管道阴极保护理论与实践.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,管道阴极保护理论与实践,（优选）管道阴极保护理论与实践,第一节 腐蚀与防护,1.1,腐蚀定义及防腐的意义,定义,可从几方面下定义,（1）,由于材料与环境作用而引起的破坏和变质,；,（2）,除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏,；,（3）,冶金的逆过程,。,ISO,定义：,金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学性质,。（见,GB/T 10123-2001）,腐蚀损失,UK,，Hoar,1969GDP；,US,1975，700,亿 4.2%,GDP，820,亿，1982年，1260亿，,1992年，1700亿；,NACE,新统计为3000亿，,GDP4.2%，,其中基础设施为,1500亿，1100/人；,中国 石油行业,1987统计，漏泄：容器0.14次/台年，管道2万/年；,1989，石化 约20亿；,西直门桥1979建，1999拆，重修费用3000万，北京立交桥,有200座，仅大北窑桥改造工程就花4000万；,2003年10月发表的,中国腐蚀调查报告,指出:,我国腐蚀损失为,5000亿元/年,5%,GDP,其中 20%可以避免 1000亿元,（1）高温、低温；,（2）化学、电化学；,（3）湿、干腐蚀。,（1）,均匀腐蚀：,失重量、腐蚀深度、腐蚀电流；,（2）,局部腐蚀,：点蚀系数。,1.2 防蚀方法,1,选择耐蚀材料,(供应、耐蚀、成本、强度、加工性、外观等因素),2 与环境隔离的防腐层技术,3 适当的结构设计,4 阴极保护,5 缓蚀剂,6 改变环境 降温、降速、除氧、改变浓度,7 防锈技术（电镀、涂料）,8 材料改性（不锈钢）,1.3,腐蚀领域新方向,肖纪美，简易材料观，李金桂，表面工程论,第二节 阴极保护,2.1,阴极保护原理,1 三电极理论,2 E-pH,理论,3 极化理论,4 原电池理论,原电池三要素：,1）两电极电位不同的两电极；,2）两电极必须在同一电解质溶液里；,3）两电极间必须有导线连接,。,防腐蚀方法：,阴极保护破坏（1），防腐层破坏（2）,。,2.2,阴极保护参数,保护电位准则,（,NACE RP 0169-96、SY/T 0036）：,（1）,通电情况下-850,mV；,（2）,极化电位-850,mV；,（3）,极化电位差-100,mV,。,测试条件,(1)通电条件下测量,含有,IR,降,必须除去,(2)通常采用断电法测量,不含,IR,降,(3)极化形成或衰减过程中,(4)管网及杂散电流干扰下,必须采用探,头法测,术语:,参比电极：,一种不极化电极，可用于测量管/地电位，它具有稳定的氢标电位。土壤中常用的是,Cu/CuSO,4,电极。在一些不易接近的地方，有时也用金属电极（如,Zn）。,测量交流电压时可使用金属棒作参比电极。,V,off,断电电位：,断开阴极保护电流后瞬间直接测得的管/地电位。因不含,IR,降，故可视为极化电位。,V,on,通电电位：,施加阴极保护电流情况下测得的管/地电位。,因含有,IR,降，故不宜做为保护准则用。若要用时，应考虑排,除其,IR,降成分。,极化电位：,施加保护电流后引起管/地电位的偏移。,管地电位：,用与土壤相接触的参比电极测得的管道对地电位。,保护电位密度,覆盖层的质量,环境条件（流速、污染、温度）,2.3,阴极保护方法,1,牺牲阳极法,2 强制电流法,3 排流保护法,方法比较见表6-1,CATHODIC CORROSION PROTECTION,2.4,防腐层与阴极保护,（1）,防腐层的作用：隔绝电解质,（2）,防腐层的种类,石油沥青：早期用、面积电阻低、有污染、应淘汰,环氧煤矿沥青：早期用于补口、面积电阻很低、质量不宜控制、应禁用,煤焦油瓷漆：性能好、寿命长、面积电阻低、有污染、不应大量 应用,环氧粉末(,FBE)：,性能优、寿命长、面积电阻高、应大力推广应用,聚乙烯(,PE)：,性能优、寿命长、面积电阻很高、但有阴极屏蔽作用,三层,PE(FBE-,胶-,PE)：,性能优、寿命长、面电阻很高、防腐功能强、但有阴极屏蔽作用,（3）,防腐层质量与阴极保护电流密度,2.5,阴极保护技术国内现状,（1）,管道,20000,km,长输管道全施加保护,油田集输管道基本施加了保护,市政供气、水管道有上保护和无保护的,（2）,储罐,国内大型储罐基本都施加了保护,城市加油站的小型储罐有的上了保护,（3）,标准与法律,中国石油天然气管道保护条例,国内有一套阴极保护的待业标准,第三节 牺牲阳极保护,3.1,牺牲阳极种类,基本要求：,（1）要有足够的负电位，且很稳定；,（2）工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；,（3）电流效率高；,（4）电化当量高，单位重量的电容量大；,（5）腐蚀产物无毒，不污染环境；,（6）材料来源广，加工容易；,（7）价格便宜。,镁及镁合金,：,（1）,品种：高纯镁、高电位、标准；,（2）性能：电位高、效率低；,（1）品种：高纯锌、锌-铝-镉、锌-铝；,（2）性能：电位低、效率高；,（1）品种：铝-锌-铟、铝-锌-汞；,（2）性能：不能用于土壤中。,质量要求：要点杂质含量不能大，主要是铁，合金成分合理.,3.2,牺牲阳极应用,依据环境条件选用（表8-13）,依据保护对象选,依据使用功能选,3.3,牺牲阳极设计,1,阳极种类的选择（表8-13）,2 计算程序,（1）接地电阻,（2）单支输出电流,（3）所需阳极数量,（4）阳极寿命,3 地床结构,填料的成分和作用,4,施工,（1）地床位置,（2）阳极间隔,（3）埋设方式,5 牺牲阳极的特殊应用,（1）接地极,（2）参比电极,（3）防强电干扰接地栅,（4）接地电池,第四节 强制电流,4.1,电源,要求,（1）安全可靠；,（2）电流电压连续可调；,（3）适应当地环境；,（4）有富裕电容量；,（5）与系统电阻相配；,（6）操作维护简单；价格合理。,（1）整流器 （2）太阳电池 （3）,CCVT （4）TEG （5）,风力发电机,ALTERNATIVE DC-POWER SOURCES,FOR CATHODIC PROTECTION UNITS,电源选用原则,（1,）首选整流器；,（2）优化恒电位；,（3）无电看气象；,（4）发电有无气,(5),CCITT,和,ITU,无电地区的电源推荐方案(,P104),4.2,辅助阳极,基本要求：,（1）消耗率低，,（2）阳极极化低；,（3）导电性好；,（4）可靠性高；,（5）足够的机械强度和稳定性；,（6）耐磨蚀，抗侵蚀；,（7）材料来源广，价格便宜；,（8）容易制造成各种形状,。,（1）石墨阳极；,（2）高硅铸铁阳极；,（3）磁性氧化铁阳极；,（4）金属氧化物阳极；,（5）柔性阳极。,。,回填料,（1）作用：降低阳极/土壤接触电阻；,良好导电率；,腐蚀气体排出；,耐阳极产物。,（2）品种：,石油焦、冶金焦,（3）粒径 315,mm,(4),含碳量 大于85%,（1）设计原则：接地电阻要适当；,干扰影响小；,电流分布均匀；,（2）结构：要加回填料，以防气阻；,上部要有粗砂，利于排气；,（3）形式：浅埋立式、,浅埋水平式、,深井可换式、,深井闭合式,。,第五节 排流保护,5.1,直流干扰危害及防护,DC,杂散电流判据,（1）管/地电位偏移+20,mV,或地电位梯度大于0.5,mV/m,确认有干扰；,（2）管/地电位偏移+100,mV,或地电位梯度大于2.5,mV/m,要采取措施。,DC,杂散电流的危害,（1）电蚀：激烈、集中、量大，铁 9.1,kg/A.a；,（2）实例：东北管网，杂散电流干扰区占2%，而腐蚀 穿孔占60%；,高达500,A，,腐蚀率大于10-15,mm/a；,最快为3个月穿孔；,（3）主要干扰源：电（地）铁、电解、电镀、电焊（船的维修)、阴极保护（城市管道）、直流用电设备。,5,.1.3 防护,（1）直接排流；,（2）极性排流；,（3）强制排流；,（4）间接排流；,(5）镁阳极极性间接排流。,5.2,交流干扰危害及防护,AC,杂散电流感应影响,（1）干扰源：,大于110,kV,高压线路、,电气化铁路、,发电厂变电站,（2）影响途径：,容性耦合、,阻性耦合、,感性耦合,（3）实例：宝成线油库管线、,东北管道（两线一地、哈大线),SIGNIFICANT PARAMETERS IN ANALYSIS OF HVAC INTERFERENCE ON PIPELINES,Electromagnetic field,Soil resistivity,W,x m,Coating quality Coating resistance,Length of parallelism,Offset distance,HIGH VOLTAGE INTERFERENCE INDUCED PIPE TO SOIL VOLTAGE,电位差法,4 原电池理论 原电池三要素：,(3)必要时检验阳极表面腐蚀状态；,（2）储罐 国内大型储罐基本都施加了保护,8 材料改性（不锈钢）,标准电阻法,(2)施加电压正常，电流小但不为零，可能的原因有：,b.,（1）电蚀：激烈、集中、量大，铁 9.,（3）实例：宝成线油库管线、,(4)含碳量 大于85%,（3）磁性氧化铁阳极；,（4）接地电池,地电位梯度,（2）极化电位-850mV；,AC,杂散电流感应影响危害,（1）安全,操作人员,设备安全,（2）腐蚀影响,对于钢铁相当,DC,的1%2%,两性金属不能忽略,防护,（1）指标：持续65,V(,德国,Afk3）60V(,中国,GB6830、TB/T2832）；,瞬间1000,V（,德国）430,V（,中国）,（2）防护：接地排流、极性排流、嵌位式排流、电容排流、绝缘,隔断、,AT(,自耦变压器）,BT(,吸流变压器）方式、,绝缘接头防护,（3）国内实践：,宝成线、,哈大线、,秦京线,第六节 阴极保护管道设计,6.1,阴极保护电绝缘,防腐层,绝缘接头,6.2,电连续性,跨接,法兰接处,站外干线管道连接,阀室外连接,预应力混凝土管道的环向筋的连接,6.3,测试系统,遥控系统,遥测系统,6.4,测试项目与管理（详见第8节）,牺牲阳极系统,强制电流系统,阴极保护管理的三大指标,测试项目,6.5,设计计算,强制电流系统,（1)所需保护总电流,(2)单站保护范围,(3)所需站数,(4)单站电流,（5)单支阳极电阻,(6)所需阳极质,(7)回路电阻（阳极、阴极导线、阳极导线）,(8)电源功率,牺牲阳极系统,（1）所需保护电流,（2）单支阳极电流,（3）阳极数量,（4）单支阳极保护范围,（5）阳极寿命,第七节 阴极保护测试,7.1,阴极保护电位测试,一般原则,IR,降影响及消除,7.2,保护准则测试,一般要求,mV,mV,mV,极化差,建立中,衰减中,7.3 电流测试,牺牲阳极电流,标准电阻法,双电流表法,管内电流,两极法,四极法,Js=(I1 I2)/S,7.4,电阻测试,土壤电阻率,现场四极法,土壤箱法,接地电阻,ZC8,三极法,两极法,MEASUREMENT OF CURRENT DENSITY AND COATING RESISTANCE,CATHODIC PROTECTION OF PIPELINES,7.5,故障点测试,套管短路,电位差法,覆盖层漏点,地面检漏,地电位梯度,与其它管道短路点,地面电位梯度,7.6,覆盖层面积电阻测试,方法简介,名称（定义）、单位,德国贝克曼定义：防腐层电阻率是防腐层电阻和面积的乘积。,单位：,m,2,。,测量方法的区别,NACE TM 0102,地下管道保护性覆盖层电导率的测量方法,覆盖层面电阻与保护电流密度的关系,检漏可定性的给出防腐层的好与坏，但不能得出面电阻；,交流检测信号无论是电平还是电流都与直流不一样；,用于检漏，交流电流信号好于电平信号,。,NACE TM 0102,简介,（1）一般方法,（2）电位衰减法,（3）用电导率来评价覆盖层状态,第八节 运行与管理,8.1,概述,阴极保护工程应与被保护构筑物同时设计、同时施工、同时投产，一旦投入运行，就应确保阴极保护系统持续有效，任何异常现象都应及时处理，这是管理工作者的责任,。,3 适当的结构设计,环境条件（流速、污染、温度）,（2）除了单纯机械破坏以外的材料一切破坏；,可能的原因有：,保护率反映管道施加有效阴极保护覆盖范围的程度，通常以保护管道的总长和未达有效保护管道长度两参数计算。,(2)半年或一年检测一次阳极工作电位和电流；,2）两电极必须在同一电解质溶液里；,NACE TM 0102简介,环境改变引起迅速去极化或者水的含氧量增大；,（1）要有足够的负电位，且很稳定；,标准电阻法,金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。,2）两电极必须在同一电解质溶液里；,（1）所需保护电流,6 覆盖层面积电阻测试,一般技术要求,被保护构筑物的电位,阴极保护的有效性判据是保护电位，因此电位参数测试的准确性显得十分重要，通常要注意：,(1),测量回路中的,IR,降影响；,(2),参比电极的校准；,(3),测试仪表的精确度（内阻及量程）；,(4),外界干扰的存在；,(5),极化时间要求。,管理工作中，被保护构筑物的电位是必测项目，测量的时间间隔应有明确的规定，定期测得的数据要纳入技术档案，永久保存。,POTENTIAL MEASUREMENT WITH POLARIZATION PROBE,阴极保护准则的练习,自然电位 通电电位 断电电位,0.550 0.980 0.851 A,B,C,0.450 0.848 0.554 C,0.501 0.899 无IR降 A,B,C,不知道 0.932 0.865 A,B,A=0.850V(通);B=0.850V(断);C=100mV(极化差),中含有硫酸盐还原菌时，为-0.,(3)必要时检验阳极表面腐蚀状态；,阳极/阴极的连接断开；,2）两电极必须在同一电解质溶液里；,（5）与系统电阻相配；,d.,(4)外界干扰的存在；,ALTERNATIVE DC-POWER SOURCES,（4）单支阳极保护范围,Tc 100,环氧粉末(FBE)：性能优、寿命长、面积电阻高、应大力推广应用,因不含IR降，故可视为极化电位。,在远端电连续性跨接断开；,US 1975，700亿 4.,(供应、耐蚀、成本、强度、加工性、外观等因素),牺牲阳极系统,在牺牲阳极设计时，阳极与被保护构筑物的连接有两种方式，一是直接焊到被保护体上，另一种是通过接线盒与被保护体相连。对于前一种情况，被保护构筑物的自然电位将测不出来，应采用辅助试片，试片不与被保护体相连，并置于同一电解质中，试片的材质应与被保护体相同。,牺牲阳极的测试参数有电位、电流和电阻。,牺牲阳极的管理要求为：,(1),定期检测被保护构筑物的电位；,(2),半年或一年检测一次阳极工作电位和电流；,(3),必要时检验阳极表面腐蚀状态；,(4)牺牲阳极装置系统完整性维护。,牺牲阳极故障分析有以下两项：,（1）,阳极输出电流减小，达不到保护电位，这种现象的可能原因有：,a.,阳极消耗，可能需要更换；,b.,阳极/阴极的连接断开；,c.,阳极/导线接头断开；,d.,阴极/导线接头断开；,e.,阳极周围土壤干燥；,f.,环境污染对阳极性能的影响。,（2）,阳极输出电流增大，但保护构筑物电位极化不上去，这种,现象的可能原因有：,a.,被保护构筑物所需电流过大,阳极输出的电流远小于所需电流；,b.,被保护体与相邻金属构筑物有电连接；,c.,环境改变引起迅速去极化或者水的含氧量增大；,d.,绝缘装置失效；,e.,覆盖层老化或破坏。,（3）,牺牲阳极其它故障,a.,阳极体腐蚀不严重，但阳极已不能工作。可能的原因为，阳极成分不合理，在工作环境中造成钝化所致，影响因素有温度、含盐类型等。,b.,阳极体局部腐蚀严重，造成阳极体断裂。可能的原因是阳极合金化不均匀，造成局部腐恂。,c.,未达设计寿命，阳极失效。可能的原因为，阳极杂质含量高，阳极效率降低。,d.,在交流电干扰状态下，有时阳极会发生极性逆转，管理中，如有交流干扰要严密监视。,强制电流系统,强制电流系统由电源和辅助阳极两部分组成，其维护的内容也是这两方面。,电源设备种类较多，采用交流供电的有恒电位仪、恒电流仪及变压器、整流器、配电装置等形式，它们的维护保养与低压用电设备一样。采用,TEG、CCVT,等供电方式的，除了要按低压电器设备的维护要求外，还要对燃气供给系统进行维护保养。,通常要注意的有：,电连接点牢固可靠；,机体对地绝缘符合规定；,外壳无锈蚀；,供气系统畅通无阻；,散热板无积炭；,太阳能电池极板无枳雪或灰尘；,不同地理位置，不同的环境温度要校准仪器设备的,工作点。,辅助阳极地床结构形式多种多样，不管使用什么样的地床，都要注意：,阳极引线接头防水绝缘密封完好；,阳极对电解质的电阻稳定不变；,土壤环境中的阳极“气阻”现象。,对于强制电流阴极保护系统，常见故障及其原因有,：,(1),通电后，构筑物/电解质电位变正，这是正、负极接反了，必须立即更正，否则将会造成被保护体快速电解腐蚀，危险性极大。,(2)施加电压正常，电流小但不为零，可能的原因有：,a.,阳极或地床破坏；,b.,地床干燥或阳极露出水面；,c.,土壤环境中，阳极地床的“气阻”；,d.,阳极接头断开；,e.,阴极引线断开,。,(3),施加电压正常，电流为零，可能的原因为阴、阳极引线断开，或阳极完全失效。,(4)施加电压、电流偏小，可能的原因有：,a.,变压比例不合适；,b.,变压、整流器故障；,c.,供电系统故障。,(5)施加电压、电流偏大，可能的原因是变压比例不合适,。,(6),施加的电压、电流正常,但构筑物/电解质电位负移不够，,可能的原因有：,a.,电连接点断开或接头电阻过大；,b.,测试点处土壤干燥或土壤充气过多；,c.,环境去极化作用过强，或水中含氧量增大；,d.,绝缘故障，与其它构筑物短路；,e.,金属构筑物的屏蔽作用；,f.,相邻阴极保护装置失效；,g.,防腐覆盖层老化或损坏。,(7),施加的电压、电流正常，但构筑物/电解质电位负得不正常，,可能的原因有：,a.,在远端电连续性跨接断开；,b.,调试之后，电解质的充气降低；,c.,电解质流速降低；,d.,干扰跨接断开；,(8)施加的电压、电流正常，但构筑物/电解质电位波动，可能,的原因是杂散电流干扰。,管理测量,由于阴极保护系统管理测量为现场测量，就测量的准确性、重现性和对比性而言，要求操作者力争作到：,(1),测试仪表前、后一致；,(2),参比电极位置固定不变；,(3),环境条件（温度、湿度等）尽量相同；,(4),接线连接工具一样；,(5)参比电极使用前应校正。,8.2,地下金属构筑物,总则,按,SY/T 591994,标准要求，埋地钢质管道阴极保护管理主要控制下面几个指标：,(1),保护率100；,(2),运行率,95；,(3),保护度,85；,(4)保护电位：一般地区为-0.85,V（CSE）,或更负；当土壤或水,中含有硫酸盐还原菌时，为-0.95,V（CSE）,或更负。,保护率反映管道施加有效阴极保护覆盖范围的程度，通常以保护管道的总长和未达有效保护管道长度两参数计算。,保护率计算公式为：,T,c,100,式中,T,C,保护率；,L,1,施加保护管道总长，,km；,L,0,未达有效保护管道总长，,km,；,阴极保护运行率反映在一年时间内，阴极保护运行时间所占的比例。,运行率计算公式为：,T,100,式中,T,阴极保护运行率；,T,1,年度内有效运行时间，,h；,T,0,全年小时数，取8760,h,。,