的其他用途
1.作接地极用牺牲阳极具有电气接地和防腐双功能。
邮电部门把它作为防静电、防雷和防蚀的措施。
牺牲阳极是安全接地、静电接地和防雷接地的理想接地极材料。
当然。
以接地为主要功能的阳极形状和安装方式不同于防蚀用阳极。
图10-56是目前常使用的锌阳极接地极。
图10-56锌接地极
钢质贮罐、变压器、输电铁塔、超高压输电线路等大型的构筑物，都有防雷、避雷用的接地设施，这些接地极都可使用锌或镁的接地极。
2.作参比电极用液体参比电极，如饱和硫酸铜参比电极，由于其密封性能差，溶液经常渗漏，因此使用寿命短。
它不适于长期埋地使用。
但对于一些无法接近的构筑物的某些部位的监测及恒电位仪基准讯号、无人遥控装置，都要求有一个能长期埋地的稳定电位的参比电极。
在国
外，土壤中常用锌或镁阳极作参比电极，它们极化小，电位稳定。
图10-57
是埋地锌参比电极的结构和尺寸。
图10-57埋地型锌参比电极
1—棉布袋2—填包料3—Zn电极4—接头密封5—保护管6—电缆
3.防干扰用接地电池在交流干扰区，管道的覆盖层、绝缘法兰等都易遭雷击和电力故障而引起破坏。
对此，可在绝缘法兰两侧或电力线接地体与管道之间，设由牺牲阳极构成的接地电池加以防止。
同时，由于牺牲阳极的阴极保护功能而不会对管道原有的阴极保护造成不良影响。
图10-58是接地电池构造的示意图。
4．防交流干扰强电线路与输气管道接近平行时，管道必然会产生感应电压，危及管道和人身安全。
为消除或减轻这一干扰危险，通常采用接地排流。
采用牺牲阳极接地排流，既可接地排流又可提供阴极保护。
如国外某一工程，有8km管段与高压线平行，感应电压高达36．5V，按250m间隔埋设镁阳极排流，排流后感应电压降到4.5V，管道处于正常的阴极保护之中。
图10-58绝缘法兰处锌接地电池保护
1—绝缘法兰2—管道3—地表面 4—接线箱5—锌阳极6—缘缘垫块
对于操作人员可能触及到的管道附件（如阀门等），可在地面下安装镁环或锌环，以确保人身安全。
图10-59是接地环的示意图。
图10-59地电位均压装置
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