1、公司管线防腐阴极保护装置技术培训教程编制：fxz zjp2010年3月目录一、金属防腐基本知识一、金属防腐基本知识二、阴极保护原理二、阴极保护原理三、阴极保护方式三、阴极保护方式四、阴极保护的基本参数四、阴极保护的基本参数五、参比电极五、参比电极六、六、管线阴极保护装置管线阴极保护装置七、恒电位仪工作原理及操作七、恒电位仪工作原理及操作一、金属防腐基本知识1、电化学腐蚀原理v金属在电解质溶液中由于电化学作用所发生的腐蚀称为电化学腐蚀。它是金属腐蚀中最普遍的一种形式，这种形式发生在金属和电解质溶液接触而互相作用的时候，其最明显的特征是它必然有电流的流动（电子的转移）。返回目录一、金属防腐基本知识
2、v金属电化学腐蚀原因是金属表面产生原电池作用，或外界电源影响使金属表面产生电解作用所引起的破坏。把两种电极电位不同的金属放入电解液中，即成为简单的原电池，若用导线将两种金属连接起来，则两电极间有电位差存在而产生电流。例如将锌板和铜板当作两极，插入装有稀硫酸溶液的同一器皿中，并用导线连接，如图所示。由于双电层原理Zn、Cu各自在溶液中建立电极电位，但Zn的电极电位较负，所以不断失去电子，变成Zn2+离子溶解到电解质溶液中去。锌板上多余的电子则沿导线由锌板流到铜板，铜板上不断地有来自锌板的电子和溶液中的氢离子中和放电。v其电极反应：v在铜板上酸中的H离子接受电子进行还原，生成氢气逸出返回本章第一页
3、一、金属防腐基本知识v整个电池反应为v在原电池外部电子e由锌板流到铜板（图中虚线方向），则电流方向由铜板到锌板。（图中实线方向）。v在原电池内部电流方向是从锌板流入溶液，再由溶液流入铜板。电极电位比较负的锌板称为阳极，电极电位比较正的铜板称为阴极。v在电解质溶液中，金属表面上的各部份，其电位是不完全相同的，电位较高的部分形成阴极区，电位较低的部分形成阳极区。这便构成了局部腐蚀电池。v腐蚀电池可以理解为金属腐蚀表面上短路的多电极原电池。返回本章第一页二、阴极保护原理v、理想极化曲线v腐蚀电池在电路接通后就产生电流，电流的流通，使得腐蚀电池阳极和阴极的电极电位都偏离电流未流通之前的电极电位值。v在
4、阳极，由于阳极金属溶解即离子化的过程滞后于电子的转移过程，而正电荷过剩，使阳极表面的电位向正的方向偏移，即阳极极化。v在阴极表面，由于从阳极转移过来的电子的迁移速度大大于在阴极表面的极化剂（H+和O2分子）吸收电子的速度，使大量电子在阴极表面集聚，从而使阴极表面的电位向负的方向偏移，即阴极极化。返回目录二、阴极保护原理v阳极极化和阴极极化的共同结果，造成了腐蚀原电池起始电位差的变小。将腐蚀电池阳极和阴极的电极电位与电流之间的关系用曲线表示出来绘成图，就得到了腐蚀电池的极化曲线图。图是腐蚀电池的极化曲线示意图。返回本章第一页二、阴极保护原理v如图所示，EaS是阳极化曲线，EcS是阴极极化曲线，当
5、腐蚀电池内电阻为零时，它们相交于点。点所对应的电位称之为该体系的腐蚀电位，也称自然电位，表为Ecorr。它是腐蚀电池的阳极和阴极在极化后共同趋近的电位值。与此电位值相对应的电流Icorr称为该系统理论上最大可能的腐蚀电流。v事实上，上述的极化曲线是测不出来的。这是因为人们无法在腐蚀电池系统中确定阳极与阴极的面积。也无法保证在电极表面只发生单一的一种电极反应。甚至不可能测到腐蚀电池中任一微阳极部位，或微阴极部位的电位值。而测到的通常是其微阳极与微阴极极化后，共同趋向的电位Ecorr。上述极化曲线称之为理想的极化曲线，或假想的极化曲线。它所反映的是，腐蚀电池内电流与阳极和阴极电位的关系。返回本章第
6、一页二、阴极保护原理v、阴极保护原理、阴极保护原理v在介绍腐蚀电池工作原理时，人们曾谈到由于金属在介绍腐蚀电池工作原理时，人们曾谈到由于金属本身的电化学不均性，或由于外界环境的不均匀性，本身的电化学不均性，或由于外界环境的不均匀性，都会形成微观的或宏观的腐蚀原电池。例如在碳钢都会形成微观的或宏观的腐蚀原电池。例如在碳钢表面，其基体金属铁与碳素体表面，其基体金属铁与碳素体Fe3C如浸在电解质如浸在电解质溶液中会形成电位差为溶液中会形成电位差为200mV的微电池腐蚀。的微电池腐蚀。v当采用外加电流极化时，原来腐蚀着的微电池会由当采用外加电流极化时，原来腐蚀着的微电池会由于外加电流的作用，电极电位发
7、生变化，此时腐蚀于外加电流的作用，电极电位发生变化，此时腐蚀着的微电池的腐蚀电流减少，称之为正的差异效应。着的微电池的腐蚀电流减少，称之为正的差异效应。反之，则称之为负的差异效应反之，则称之为负的差异效应返回本章第一页二、阴极保护原理v强制电流阴极保护所引起的差异效应可用图来说明。返回本章第一页二、阴极保护原理v上图a为未加阴极保护之前金属本身的腐蚀的电池模型；b为加阴极保护以后保护电池的电路及原来腐蚀电池的变化，所加的外电流I的方向是使被保护金属作为阴极。v向系统输入外电流，使金属阴极极化，此时整个腐蚀原电池体系的电位将向负的方向偏移。v若使金属继续阴极极化到更负的电位Ea即达到微阳极的开路
8、电位，则腐蚀减至为零。金属达到完全保护v总之，极化消除了被保护金属体表面的电化学不均匀性，抑制了微电池作用，又因为阴极极化构成了新的大地电池即保护电路，使被保护金属体成为新的大地电池的阴极，从而在其表面只发生得电子的还原反应。金属不再发生丢电子的氧化反应，腐蚀不再发生。这就是阴极保护使金属受到保护的原理。返回本章第一页二、阴极保护原理v阴极保护是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，该技术的基本原理是使金属构件作为阴极，对其施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，该金属表面的电化学不均匀性得到消除，腐蚀的阴极溶解过程得到有效抑制，
9、达到保护的目的。在金属表面上的阳极反应和阴极反应都有自己的平衡点，为了达到完全的阴极保护，必须使整个金属的电位降低到最活泼点的平衡电位。v阴极保护的原理；是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即，牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。返回本章第一页三、阴极保护方式v阴极保护可以通过下面两种方式实现。v、牺牲阳极法v、强制电流保护法返回目录三、阴极保护方式v、牺牲阳极法v 将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。
10、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值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。v常用牺牲阳极材料有高钝镁合金、高钝锌及锌合金、铝合金等。返回本章第一页三、阴极保护方式v牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆.米）的金属结构
11、。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。返回本章第一页三、阴极保护方式v、强制电流保护法v将被保护金属与外加电源负极相连，由于外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。v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
12、，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应。因此，辅助阳极本身存在消耗。v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，如：长输埋地管道，大型罐群等。返回本章第一页三、阴极保护方式v阴极保护的上述两种方法，都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀，需要保护的金属体，提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流，使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。一种是利用电位更负的金属或合金，另一种则利用直流电源。v两种保护方式的选择v强制电流阴极保护驱
13、动电压高，输出电流大，有效保护范围广，适用于被保护面积大的长距离、大口径管道。v牺牲阳极阴极保护不需外部电源，维护管理经济，简单，对邻近地下金属构筑物干扰影响小，适用于短距离、小口径、分散的管道。v图表明了牺牲阳极和外加电源阳极的大致使用范围，从图中可以看到，镁阳极主要用于低欧姆的土壤内，以及总电流量需要小的管道上。返回本章第一页三、阴极保护方式返回本章第一页四、阴极保护的基本参数v、最小保护电流密度v阴极保护时，使腐蚀停止，或达到允许程度时所需的电流密度值称为最小保护电流密度。v最小保护电流密度的大小取决于被保护金属的种类，表面状况、腐蚀介质的性质、组成、浓度、温度和金属表面绝缘层质量等。v
14、、最小保护电位v为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的绝对值最小的负电位值，称之为最小保护电位。v最小保护电位也与金属的种类、腐蚀介质的组成、温度、浓度等有关。最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基准。因此此电位值是监控阴极保护的重要参数。v实验测定在土壤中的最小保护电位为0.85V（相对饱和硫酸铜参比电极）。返回目录四、阴极保护的基本参数v、最大保护电位v在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。此电位值就是最大保护电位。v最大保护电位值的大小通过试验确定。一般取1.5V（CSE）。v在新的PE保护层中可用断点测试法，在断3秒时测试
15、其最大保护电位不大于-1.15Vv腐蚀电位或自然电位每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位（自然电位）。腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子，我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子（如，铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。返回本章第一页五、参比电极 v为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。饱和硫酸铜参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴极保护领域中得到广泛采用。v不同参比电极之间的电位比较：土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位（V）
16、被保护结构 相对于不同参比电极的电位饱和硫酸铜 氯化银 锌 饱和甘汞钢铁（土壤或水中）-0.85 -0.75 0.25-0.778钢铁（硫酸盐还原菌）-0.95-0.85 0.15-0.878 返回目录五、参比电极v参比电极位置对测量结果影响.v假设受阴极保护的管道为河床,外加电流为河水,水位为保护电位.由于河床密实,渗水量很小,当上游供水量平衡时,河面将保持一个稳定的深度(自上游到下游水位逐渐下降,相当于阴极保护电位的衰减),如果河床某处出现一个漏水点,则大量的水将通过该点泄漏,在河面形成旋涡.使漏点上方的实际水位低于其他河面.同样,受阴极保护的管道,其防腐层相当于密实的河床,由于绝缘电阻大
17、,仅有少量的电流透过防腐层到达管道.但如果防腐层有漏点,则较多的电流通过漏点进入管道.在漏点附近形成漏斗状电压场.使漏点处的电位低于其他地方的电位.返回本章第一页六、管线阴极保护装置v1、管线工程概述v 公司输送管线全长约30km，为DN250埋地敷设钢质管道，输送管线起自公司库泵出口至有限公司罐界区线外1米处（具体坐标现场勘定，此为第一段管线），全长约27 km，并延至有限公司罐界区外1米处（具体坐标现场勘定），此为第二段管线，全长约4 km。返回目录六、管线阴极保护装置 2、管线阴极保护装置概述 由于输送管线大部分穿越荒郊野外及山区,穿越地区土壤电阻率很高，高达500m1000m，因此对管
18、线宜采取外加电流阴极保护方式。由于管线穿越大量的山区，会造成保护电流的屏蔽，为了保证管道得到均匀有效的保护，本项目设计两套阴极保护系统。部分仍对保护电流产生屏蔽处，另采用镁牺牲阳极保护。本工程共设两座阴极保护站，分别位于输送管道两端的站场安全区内，阴极保护系统主要包括恒电位仪、恒电位仪切换控制柜、辅助阳极、长效埋地参比电极、阴/阳极电缆、测试桩、锌接地电池等设施的制作安装。返回本章第一页六、管线阴极保护装置3、管线阴极保护装置设备组成v a、恒电位仪v每个阴极保护站设计2台KHL型恒电位仪（互为备用每一个月交换一次）以及一台配套使用的恒电位仪切换控制柜。v恒电位议主要技术指标如下：v直流输出：
19、60V/30A；交流输入：380V/50Hz；v给定电位连续可调范围：0.03V（可连续可调）；v输出控制：手动或自动；v手动时设备输出为恒流工作；自动时，设备输出为恒电位工作；v恒流范围030A；最大限压值：DC60V；v恒电位范围 03伏；最大限流值：DC52A；v恒电位精度：5mV；输入阻抗：10M；v保护功能：过流、过压等故障的自动保护功能；v安装方式：室内；防雷方式：输入输出雷击防护；v绝缘电阻：20 M；满载波纹系数：小于5。返回本章第一页六、管线阴极保护装置b、辅助阳极及阳极地床 本项目每套阴极保护系统设计DYY-1型金属氧化物阳极16支。考虑云南的地质情况，阳极地床采用浅埋阳极
20、地床，位置在一号阀站西侧150米处。c、参比电极 为了给阴极保护电源提供电位信号和测量管道电位，在管道通电点处埋设2只控制参比电极，采用MCT-2长寿命铜/饱和硫酸铜参比电极，预包装在填包料的布袋中，并带有一根截面积为1.5mm2的高分子聚乙烯铜芯电缆。本项目共安装参比电极4套。管道中间段电位测试利用便携式参比电极，本项目共设2套便携式参比电极。参比电极的埋设位置在通电点处，距管线200mm，埋深度2米，并确保其处于永久湿润的环境中。返回本章第一页六、管线阴极保护装置d、测试桩v测试桩用于检测管道的保护电位和开路电位。沿管线每公里设置一个测试桩，在公路、铁路穿越等地增设测试桩。每一个月要对阴极
21、保护全面巡检一次，检测每一个测试桩电位要在保护范围内。e、接地电池v在管道与非保护埋地钢结构或设施存在连接的情况，为了避免被保护管道保护电流的流失，在连接处安装绝缘法兰或绝缘接头，并在绝缘法兰处安装一套接地电池。本条管线设计接地电池20套。返回本章第一页七、恒电位仪工作原理及操作恒电位仪工作原理及操作v1、恒电位仪基本工作原理恒电位仪基本工作原理 当仪器处于“自动”工作状态时，机内给定信号（控制信号）或外控给定信号和经阻抗变换器隔离后的参比信号一起送入比较放大器，经高精度、高稳定性的比较放大器比较放大，输出误差控制信号，将此信号送入移相触发器，移相触发器根据该信号的大小，自动调节脉冲的移相时间
22、，通过脉冲变压器输出触发脉冲调整极化回路中可控硅的导通角，改变输出电压、电流的大小，使保护电位等于设定的给定电位，从而实现恒电位保护。返回目录七、恒电位仪工作原理及操作恒电位仪工作原理及操作2、运行状态的转换 当仪器工作在恒电位状态而因参比失效或其它故障致使仪器不能实现恒电位控制时，经一定时间延迟后，仪器确认采集到的信号实属恒电位失控的误差信号，就将自动转换为恒电流工作状态。恒电流给定信号和经阻抗变换后输出电流取样信号一起送入比较放大器，比较放大器输出误差控制信号通过移相触发器调整可控硅的导通角的大小使仪器的输出电流恒定在预先设定的电流值上。返回本章第一页七、恒电位仪工作原理及操作恒电位仪工作
23、原理及操作3、基本操作方法 3.1将面板上“控制调节”旋钮反时针旋到底，将“工作方式”开关置“自动”挡，“测量选择”置“控制”挡。3.2将电源开关扳到“工作”档，仪器电源指示灯亮，状态指示灯显示橙色，各面板表应均有显示。顺时针旋动“控制调节”旋钮，将控制电位调到欲控值上，此时，仪器工作于“自检”状态，“测量选择”开关在“控制”档与“保护”档之间切换，电位表显示值基本一致，表明仪器正常。3.3将电源开关扳至“工作”档，此时仪器对被保护体通电。根据现场管道实际情况，旋动“控制调节”旋钮使管道电位达到欲控值。3.4若要“手动”工作,将“工作方式”开关拨至“手动”档，顺时针旋动“输出调节”旋钮，使输出
24、电流达到欲控值。3.5恒电流设定：面板板上恒流设定开关，此时面板状态指示灯显示黄色表明进入恒电流状态，根据现场管道实际电流，调节“恒流调节”电位器，使电流达到欲控值（出厂时设定在仪器额定电流的30%），恒电流设定完毕，将仪器关机再开机。返回本章第一页七、恒电位仪工作原理及操作恒电位仪工作原理及操作4使用条件及注意事项4.1手动输出调节电位器应反时针旋到底，以免在由“自动”转“手动”时输出电流过大。4.2 一般情况，能自动运行不使用手动。4.3多路使用时顺时针调到现场达到保护电位所需电流。4.4仪器从“手动”档切换到“自动”档时，应先关机，将“工作方式”开关置“自动”后再开机。因仪器在“手动”工作时，自动控制部份处于失衡状态，此时如直接切换到“自动”档仪器工作将不正常。返回本章第一页
