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阴极保护及杂散电流调研材料

阴极保护及杂散电流调研材料

2014年5月8日

目录

第一章阴极保护技术最新研究进展3

1、阴极保护数值模拟3

1.1地下管线阴极保护系统数值模拟概况3

1.2储罐外底部阴极保护系统数值模拟概况4

2、在线监测系统5

3、新型阳极6

3.1新型牺牲阳极6

3.2辅助阳极7

参考文献8

第二章杂散电流排流研究进展11

1、杂散电流研究背景11

2、杂散电流国内外研究现状12

3、杂散电流的防护13

4、杂散电流的排流防护14

4.1排流方法14

4.2排流器的选择15

参考文献17

第一章阴极保护技术最新研究进展

对长输管道工艺站场的埋地管道和油库地上大型储罐罐底板实施区域性阴极保护是站场综合保护的发展趋势，目前采用外加电流阴极保护技术为主，可以采用多种辅助阳极的埋设方式。

长距离油气管道外壁防腐通常采用涂敷涂层配合阴极保护技术，目前应用广泛的阴极保护方法是采取外加电流与牺牲阳极联合保护的方法。

目前，阴极保护的最新研究进展和未来发展方向大致有以下几个方面：

（1）实现阴极保护的计算机辅助设计、建立保护系统数学模型，优化保护参数并对阴极保护的效果作出科学预测与评估；

（2）建立阴极保护自动检测系统，以实现阴极保护系统的远程监测与控制；（3）开发研制对环境污染小、稳定性好、寿命长、高性能辅助阳极材料。

1、阴极保护数值模拟

在进行埋地管线及地面储罐复杂腐蚀控制系统设计和工程应用时，采用传统的经验设计方法难以获得阴极保护系统的最佳方案，近年来通过计算机数值模拟计算，可以提供例如电位、电流密度的分布规律和电能消耗等应用中需要的设计参数，预测涂层性质的变化和杂散电流的干扰作用等各种因素对阴极保护系统的影响，可以用来优化阴极保护系统的电极位置，实现全寿命期内可控制和有预见性的复合腐蚀防护系统优化设计。

可以说阴极保护已经进入了数值仿真时代。

1.1地下管线阴极保护系统数值模拟概况

为了保护管线外部涂层不充分和涂层破损的部分，通常采用涂层与阴极保护系统联合方式进行地下管线外部的腐蚀防护。

传统的阳极阻抗公式忽略了电位和电流在管线上的分布，不能够充分模拟管线涂层出现缺陷时的状况。

国内外在对阴极保护电位分布的数值模拟研究中，大多数采用拉普拉斯方程作为电位分布的描述方程。

而对描述方程的求解方法主要为有限元法和边界元法。

国外通常将有限元法和边界元法结合用于长输管道阴极保护系统模拟优化。

AlijaMuhareovic[1]使用有限元法和边界元法联用的方法，计算了在使用牺牲阳极进行阴极保护的管道表面的保护电位和阴极保护电流密度分布，探讨了土壤电阻率和阳极至管道距离等因素对保护电位的影响，结果表明该方法可以用于所有条件下阴极保护系统的设计。

LeslieBortels[2]等利用BEM技术分别对新建管道阴极保护系统前期设计以及在役管道阴极保护系统运行优化进行了模拟计算。

结果表明在设计案例中，由于数值仿真技术的应用，该管道的阴极保护设计费用节省了25万欧元。

英国ComputationalMechanicsBEASY开发的BEASY腐蚀控制数值模拟软件在船舶、近海平台、油井方面已有广泛的应用，通过确定土壤环境下的涂层和管道等相关因素的边界条件，能够成功地将其应用到长输管道阴极保护的数值模拟上。

比利时Elsyca公司开发了ElsycaCPMaster等系列商业化软件，可以高效分析优化长输管线和区域站场内强制电流和牺牲阳极组合设计方案，在处理复杂管网区域阴极保护方面具有国际领先地位。

国内，李自力等[3]建立了长输管线阴极保护电位分布的简单物理模型，并采用边界元算法的管单元法推导出电位分布的简单数学模型，以实测阴极极化曲线作为边界条件，采用Matlab工具编程，计算出长输管线阴极保护的电位分布，与试验设计测试的管线电位相比误差较小。

张丰等[4]采用边界元数值模拟软件BEASYCP对管道干线的阴极保护进行模拟计算，研究了均压线跨接对并行管道阴极保护的影响。

1.2储罐外底部阴极保护系统数值模拟概况

国外，AdeyRobert等[5]通过采用基于边界元技术的数值模拟软件（BEASY）开展对大型地面相邻原油储罐罐底外表面阴极保护系统的研究，结果表明这种软件可以实现优化计算储罐的阳极位置，使得阴极保护效果达到最佳，保护对象表面电位分布均匀，并有效降低阳极的输出电流，可有效解决常规经验阴极保护设计方法无法实现的最优设计难题。

国内，杜艳霞等[6]基于活化极化和浓差极化混合控制建立了大型储罐的阴极保护电位计算模型，推导了阴极边界条件公式。

利用FLUENT软件较好的模拟了目前国内外储罐阴极保护普遍采用的5种阳极埋设方式下罐底的阴极保护电位分布和相关参数的影响。

边界元数值模拟软件BEASYCP在研究阴极保护影响因素干扰趋势和规律方面具有明显优势，张丰等[7]利用该软件对站场储罐区阴极保护系统进行数值模拟，所得结果具有重要的现实意义。

随着计算机的普及和广泛应用，利用数值方法求解阴极保护体系的电位和电流分布问题已成为最近十多年阴极保护领域中的热门课题，并在地下长输管道、近海石油平台等场合得到了较好的应用，节省了大量的人力、物力，实现了优化设计。

2、在线监测系统

管道阴极保护检测是管道防腐工作的重要内容，目前国内多依靠万用表人工检测。

现行的人工检测方法具有耗时长、成本高、不能及时发现问题、危险性高等缺点，难以满足管道阴极保护实时监测的需要。

目前，利用现代通信技术，国内外正在开展在线管道阴极保护监测系统的研究。

国外，美国天然气研究所（GTI）正在研制的用于检测天然气管线保护状态的系统-阴极保护监测系统，采用无线方式测量管线的保护电位和阳极输入电流密度等保护参数，通过手持设备发出信号，埋在土壤中的应答器接收信号后返回信号。

这些信号包括阳极位置信号和阴极保护参数（管道电位及阳极输出电流）。

系统采用铜/硫酸铜参比电极（使用寿命30a）和锂电池（使用寿命15a）。

美国INCON公司的TS-CPM阴极保护监测系统主要针对外加电流阴极保护系统设计，用于监测阴极保护站内恒电位仪的工作状态。

系统测量的参数包括恒电位的输出电压和电流，通过专用软件远程监测阴极保护站内的设备运行情况。

国内，川气东送管道全线采用以强制电流保护为主、牺牲阳极保护为辅的联合保护方案。

阴极保护在线监测系统通过服务器端开放数据库接口实现与SCADA系统的对接，它以地理信息系统（GIS）为管理平台，以SQL-SERVER数据库作为系统统一的数据库，通过后台服务程序完成GIS空间数据与遥测遥控关系数据的整合，实现基于GIS/GPRS的阴极保护在线监控[8]。

宫文杰等[9]针对人工巡检长输管道阴极保护的不足，设计了一种长输管道阴极保护在线监测系统。

整个系统分为硬件部分和软件部分。

硬件部分基于DSP和GPRS技术，实现管道阴极保护电位的在线测量和信息的传输。

软件部分基于VC++，实现数据的接收、保存和计算机辅助分析。

现场试验表明：

研制的在线监测系统实时性好、可靠性高。

西气东输二线管道使用了阴极保护在线检测监控系统，可以通过远程监控方式随时监视并调整恒电位仪的工作状态，3年多的运行实践表明，该系统有效地实现了长输管道阴极保护的统一集中管理，提高了阴极保护管理的科学性、准确性和及时性[10]。

川西埋地输气管道采用基于WebGIS的阴极保护在线监测系统，通过GPRS无线通讯方式将采集到的阴极保护电位定时传送到监测中心，既提高了测量精度又提高时效及资源共享程度，为管道维护提供了实时决策依据[11]。

对于站场区域性阴极保护，胜利油田采用研华ADAM-4017阴极保护智能监测系统数据采集模块，多个数据采集模块连接在RS一485总线上，监控主机采用轮询的方式与数据总线上的模块进行数据通讯，实现了区域阴极保护系统多个阴极保护电位的实时在线监测[12]。

开发于2004年的原油储罐防腐蚀在线遥控遥测及寿命预测装置[13]，其储罐内壁保护为防腐蚀涂层加高活化铝牺牲阳极保护，安装在罐底内壁铝合金牺牲阳极处，设有参比电极探头。

参比管绝缘管设有可伸缩测量电极，可弥补现有保护阳极使用中的缺陷，可以实时在线远程测量储罐主要部位的腐蚀防护电位及用阴极保护站设备进行电气参数测量，并能根据腐蚀防护数据处理结果，实行远程遥控调整设备运行参数，也使阴极达到充分保护。

3、新型阳极

3.1新型牺牲阳极

牺牲阳极的阴极保护方法，适用于土壤电阻率较低、直径较小的储罐以及个别较小的改造站场或者埋地管道较少的站场。

牺牲阳极由早期的纯金属发展到今天的合金阳极，牺牲阳极的电化学性能取得了长足的进步。

未来的牺牲阳极将进一步向新型合金化发展，新型的广谱的合金阳极，既有高的电流效率，又能适用于普遍的环境，克服目前Mg合金阳极的电流效率低，Zn合金阳极只适用于低电阻的环境的缺点，以满足市场的需要，进一步的发展，牺牲阳极实现智能转化。

智能化的阳极可以根据被保护体对电流的需求的变化，实现自我调节，当今出现的新型复合阳极，已经有了一定的自我调节性能，这种阳极的出现，代表了未来牺牲阳极发展的趋势。

3.2辅助阳极

外加电流阴极保护技术已广泛应用于地下储罐、钢筋混凝土、船舶、桥梁、化工设备等许多结构的防腐。

其中辅助阳极是外加电流保护技术的核心部件，在我国目前应用最广泛的辅助阳极材料主要是高硅铸铁，近年来开始采用导电聚合物柔性阳极，但混合金属氧化物阳极还很少应用。

由于聚合物柔性阳极和混合金属氧化物阳极具有许多其它阳极无可比拟的特性，因此它们将会成为外加电流阴极保护辅助阳极的发展与应用方向。

（1）柔性阳极

柔性阳极特别适于裸管或涂层严重破坏的管道、受屏蔽的复杂管网区的保护以及高电阻率的土壤中，是目前复杂站场区域阴极保护尤其原油储备库埋地管线的最可靠的保护方式。

胡士信等[14]在国内首次在旧管道上采用柔性阳极，从阳极接地电阻和保护参数看，柔性阳极性能优良可靠，是已建旧管道阴极保护的理想方案之一。

长庆油田在2010年首次采用柔性阳极对宁夏石油商业储备库8台10万m3储罐进行阴极保护。

新型的柔性阳极阴极保护以其不产生污染物不占用场地保护效果好、电效率高、能耗小、工作寿命较长展示了优势[15]。

武汉爱劳高科技有限责任公司于2011年研发了用于金属防腐的柔性阳极电缆，解决了制作长线柔性阳极的导电防腐材料所要求的低电阻、高强度、柔性好、耐化学腐蚀、耐酸碱盐性能的问题[16]。

刘严强等[17]研发的实用新型柔性阳极，其主要特点是在柔性导体外部设置有化纤材料包裹层，可生产出具有不同横纵向电阻比的柔性阳极，增加柔性阳极电流衰减率的可调性，解决现有柔性阳极产品在需要较大排流密度和较长保护距离的情况下不能满足要求的问题，提高柔性阳极产品在埋地管道和储罐阴极保护项目中的应用范围。

（2）网状混合金属氧化物阳极（MMO阳极）

混合金属氧化物阳极是采用热分解方法在金属基体上涂覆一层具有电催化活性的氧化物涂层的一种阳极。

混合氧化物涂层由Tr、Ta、Ru等多种金属氧化物组成。

这种活性涂层是作为一种电活性的催化剂，不直接参与电极反应，使得混合金属氧化物阳极电化学稳定性优异，电催化活性高，工作电压低，消耗率低，使用寿命长，并且可以反复使用。

目前国际上已研发了第二代MMO新型阳极，是由MMO阳极线、焦碳回填料、纤维织物包覆套（填料袋）和耐磨编织网组成[18]。

由于混合金属氧化物阳极具有其它阳极所不具备的优点，它已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料。

许立坤等[19]发明的由主阳极电缆、管状阳极体和碳质填料包所构成的分布式金属氧化物柔性阳极，具有较大的排流量和工作电流密度，良好的电化学性能和长的使用寿命，易于安装，并能长期可靠地工作。

徐笑纡等[20]发明的柔性阳极节点密封结构，包括有内部电缆和MMO丝，内部电缆和MMO丝做指节式联接，在节点上整体包覆有具有密封及耐腐蚀性能的聚合物，在聚合物外表面设有多个沟槽。

该发明克服了现有技术中的不足而提供一种密封好、耐腐蚀、改善弯曲受力、使弯曲更容易的MMO型柔性阳极节点结构。

王廷勇等[21]研制了一种以Tr为主要活性组员的钛基混合金属氧化物阳极，研究表明该阳极在海水中具有优异的电化学活性和稳定性，其消耗速率低，属于不溶性的阳极材料。

适合做大排流量的阳极材料，可应用于大型舰船及海上钢结构物的外加电流阴极保护系统中。

此外，现代辅助阳极的结构发生了质的变化。

传统的辅助阳极都为棒形结构，对于钢筋混凝土阴极保护用辅助阳极，到目前为止已经开发研究成功了几种：

喷锌层阳极；导电涂层阳极；导电塑料电线网阳极；活化钛板网阳极等。

带状辅助阳极，网状辅助阳极是近年开发出的一种新型阳极，主要用于埋地管道、储罐底部及钢筋混凝土的保护，可以解决传统阴极保护做不到的问题，如干扰问题、高电阻率问题等。

参考文献

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第二章杂散电流排流研究进展

1、杂散电流研究背景

杂散电流是指在设计或规定的回路以外流动的电流。

如果杂散电流一旦流人油气管道再从油气管道流出进人大地或水中，则在电流流出部位发生强烈的腐蚀，即杂散电流干扰腐蚀，简称为电蚀。

按照杂散电流产生的电流源，可以把杂散电流分为直流杂散电流、交流杂散电流和大地中自然存在的地杂散电流三类，且各具有不同的特点。

直流杂散电流主要来源于直流运输牵引系统、直流电解设备、电焊机、直流输电线路和阴极保护系统中；交流杂散电流主要来源于交流电气化铁路牵引系统、交流高压输配电线路系统，通过阻性、感性和容性耦合在相邻的管线或金属体中产生交流杂散电流，但交流杂散电流对金属具有选择性。

对于铝，当腐蚀电流密度达到某一值时腐蚀急剧增加，在同一电流密度下，腐蚀量可以达到直流干扰理论腐蚀量的约50％。

对于铁则腐蚀较轻微，一般情况下，不会超过直流干扰理论腐蚀量的1％，然而比土壤中的自然腐蚀要严重一些；由地磁场的变化感应出来的地杂散电流，一般情况下只有大约2μA/m2左右，从腐蚀角度看并不重要，其中以电气化铁路车辆直流供电牵引系统产生的直流杂散电流是造成埋地管线杂散电流腐蚀的主要原因。

形成杂散电流的原因很多也很复杂，容易受到诸多环境因素的影响，主要有以下两点：

①电流泄漏，电流泄漏主要是由于接触或绝缘不好等原因造成的，是形成杂散电流的一个主要原因；②电位梯度，电位梯度也是产生杂散电流的一个重要原因。

如果某一电场的电位分布是不均匀的，存在着电位梯度，就会对电场中的带电粒子（金属中的自由电子）产生电场力，在电场力的作用下，金属内部的自由电子就会发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离，从而造成此电场中的金属结构物发生杂散电流腐蚀。

埋地金属管线的阴极保护系统会在它周围一定的范围内产生一个电场，如果此电场中存在着金属结构物，就会造成金属结构物的腐蚀。

虽然杂散电流腐蚀和干扰的威胁由于合理的采用了现代排流措施，从而在很大程度上得到抑制，但是由于杂散电流的影响是非常巨大、非常普遍的，杂散电流腐蚀和干涉的危险程度依然很强烈，极大的加速了金属结构的腐蚀速度，消减金属结构的使用寿命，甚至可以酿成重大事故，故其依然是一个值得关注的热点问题。

2、杂散电流国内外研究现状

解决杂散电流腐蚀防护问题的方法需要建立在电位测量的基础上，因此电位测量对解决杂散电流腐蚀问题具有十分重要的意义，埋地管线的电位以及电位梯度是影响腐蚀的关键因素，但是测量的结果往往受到电阻和测量时间等因素的影响，而且由杂散电流引起的电场十分不确定，变化也十分随意的，因此杂散电流的数值计算和结果分析也是至关重要的。

Ference[1]通过在地下设置一系列的电极，测量出不同的电位值，得到了电流和地下电场的方向；Park[2]在地铁杂散电流的研究中，分别测量了地铁轨道电位和附近管线电位，通过所测量电位值和它的标准差，决定了杂散电流的腐蚀危害程度；Bazzoni和Lazzari[3]提出了一种外推的方法来获得金属结构物上的电位,二人认为通过此种方法得到的电位值可以消除环境因素的干扰，是比较准确的；Matin和brinsmead[4]等学者采用了一些数学的方法也获得了比较精确的电位值；为了更好的评价杂散电流对金属结构物的腐蚀危害程度，K.Darowicki，K.Zakowski[5]测量分析了24小时因轻轨泄漏而形成的杂散电流的电位变化特征；LucaBertolini和MaddalenaCarsana[6]通过研究混凝土内钢结构杂散电流腐蚀的形成和扩展，表明只有杂散电流通过一定的时间后，在阳极区由杂散电流引起的腐蚀才会加强，这个时间主要取决于阳极的电流密度、氯化物的浓度和电流回路的通断；Shi-LinChen等[7]学者实地测量了台北地铁附近的埋地管线的管地电位变化情况，提出了杂散电流的吸收与排流措施，并对杂散电流进行了实时监测；I.A.Metwally和H.M.Al-Mandhari等[8]学者对套管金属结构物因杂散电流引起的腐蚀，进行了详尽的实验和测量，并对实验结果用有限元理论和边界元理论进行了分析和模拟；Y.C.Liu和J.F.Chen[9]研究了高雄高速轻轨运输系统的电位变化规律，利用新型二极管排流装置提高了排流效果，并用美国Camegie-Melkon大学研制的轨道运输模拟软件（TrainOperationsModelTOM）对不同时段、列车不同行驶状态产生的杂散电流进行了模拟计算；KinhD.Pham等[10]建立了直流牵引系统中杂散电流的基本模型，对轨道与地之间不一致的分布电阻的理想状态和轨道上不可忽略的电流衰减分别进行了建模，并用计算机进行了仿真研究；赵晋云、腾延平等[11]以新大输油管线的杂散电流腐蚀为对象，现场测试了管地电位、管线杂散电流等参数，表明在快轨双向动态干扰时，管线没有固定的阳极区和阴极区，并提出了阴极保护装置和极性接地排流两种方式抑制杂散电流的腐蚀危害，实验效果明显；尚秦玉、许进等[12]用土壤电位梯度法和管地电位连续测量法，研究了高压线路对地下输油管道中杂散电流的影响规律。

结果表明，当埋地管道与高压线路平行或交叉时，管道中存在较强的杂散电流，且随着离高压线路距离的减小而增强；张国新、吴平等[13]采用电位差计和杂散电流测量仪研究了新疆油田电焊动火过程中管道以及周围土壤中的杂散电流的分布、大小及走向规律，作者认为管道中的杂散电流并不稳定，其变化范围很大，最大值与最小值相差几十倍，而且管道中杂散电流随着距离电焊点的增大而减小，随着电焊机台数增加而增加，随着管道管径的增加而逐渐增加，同时在焊接过程中土壤的电位梯度增加，并随着距离管道的增加而减小。

3、杂散电流的防护

杂散电流的防护遵循以下两个原则：

（1）以防为主

为了减少杂散电流的危害，就应当设法减少杂散电流量。

这就需要采取有效的防杂散电流措施，使杂散电流量控制在允许的范围内。

控制产生杂散电流的干扰源，隔离所有可能的杂散电流的流经途径，减少杂散电流进入交通系统的主体结构、设备以及沿线附近的埋地管道。

具体实施时，由于涉及到的专业多，各专业、各工种必须紧密配合，尤其在施工设计阶段更要考虑综合防治措施，尽量减少直流系统与其他建筑物的电气连接。

防护手段有以下几种：

a、控制杂散电流，主要依靠减小取流电流；合理设置变电所；回流走行轨降阻；给电轨安装绝缘装置。

b、杂散电流自动补偿抵消。

c、管道安装绝缘法兰。

d、电屏蔽法，即沿着受交流杂散电流干扰的管道段，以特定的间隔平行或环绕管道安装一些屏蔽电极。

一般采用外壳、网格或其他物体（通常为导电性物体）作为屏蔽电极。

屏蔽电极安装在被影响管道的一侧，以充分地减弱管道背侧的电气装置或电回路对管道的电场影响。

这种方法用于保护管道不受临近电力线路交流干扰的影响，减少在瞬间危险干扰电压下防腐层被击穿的可能性。

e、在地表或地表面下安装一个裸导体系统。

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