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阴极保护培训资料 Document number【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】
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阴极保护培训资料
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阴极保护培训资料
目录
第一部分腐蚀原理简介
第二部分阴极保护简介
第三部分强制电流阴极保护系统构成及故障分析
第四部分 IHF数控高频开关恒电位仪及YHS-1控制柜操作规程第五部分 IHF数控高频开关恒电位仪内部结构及工作原理说明第六部分恒电位仪参数调整与维修说明
第七部分恒电位仪常见故障与维修方法
第一部分腐蚀原理简介
一、腐蚀的定义
腐蚀是金属与周围介质发生化学、电化学反应导致金属破坏的过程。
按照腐蚀原理可分为：
化学腐蚀
定义：指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。
特点：腐蚀过程中无电流的产生。
根据介质的不同它又可分为：
（1）.气体腐蚀
（2）.在非电解质溶液中的腐蚀
电化学腐蚀：
定义：指金属表面与电解质因发生电化学反应而引起的破坏。
特点：腐蚀过程中有电流的产生。
二、电极电位
三、发生腐蚀的原因
在电解质中，金属的不同部位，电极电位是不同的，从而形成腐蚀电池。而电极电位的差异是金属自身或环境状况不同所引起的。
1.微电池的形成
（1）化学反应的不均匀性、金属组织的不均匀性、表面物理状态的不均匀性等，都可引起电化学腐蚀。
（2）金属表面有扎屑、有划痕、受应力。
（3）此时金属表面形成了无数个微阴极和微阳极，构成了微观腐蚀电池。
2.宏电池
四、腐蚀发生的过程
金属的腐蚀大多为电化学过程，金属表面与电介质接触，如：在大气的环境下，含盐的水蒸气，当金属浸在淡水、海水或埋在土壤中时，电介质是含盐的水份，形成腐蚀电池。
阴、阳极在金属表面的分布取决于金属各点的内部结构及外部环境。电极电位较低的为阳极、电位较高的为阴极，电子将离开阳极向阴极移动，而位于阳极区的金属原子由于失去电子而呈微带正电的离子、进入电解质。
带正电的金属离子与周围电介质中的负离子发生反应而形成的腐蚀产物，金属发生腐蚀。
在阴极区，由于存在多余的电子，金属不会发生腐蚀，化学反应在电介质中发生，如（OH）--析氢
五、发生腐蚀的必要条件 六、腐蚀发生的不同类型
1．管道防腐层破损引起的腐蚀
漏点
2．金属成分、构造不同引起的腐蚀 3． 在通气条件差（氧含量低）的环境下，钢结构对低电位较低。 如埋设在道路下的管道，对地电位较低，为阳极，首先发生腐蚀。
对于大直径管道，由于其顶部相对干燥，通气较好，所以，其底部通气较差，较容易发生腐蚀。 4．硫酸盐还原菌腐蚀
当通气条件差时（如在黏土中、或潮湿环境下），硫酸盐还原菌可能会活跃，发生如下反应：
由于氢原子不断被消耗，需要更多的电
子来产生氢原子，因此，腐蚀加剧。
腐蚀特点是金属表面光亮并伴有臭鸡蛋味。
PH 值对于评价土壤的腐蚀性没有太大意义，但当怀疑有酸性污染时，应当对其进行测量。采用一般的试纸就可以满足精度要求。
5．新旧管道腐蚀
如果在旧管道中换掉上一段新管道，新换的管道要比预期寿命短。 低碳钢（锈）： —
低碳钢（光亮）： —
钢制管道（阳极）
铜质接头
新管道 （阳极）
旧管道 （阴极）
防腐层
阴极区 阳极区
阴极区
管壁
6．环境不同引起的腐蚀
管道经过不同性质土壤时，将形成腐蚀电池，阳极段发生腐蚀。
混凝土的包裹将产生腐蚀电池，混凝土外面的管道为阳极发生腐蚀。
7．杂散电流腐蚀
腐蚀干扰：由于杂散电流的影响而产生的金属结构电位的波动。
杂散电流：沿规定路径之外的路径流动的电流。
杂散电流腐蚀：由于杂散电流流动而引起的腐蚀。
直流电车系统以及阴极保护系统经常成为杂散电流源。当管道防腐层较差时，杂散电流从管道的一个部位进入管道，沿管道流动一段距离后，在涂层缺陷处离开管道。
在电流进入的部位，管道得到保护；在电流离开的部位，管道发生腐蚀。
第二部分阴极保护简介
一、阴极保护原理
阴极保护定义：通过采取措施，使被保护金属表面在电化学电池中为阴极而减缓其腐蚀的技术。
强制电流从周围电介质中流向被保护结构表面，使金属表面全部处于阴极状态，就可抑制阴极区金属表面电子释放。施加的电流越大，产生的阴极极化越强，直到腐蚀原电池的阴阳电极极达到等电位，消除结构表面的阳极区，腐蚀就会得到抑制。
实现这一目的有两个途径，即：外加电流和牺牲阳极阴极保护。
从理论上讲，如果涂层是完整、无缺陷的，那么，涂层自己就可以完成防腐任务。然而，要做到涂层无缺陷，实际上是很困难和不经济的。因此，涂层和阴极保护的结合，99%的防腐任务有防腐层承担、阴极保护对防腐层缺陷处进行保护，是最经济、有效的防腐措施。
二、阴极保护的条件
从技术可行性上讲，阴极保护必须具备三个使用条件：
1、管道纵向连续导电，确保阴极保护电流畅通，是阴极保护的必要条件之一。法兰、丝扣部位需要电缆跨接。
2、具有足够电阻的管道覆盖层。覆盖层的主要作用是隔离土壤介质，阻止形成腐蚀电池。覆盖层的电阻愈大，需要的保护电流愈小。
3、管道与其他非保护构筑物之间电绝缘。电绝缘可以防止阴极电流流失，还可减轻电偶腐蚀，减轻杂散电流干扰等。
三、阴极保护准则
1．埋地钢质管道阴极保护准则可采用下列任一项或几项为判据：
在施加阴极电流的情况下，测的管/地电位为—850mv（相对饱和硫酸铜参比电
极，下同）或更负。
注：正确解释管/地电位测量值，必须考虑测量方法中所含的IR降误差，通常采用下面的几个方法：
①测量或计算IR降；
②检查阴极保护系统以往的性能；
③评价管道及其环境的物理和电性能；
④确定是否存在腐蚀的直接证据。
相对饱和硫酸铜参比电极的管/地极化电位为—850mV或更负
管道表面与同土壤接触的稳定的参比电极之间阴极极化电位值最小为100mV。这一准则可以用于极化的建立过程和衰减过程中。
2．特殊条件的考虑
对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在预先的电流排放点（阳极区），确定净电流是从电解质流向管道表面。
当土壤和水中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根的含量大于%时，通电保护电流应达到—950mV或更负。
3．最大保护电流的限制应根据覆盖层的种类及环境来确定，以不损坏覆盖层的沾结力为准。
推荐的最大保护电位为：
石油沥青—
煤焦油瓷漆—
环氧粉末—
四、牺牲阳极及外加电流阴极保护比较
牺牲阳极外加电流
五、牺牲阳极阴极保护
牺牲阳极阴极保护，依靠外加阳极不断溶解所产生的阴极电流实现阴极保护。该电位较负的电极成为牺牲阳极，因为随着电流的不断流动，阳极材料将不断的消耗。
牺牲阳极材料所应具备的条件：
A.电位足够负，但不宜太负，以免阴极区产生析氢反映；
B.阳极的极化率要小，电位极点流要输出稳定；
C.阳极材料的电容量要大；
D.必须有高的电流效率；
E.溶解均匀，容易脱落；
F.材料价格低廉，来源充分。
常用的牺牲阳极材料有三种：镁和镁合金、锌和锌合金、铝和铝合金：镁阳极电位更负、极化率小、发电量大，但电流效率低，适用于范围大、电阻率高和淡水中金属的保护；
锌阳极要求有缴高的纯度（%）；铝是自钝化金属，但通过合金化可以破坏其保
护膜，获得满意的性能;
铝阳极电位较低，单价格低廉。铝是两性金属，在土壤介质中，腐蚀产物容易水解成铝酸，加速阳极的自腐蚀，所以在土壤介质中一般不能应用。
1．牺牲阳极种类的选择
通常根据土壤电阻率选取牺牲阳极的种类，基本原则如下：
阳极种类土壤电阻率
带壮镁阳极〉100
镁—锰阳极（—）60—100
镁—铝—锌—锰阳极15—60
镁—铝—锌—锰阳极或锌阳极〈15
锌阳极〈5
2．牺牲阳极规格的选择
根据土壤的电阻率和保护寿命的年限来选择阳极的规格型号
MAZM-重量Amm Bmm Cmm Dmm Emm应用场合
—12759575200206短管，局部
保护—24759575350306
—38759575680700≥40Ω.m
—4119011088680700
20—40Ω.m —514100120101680700
—622130150125680700≤10Ω.m
3．牺牲阳极保护系统的安装
牺牲阳极可以单独埋设，也可以成组埋设（平行管道排列），成组阳极可以在管道两边埋设，阳极间隔b为2m.。
安装步骤：
安装前的检查：应检查合格证与产品化验文件，阳极表面严禁油污或其他污染，否则应彻底清除干净。检查阳极电缆接头有无破损，否则应重做绝缘密封和热缩。
填报料进场前应检查有产品合格证。每只阳极的成分、重量要符合设计要求，不允许减料和错装。
在牺牲阳极和填报料组装时，应使阳极基本上处于填报料的中央位置，不能用手感到阳极有偏位。牺牲阳极与填报料的组装后，如坑后应充分湿润。
回填土应不含砖、石、沙和其他杂物。浇湿，踏实。
六、外加电流阴极保护原理
外加电流阴极保护，又称为强制电流阴极保护。是利用外部电源提供阴极保护电流的阴极保护技术。
该方式是利用外部电源和辅助阳极，迫使电流通过辅助阳极从周围介质中流向被保护结构，从而消除腐蚀。
该阴极保护系统由整流电源、地床、参比电极、连接电缆组成。（地床：由多支阳极组成的阴极保护该地极成为地床）。
1．阴极保护电源——恒电位仪
恒电位仪的要求：
1.根据设置的不同，它可以恒电位、恒电
压、恒电流输出。
2.可靠性高，寿命长，维修简单。
3.输出电压、电流可调，具有抗过载、防
雷、防干扰、故障保护等功能。
4.输出、输入端有过流、防冲击保护装
置。
5.在恒电位输出的状态下，整流电源自动
调节输出电压、电流，使管/地电位维持
在设定值。
2．阴极保护电源技术要求
1）控制电位误差：≤±10mV
2）流经参比电极电流：≤±1μA
3）给定电压范围：0～3V连续可调
4）输出稳定值：0～输出电压额定值连续可调
5）仪器供电电压：AC220V/AV380V±10%
6）效率：≥90%
7）功率因数：≥90%
8）纹波电压：≤1%
9）绝缘电阻：≥20MΩ
10）整机过热保护阀值：（80～95）℃
11）输入对壳耐压：≥1500V
12）输入对输出耐压：≥1500V
13）输出对机壳耐压：≥1500V
14）工作温度：（-20～50）℃，储存温度（-20～70）℃
15）相对湿度：10～90%℃，
16）大气压力70～106 Kpa
17）运行方式：手动调节输出电流，恒电位输出3 雅合IHF数控高频开关恒电位仪的原理图
4．雅合IHF数控高频开关恒电位仪与可控硅、磁饱和恒电位仪性能对比
5．辅助阳极——硅铁阳极
硅铁阳极的成分：
Si：—%
Mn：—%
C：—%
镉： 4—5%
磷：≤%
硫：≤%
硅铁阳极的化学性能：
输出电流：5～80A/m2; 消耗率≤.;工作电流：10A/m2。
引线与阳极之间的接触电阻应小于，接头密封可靠，表面无明显缺陷。
硅铁阳极的作用：
硅铁阳极价格便宜，已经使用了几十年，可应用于各种环境，具有良好的使用记录。
在氢离子较多的环境（如海水），添加4—5%的铬。
使用硅铁阳极时，它与管道间具有2Vd反应电势（管道与硅铁阳极之间的电位差），选择恒电位仪时要给与考虑。
6．辅助阳极——混合金属氧化物阳极
阳极的特点：
该阳极是将混合金属氧化膜烧制在钛金属表面。氧化膜具有极强的导电性。该阳极具有体积小、重量轻、安装方便等优点。可以制成筒状、棒状、探头
状。
工作电流密度：
1.土壤及海水： 100 A/m2
2.海水： 500 A/m2
3.消耗率：＜.
7．阳极地床的位置
地床一般距离管道50—300m。土壤电阻率是决定地床位置最重要的因素，地床应安装在低土壤电阻率位置，低洼潮湿的区域。除此之外，还要考虑如下因素：
1.地床位置附近是否有其他埋地金属设施；若有的话，其间距大于100m。
2.地床距离管道一般不小于50m。土层厚、无石块、便于施工。
3.该地区未来的规格是否影响到地床的位置。
8．浅埋阳极地床安装
依据阴极保护站平面图，确定阳极地床的位置。阳极地床距保护管线垂直距离按设计进行。辅助阳极地床尽量选择在土壤电阻率低的环境，以有利于电流的输出。 高硅铸铁阳极引出线为VV —1KV/1×10mm 2。阳极接头密封可靠，阳极表面应无明显缺陷。阳极进场前，必须按产品性能指标验收。因高硅铸铁性脆、易断，在搬运、安装时应特别小心，以免摔碰而断裂，不能把阳极导线作为起吊工具。严禁用阳极引出线拉运阳极，阳极应轻拿轻放。
阳极四周填充焦炭填料，其粒度为小于φ15mm ，含碳量大于85%，阳极上下部的焦炭厚度均为150mm ，四周的焦炭厚度不小于150mm ，焦炭中不得混入泥土等杂物，必须夯实后才能继续回填。高硅铸铁阳极电缆与阳极汇流电缆，在接线箱内进行连接。 阳极与电缆接头，每支阳极电缆与汇合电缆接头即埋地电缆外绝缘层的检查是浅埋阳极地床安全运行的必要条件。
9． 深井阳极地床
深井阳极为埋设大于15m 的阳极地床，通常50～100m 深井地床，直径在250mm 以上，阳极排列在深井中，当地表土壤电阻率较大，或空间狭小时，或管网密集时，宜采用深井阳极。
深井阳极电流分布较浅埋阳极均匀，对其他结构干扰小，受季节性变化影响小，但造价较高，且一旦出现故障，则很难修复。
安装深井阳极时，应安装多孔排气管，排除阳极反应产生的氯气、氧气，以防止气阻。
采用筒状或线形混合氧化物阳极，可以减小工程量（钻孔直径200mm ）。 深井阳极接地电阻计算公式：
Ra=[
2L ρπ??]·ln[2l
D
?] 根据填充方式阳极又分：
开孔阳极：阳极周围只有水介质，阳极悬挂在阳极井中； 闭孔阳极：阳极周围用填料填充，阳极无法提出。
10．储罐底板外侧阴极保护方法比较
SY/T0085—95规定了钢质储罐底板外侧阴极保护一般实施方法，近几年随着阴极保护技术的发展，该项技术有了较大的发展。先把几种方法做一些简单的比较。
块状牺牲阳极保护是把牺牲阳极布置在罐的四周，安装简单，不会产生干扰腐蚀。它适合于极小型罐及土壤电阻率低的环境，对罐外壁、埋地管道，接地网等设施必须同时进行设计计算一起实施保护，是能达到保护效果的。
深井阳极系统主要用于已建罐群的保护。由于深井阳极地床的排气系统，电缆连接点，电缆绝缘层质量检验技术日趋成熟，对中小型罐群的综合保护能收到经济安全长效的保护。
镁带保护，柔性阳极，金属氧化物阳极都适合于大型储罐的防腐。它们的共性是单一罐底的防腐，只适合于对新建罐实施阴极保护。所以在设计时必须与罐体的设计寿命一致。保护电位均匀，对罐外的管道，接地网的干扰很小。
11．储罐底板网状阳极阴极保护
网状阳极的优点：
电流分布非常均匀，输出可调，保证储罐充分保护。
产生的杂散电流很少，不会对其他结构造成腐蚀干扰。
不需要回填料，安装简单，由于大量工作已经在工厂内完成，质量容易保证储罐与管道之间不需要绝缘。
不易受今后工程施工的损坏，使用寿命长。
12．储罐底板镁带阳极阴极保护13．储罐内壁阴极保护