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阴极保护设计与施工中的几点补充意见
施工技术

阴极保护设计与施工中的几点补充意见

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  一、牺牲阳极的应用

  阴极保护采用牺牲阳极方式,一般用于下列场合[1]:电流需要量较小,一般小于1A,土壤电阻率足够低,一般低于100Ω.m的区域,可用适当数量阳极获得所需保护电流,如果需要的保护电流较大,一般大于1A,外加电流系统就比较经济,除非当地条件不允许,或供电有问题。良好管道涂层,土壤长年潮湿的地方,牺牲阳极能容易满足其电流需求。外加电流阴极保护良好涂层管道上个别处保护电流不能达到的地方,也可通过牺牲阳极的方法来满足。此外,在屏蔽处如套管内、压块下。外加电流阴极保护系统产生杂散电流干扰处,牺牲阳极可被用于消除杂散电流干扰。在安装绝缘接头处,牺牲阳极(通常用锌)可作为导电接地之用,锌阳极作为接地,并同时提供阴极保护。设计中考虑锌、镁阳极材料使用的差别,经验告诉我们,锌阳极用在电阻率较低的土壤(在15Ω.m以下)较好,而镁阳极用在土壤电阻率较高的土壤中(在15-100Ω.m之间)较好。用锌阳极的驱动电压0.25V(1.1V -0.85V),镁阳极的驱动电压0.70V(1.55V -0.85V),对同样15Ω.m土壤电阻率情况下,镁阳极要发出更多过剩电流使管道极化至更负电位,而负于-0.85V(最小保护电位,此时保护度已达95%)以上,如若继续极化,需要更多消耗保护电流,但对提高保护度的贡献即是极微的,是一种电流浪费现象,其结果造成镁阳极加大消耗,减少镁阳极寿命。与此同时,镁阳极造成过保护,影响涂层的附着力,对高强度钢会产生氢脆。从经济观点看:在低电阻率土壤中镁阳极将连续输出比锌阳极高的电流,而锌阳极比较低的输出电流就可以充分满足阴极保护的需要。其结果说明镁阳极电流的浪费,需要更多镁阳极材料才能得到与锌阳极相等的寿命,况且锌阳极有最好的自调节特性。

  二、带状镁阳极的使用

  它是由纯镁或镁锰合金冷轧压制而成,开路电位-1.7V(vs.Cu/CuSO4)宜在高电阻率≥100Ω.m环境中使用,重量0.37Kg/m。如11Kg镁锭表面积0.27m2而11Kg镁带长度33m,表面积1.9 m2是前者的7倍。同等重量带状镁阳极比锭状阳极表面积大很多,阳极输出电流大小与表面积成正比,就是说,表面积决定输出电流大小,而阳极重量决定阳极寿命。镁带在50Ω.m土壤中输出电流10mA/m,淡水中150Ω.m输出电流3mA/m,电流输出大小与电阻率成反比,因此它不适用于电阻率小的场合,因为镁带消耗过快。设计上应考虑当地介质电阻率大小,无论在穿越段或套管内输送管中缠绕镁带要考虑它的使用寿命应该与整体管道寿命相当,如果设计寿命为20年,而当地土壤电阻率较低,就不宜采用镁带,而应计算一下采用与整体管道寿命相当的锭状阳极。

  三、3层PE管的优越性

  当前管道防腐覆盖层当中,PE三层是诸多涂层种类中性能最优的一种,它不但有良好抗机械性能,而且有良好抗腐蚀性能和抗阴极剥离性能。在与阴极保护配合中又大大降低阴极保护电流密度,从而降低阴极保护的投资。从众多实例中证实,对新建PE管陆地管线所需保护电流密度每平方米在几个微安到十几个微安,海水管线所需保护电流密度约几百微安,大大低于其它防腐层。但在当前设计中,由于缺乏对三层PE性能及今后使用寿命的估计,往往设计中过于保守,造成牺牲阳极材料使用量过大,有待今后继续探索。

  四、参比电极的使用

  目前阴极保护常用的硫酸铜参比电极分便携式和长效型两种,便携式随时更换溶液和打磨铜极,使电位易达到稳定、准确。而长效硫酸铜参比电极往往受制作工艺和使用环境的影响,要求埋在长年潮湿土壤,如果全浸在水中或土壤干燥就会影响参比电极的准确度,造成较大偏差。固体锌参比同样与使用环境有关,一旦土壤干燥,锌参比电位正移,基准改变也就失去作为参比的意义,有关长效参比电极有待不断改进。

  五、电源的选择

  外加电流阴极保护国外大多用整流器,因土壤介质,湿度变化不频繁,用整流器完全满足阴极保护的要求。它结构简单、便于维修、价格便宜。恒电位仪适用介质经常变化如海洋潮汐及有杂散电流干扰的保护,况且恒电位仪必需靠长效参比电极反馈信号,如果参比电极不准会影响恒电位仪的输出,因此建议设计中优先考虑用整流器。

  六、阴极保护的绝缘装置

  阴极保护管路上的绝缘装置有多种形式,多用于管道的有绝缘法兰和绝缘接头,绝缘法兰必须架空,绝缘接头可直埋入地。安装绝缘件会出现两个问题,一是如何保护绝缘装置不受强电电涌的破坏,目前绝缘接头有整体自放电型和无自放电装置两种,对整体自放电绝缘接头由于内部有释放高压的装置,可省去具有相同功能的接地电池。二是如何防止非保护管路不受阴极干扰而加速腐蚀,接地电池有减少管外壁阴极干扰强度,即减少保护段与非保护段之间的电位差,但是在非保护段连接的锌棒消耗较快,寿命较短,一旦消耗殆尽,保护段通电电位与非保护自然电位之间的电位差会更加大,因非保护段电位正,会从非保护段流出较大的阳极腐蚀电流而加快非保护管段的腐蚀。这种腐蚀与电流离开管壁进入电解质的电流强度与管壁腐蚀率成正比。(1mA/Cm2的阳极电流密度相当于12mm/年的铁损耗)。解决办法:要求绝缘装置两侧各10m内的管外壁应做特加强防腐层,以减轻阴极干扰对非保护侧管道的腐蚀。此外,未保护侧仍需安装一支牺牲阳极以减轻绝缘装置两端电位差造成的阴极干扰。

  七、阳极导线

  对牺牲阳极装置所有连接到阳极的导线都有被保护的可能,这意味着如果有铜线露出,它将不易腐蚀。这种情况同样发生在外加电流系统中,如果与直流电源负端连接到被保护管道的连接导线的绝缘有破损也有被保护的可能。正因为如此,牺牲阳极电缆及管道连接处的绝缘要求不很苛刻,但也应该很好地处理,以防电流泄漏及可能产生的铜-铁电偶腐蚀。对外加电流系统,地下电缆是外加电流地床的组成部分,如果绝缘不好,电缆将流出电流,并在两端腐蚀从而全部或部分切断地床电流,因此全部阳极引线和地床主干电缆必须使用高质量绝缘,绝缘至少应有600V等级并适合直接埋入地下,具有大分子高密度聚乙烯(HMW/PE)绝缘导线广泛地应用在地床结构中,在多数情况下是有效的。由于地床运行或苛刻的化学环境产生氯气(土壤或水中含有氯离子)有必要采用含氟塑料保护性夹克[1]。应该细心检查电缆,绝对保证安装时没有伤痕或破口,以防止以后出现问题。绝缘层上任何伤痕、破口必须用热收缩套包覆,填料选择没有锋利石头或其它有害于接触地床电缆的材料。

  八、阴极保护过河管道安装

  管道穿越江河时,稳管设施大都采用砼压块,有的为保护外防腐层不受损坏在压块下管外壁还铺一层橡胶片,这种做法会造成电屏蔽(压块与管道接触的上半部分得不到保护或欠保护)及橡胶片下的缝隙腐蚀。原因是管道浸在导电介质中,由于金属与非金属之间形成特别小的缝隙,使缝隙内介质处于滞流状态,引起缝内金属的加速腐蚀。引起腐蚀的缝隙并非是用一般肉眼可以明辨的缝隙,而是指使缝内介质停滞的特小缝隙,其宽度一般是在0.025-0.1mm的范围内,宽度大于0.1mm的缝隙,缝内介质不至于形成滞流,也就不会形成此种腐蚀。解决的办法:一是去掉保护用的橡胶片,避免缝隙腐蚀;二是在压块下管道的底部焊上小牺牲阳极块,使保护电流沿压块与管道的狭缝中进入管道上半部分,避免砼压块造成的屏蔽作用。

  文献:1、A.W.Peabody Edited by R.L Bianchetti(内部资料)管线腐蚀控制 P92