第三章埋地管道的陰極保護

1、2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,1,第三章 埋地管道的陰極保護 第一節(jié) 概 述 1940年英國應(yīng)用了犧牲陽極陰極保護，德國和日本分別是在1950年和1946年開始研究電化學(xué)保護理論的，并開始了煤氣管道的陰極保護。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,2,陰極保護技術(shù)在我國石油管道上的應(yīng)用研究始于1958年。到了60年代初期，在新疆、大慶、四川等油氣管道上陸續(xù)推廣了陰極保護技術(shù)。70

2、年代，我國的長輸管道已廣泛采用了陰極保護。 目前，國外陰極保護技術(shù)已做到了法律化。標(biāo)準(zhǔn)化，比較重要的有《美國氣體管道聯(lián)邦最低安全標(biāo)準(zhǔn)》、德國的《長輸管道運輸危險液體的規(guī)定》、NACE的《埋地及水下金屬管道外腐蝕控制推薦作法》等。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,3,中國的第一部管道防腐蝕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是SYJ 7-84 鋼質(zhì)管道和儲罐防腐蝕工程設(shè)計規(guī)范》。第一部法規(guī)是國務(wù)院1989年頒布的《石油、天然氣管道管

3、理條例》，條例首次將管道陰極保護的要求列入了管理的內(nèi)容。目前，國內(nèi)一萬七千余公里的長距離油氣管道已經(jīng)全部采用了陰極保護，為國民經(jīng)濟的發(fā)展提供了保障。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,4,一、陰極保護原理 用圖3-l的極化圖解可以清楚地說明陰極保護的工作原理。以外加電流的陰極保護為例，暫不考慮腐蝕電池的回路電阻，則在未通電流保護以前，腐蝕原電池的自然腐蝕電位為E，相應(yīng)的最大腐蝕電流為IC。,2024/3

4、/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,5,通上外加電流后，由電解質(zhì)流入陰極的電流量增加，由于陰極的進一步極化，其電位將降低。如流入陰極電流為ID，則其電位降至E′，此時由原來的陽極流出的腐蝕電流將由IC降至I′。ID與I′的差值就是由輔助陽極流出的外加電流量。為了使金屬構(gòu)筑物得到完全保護，即沒有腐蝕電流從其上流出，就需進一步將陰極極化到使總電位降至等于陽極的初始電位EAO，此時外加的保護電流值為IP。從圖上可以看出，要達到完全保護，外加的保護

5、電流要比原來的腐蝕電流大得多。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,6,顯然，保護電流IP與最大腐蝕電流IC的差值決定于腐蝕電池的控制因素。受陰極極化控制時，二者的差值要比受陽極極化時小得多。因此，采用陰極保護的經(jīng)濟效果較好。 二、陰極保護的方法 實現(xiàn)陰極保護的方法通常有犧牲陽極法和強制電流法。由于雜散電流排除過程中，在管道上保留有一定的負電位，使管道得到了陰極保護，所以排流保護也是一種限定條件下的陰極保護方法

6、。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,7,1.犧牲陽極法 在腐蝕電池中，陽極腐蝕，陰極不腐蝕。利用這一原理，以犧牲陽極優(yōu)先溶解。使金屬構(gòu)筑物成為陰極而實現(xiàn)保護的方法稱為犧牲陽極法（圖3-2）。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,8,為了達到有效保護，犧牲陽極不僅在開路狀態(tài)（犧牲陽極與被保護金屬之間的電路未接通）有足夠負的開路電位（即自然腐蝕電位），而且在閉路狀態(tài)（電路接通后）有足夠的閉路電位（即工作電位）。

7、這樣，在工作時可保持足夠的驅(qū)動電壓。驅(qū)動電壓指犧牲陽極的閉路電位與金屬構(gòu)筑物陰極極化后的電位兩者之差，亦稱為有效電壓。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,9,作為犧牲陽極材料，必須具有下列條件：(1)要有足夠的負電位，且很穩(wěn)定；(2)工作中陽極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫 落；(3)陽極必須有高的電流效率，即實際電容量和理論電容量之比的百分?jǐn)?shù)要大；(4)電化當(dāng)量高，即單位重量的電容量要大；(5)腐蝕產(chǎn)物無毒，不

8、污染環(huán)境；(6)材料來源廣，加攻容易，價格便宜。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,10,在土壤環(huán)境中常用的陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金；在海洋環(huán)境中還有鋁合金。這三類犧牲陽極已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。 2.強制電流法 根據(jù)陰極保護的原理，用外部的直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極接管道（被保護構(gòu)筑物），將電源的正極接至輔助陽極，在電流的作用下，使管道發(fā)生陰極極化，實現(xiàn)陰極保護（圖3-2）。,202

9、4/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,11,強制電流法的電源常用的有整流器，還有太陽能電池、熱電發(fā)生器、風(fēng)力發(fā)電機等。輔助陽極的常用材料有高硅鑄鐵、石墨，磁性氧化鐵及廢鋼鐵等。強制電流法是目前長距離管道最主要的保護方法。 3.排流保護 當(dāng)有雜散電流存在時，通過排流可以實現(xiàn)對管道的陰極極化，這時雜散電流就成了陰極保護的電流源。但排流保護是受到雜散電流所限制的。通常的排流方式有直接排流、極性排流、強制排流三種形式。各種形式都

10、有一定的局限性。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,12,當(dāng)對被保護構(gòu)筑物選用陰極保護方式時主要考慮的因素有： （1）保護范圍的大小：大者強制電流優(yōu)越，小者犧牲陽極經(jīng)濟； （2）土壤電阻率的限制：電阻率太高不宜采用犧牲陽極； （3）周圍鄰近的金屬構(gòu)筑物：有時因干擾而限制了強制電流的應(yīng)用； （4）覆蓋層的質(zhì)量：對于覆蓋層太差或裸露的金屬表面，因其所需保護電流太大而使?fàn)奚枠O不適用； （5）

11、可利用的電源因素；,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,13,（6）經(jīng)濟性。表3-1是陰極保護與排流保護的比較。 三、陰極保護參數(shù) 在圖3-1中，可以看到與陰極保護相關(guān)的幾個參數(shù)：自然腐蝕電位、保護電位、保護電流（可以換算成電流密度）。正確選擇和控制這些參數(shù)是決定保護效果的關(guān)鍵。為了直觀。定量地比較陰極保護的效果，有時還要引用陰極保護保護度參數(shù)。而在實際保護中入們僅把保護電位作為控制參數(shù)，因為它受自然腐蝕電位

12、和保護電流所控制，而且在實踐中容易操作。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,14,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,15,1.自然腐蝕電位 無論采用犧牲陽極法還是采用強制電流陰極保護，被保護構(gòu)筑物的自然腐蝕電位都是一個極為重要的參數(shù)。它體現(xiàn)了構(gòu)筑物本身的活性，決定了陰極保護所需電流的大小，同時又是陰極保護準(zhǔn)則中重要的參考點。 2.保護電位 按國標(biāo)GB/T 10123-88的定義，保護電位為“

13、進入保護電位范圍所必須達到的腐蝕電位的臨界值”。保護電位是陰極保護的關(guān)鍵參數(shù)，它標(biāo)志了陰極極化的程度，是監(jiān)視和控制陰極保護效果的重要指標(biāo)。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,16,為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達到的電位稱為最小保護電位，也就是腐蝕原電池陽極的起始電位。其數(shù)值與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成。濃度及溫度等有關(guān)。根據(jù)實驗測定，碳鋼在土壤及海水中的最小保護電位為-0.85V（CSE）左右。,2024/3/31

14、,西南石油學(xué)院儲運研究所,17,管道通入陰極電流后，其負電位提高到一定程度時，由于H+在陰極上的還原，管道表面會析出氫氣，減弱甚至破壞防腐層的粘結(jié)力，不同防腐層的析氫電位不同。瀝青防腐層在外加電位低于-1.20V（CSE）時開始有氫氣析出，當(dāng)電位達到-1.5OV（CSE）時將有大量氫析出。因此，對于瀝青防腐層取最大保護電位為-1.20V（CH）。若采用其他防腐層，最大保護電位值也應(yīng)經(jīng)過實驗確定。聚乙烯防腐層的最大保護電位可取-1.50V

15、（CSE）。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,18,3.保護電流密度 在國標(biāo)GB/T 10123-88中，保護電流密度的定義是：“從恒定在保護電位范圍內(nèi)某一電位的電極表面上流入或流出的電流密度”。此定義適用于陰極保護和陽極保護，對于陰極保護來說只能是“流入”。保護電流密度與金屬性質(zhì)、介質(zhì)成分、濃度。溫度、表面狀態(tài)（如管道防腐層狀況）、介質(zhì)的流動、表面陰極沉積物等因素有關(guān)。對于土壤環(huán)境而言，有時還受季節(jié)因素的影響。,2

16、024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,19,因保護電流密度不是固定不變的數(shù)值，所以，一般不用它作為陰極保護的控制參數(shù)；只有無法測定電位時，才把保護電流密度作為控制參數(shù)。例如在油井套管的保護中，電流密度是一個重要參數(shù)，可以作為控制參數(shù)用。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,20,不同表面狀況的鋼管的最小保護電流密度見表3-2。從表中可以看出：裸管比有防腐層的管道需要的保護電流密度大得多；土壤電阻率愈小，需要的保護電流密度愈大

17、。由于在實際工作中很難測定腐蝕電池的陰、陽極的具體位置和面積大小，故表中所列數(shù)據(jù)都是按與電解質(zhì)接觸的整個被保護金屬表面積計算的。類似的試驗數(shù)據(jù)對于較小的金屬構(gòu)筑物，如油罐的罐底、平臺的樁等是適用的；對于沿途土壤電阻率和防腐層質(zhì)量變化較大的長距離管道，則往往偏差較大。故對于管道的陰極保護，常以最小保護電位和最大保護電位作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,21,四、陰極保護準(zhǔn)則 自從1928年美國J.柯恩通過

18、試驗發(fā)現(xiàn)-0.85V（CSE）電位能控制電化學(xué)腐蝕之后，這一標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過實踐考驗，成為公認的最小保護電位。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,22,從電化學(xué)理論上分析，鐵在腐蝕時，以二價離子形式出現(xiàn)，用能斯特方程式表達為,,式中 ——鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位； R——氣體常數(shù)； T——絕對溫度； F——法拉第常數(shù)； ——靠近電極的電解液層中鐵離

19、 子的活度。,,,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,23,當(dāng)pH＞5.5時， 和 作用生成難溶的 ，此時， 取決于 的溶度積 。25℃時，,,,,,,,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,24,按 ，在pH值為5.5～10的電解液中，計算

20、出保護電位在-0.38～-0.64V(SHE)之間變化。換算成相對飽和Cu/CuSO4電解的電位為-0.7～-0.96V。鋼在土壤中(pH=8.3～9.6)的保護電位為-0.541～-0.618V(SHE)，平均為-0.58V(SHE)，相對飽和Cu/CuSO4電極的電位為-0.90V。,,,,,,,,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,25,計算出鋼的保護電位與鋼在該電解液中的初始電位值之差，即可認為是陰極極化值或負向偏移。例

21、如，鋼在干燥土壤中的自然電位Vx=-0.3V（SHE），其陰極極化值計算得：,根據(jù)電化學(xué)理論，陰極保護判據(jù)是多因素決定的，相當(dāng)復(fù)雜。但-0.85V（CSE）是既有理論基礎(chǔ)，又有實踐依據(jù)，已為世界各國所接受。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,26,對于鋼鐵的陰極保護準(zhǔn)則，各國標(biāo)準(zhǔn)的表達方式也不相同，采用下述之一或幾個作為判據(jù)： （1）施加陰極保護時陰極的負電位至少為850mV，這一電位是相對于接觸電解質(zhì)的飽和Cu/Cu

22、SO4參比電極測量的。測量中必須排除IR降影響。 （2）相對于飽和Cu/CuSO4參比電極的負極化電位至少為850mV。 （3）在構(gòu)筑物表面與接觸電解質(zhì)的參比電極之間的陰極極化值最小為100mV。這一數(shù)據(jù)的測定可以在極化的形成過程或是衰減過程中進行。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,27,-850mV（CSE）適用于各種土壤環(huán)境中鋼鐵構(gòu)筑物的陰極保護，是世界公認的通用準(zhǔn)則。對于有良好覆蓋層的管道，這一準(zhǔn)則很實

23、際。但是當(dāng)覆蓋層的質(zhì)量太劣或是裸管，采用-850mV的準(zhǔn)則就顯得過保護和浪費，所以國外學(xué)者主張在這種條件下采用-100mV極化電位準(zhǔn)則。其理由是腐蝕體系ic=（Ec- Ea）/（Rc+Ra），式中ic為腐蝕電流，要使ic很小，必須使陰極電位Ec和陽極電位Ea很接近，即Ec=Ea或ΔE=Ec-E。很小。在裸管上就是ΔE，故100mV極化值遠遠大于這個ΔE，足以達到保護要求。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,28,采用-100m

24、V極化電位準(zhǔn)則，有個基準(zhǔn)點的問題。雖然準(zhǔn)則在陰極極化建立或衰減過程中都可以采用，但在建立過程中由于有IR降的影響，使得100mV的精度受到了限制，故衰減過程中采用該準(zhǔn)則比較實際。表3-4是在一條109mm直徑的裸管道上測得的電位，表3-5是一條直徑為319mm的舊防腐層管道上測得的電位，前者的保護電流密度是13.67mA/m2，后者為1.51mA/m2。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,29,2024/3/31,西南石油學(xué)院

25、儲運研究所,30,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,31,在考慮通氣程度時，英國BS 7361標(biāo)準(zhǔn)中，通氣環(huán)境為-0.85V，不通氣環(huán)境為-0.95V。德國的DIN 30676標(biāo)準(zhǔn)則給出溫度和砂土兩個條件：溫度高于60℃為-0.95V；在砂土中，p＞500Ω·m時，為-0.75V。以上電位測量均相對Cu/CuSO4電極。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,32,五、管道實施陰極保護的基本條件 管道實

26、施陰極保護的基本條件為：有可靠的直流電源，以保證提供充足的保護電流；管道必須處于有電解質(zhì)的環(huán)境中（如士壤、河流、海水等）；保持管道縱向電連續(xù)性；為確保管道系統(tǒng)陰極保護的有效性和提高保護效率，必須做好管道的電絕緣，如選用高質(zhì)量的管道覆蓋層以及合理布局絕緣連接體。以下主要討論管道絕緣連接及管道縱向電連續(xù)性的問題。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,33,1.管道的電絕緣 1）絕緣接頭 管道的絕緣接頭有法蘭型、整體

27、型（埋地）、活接頭等各種型式。近幾年開發(fā)的整體埋地型絕緣接頭具有整體結(jié)構(gòu)。直接埋地和高的絕緣性能，克服了絕緣法蘭密封性能不好、裝配影響絕緣質(zhì)量、不能埋地、外緣盤易集塵等不良影響，是管道理想的絕緣連接裝置。圖3-2是整體型絕緣接頭的結(jié)構(gòu)圖。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,34,需要設(shè)置絕緣連接的場所有：管道與井、站、庫的連接處；管道與設(shè)備所有權(quán)的分界處；支線管道與干線管道的連接處；不同材質(zhì)、新舊管道及有防腐層與無防腐層管道間

28、連接處；大型穿、跨越段的兩端；雜散電流干擾段；使用不同陰極保護方法的交界處。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,35,2）絕緣支墩（墊） 當(dāng)管道采用套管形式穿墻或穿越公路、鐵路時，管道與套管必須電絕緣。通常采用絕緣支墩或絕緣墊。 管道及支撐架、管橋、穿管隧道、樁、混凝土中的鋼筋等必須電絕緣。若管段兩端已裝有絕緣接頭，使架空管段與埋地管道相絕緣，則此時管道可以直接架設(shè)在支撐架上而無需電絕緣。,2024/3/31,

29、西南石油學(xué)院儲運研究所,36,3）其他電絕緣 當(dāng)管道穿越河流，采用加重塊、固定錨、混凝土、加重覆蓋層時，管道必須與混凝土鋼筋電絕緣，安裝時不得損壞管道原有防腐層。 管道與所有相遇的金屬構(gòu)筑物（如電纜、管道）必須保持電絕緣。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,37,2．管道縱向電的連續(xù)性 對于非焊接的管道連接頭，應(yīng)焊接跨接導(dǎo)線來保證管道縱向電的連續(xù)性，確保電流的流動。 對于預(yù)應(yīng)力混凝土管道，施加陰

30、極保護時，每節(jié)管道的縱向鋼筋必須首尾跨接，以保證陰極保護電流的縱向?qū)āＳ袝r還可平行敷設(shè)一條電纜，每節(jié)預(yù)應(yīng)力管道與之相連來實現(xiàn)電的連續(xù)性。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,38,3.陰極保護管道的附件 1）檢查片 檢查片材質(zhì)應(yīng)與被保護的管道相同，用于定量分析陰極保護的效果及土壤的腐蝕性。也有用于其他目的的檢查片，如在犧牲陽極保護段，用于代表管道，測量自然電位用。 檢查片的推薦尺寸為100mm×

31、;50mm×5mm，采用鋸、氣割方法制取。為不改變檢查片的冶金狀態(tài)，氣割邊緣應(yīng)去掉20～30mm。檢查片應(yīng)有安裝孔和編號，編號可用鋼字模打印。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,39,一般檢查片應(yīng)埋設(shè)在有代表意義的腐蝕性地段（環(huán)境中），如污染區(qū)、高鹽堿地帶。雜散電流嚴(yán)重地區(qū)以及管道陰極保護范圍末端。 2）測試樁 為了測量陰極保護管道的電參數(shù)，必須在管道沿線設(shè)計不同功能的測試樁。在國外的文獻中稱之為防腐

32、測試站（Test Station）。 測試樁設(shè)置原則為：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,40,——電位測試樁，一般每公里處設(shè)一支，需要 時可以加密或減少；——電流測試樁，每 5～8 km處設(shè)一支；——套管測試樁，套管穿越處一端或兩端設(shè)置；——絕緣接頭測試樁，每一絕緣接頭處設(shè)一支；——跨接測試樁，與其他管道、電纜等構(gòu)筑物 相交處設(shè)一支；——站內(nèi)測試樁，視需要而設(shè)；——犧牲陽極測試樁，一

33、般設(shè)在兩組陽極的中 間部位。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,41,以上設(shè)置的測試樁，可以測取管道的保護電位、管道保護電流的大小和流向、電絕緣性能及干擾方面的參數(shù)。 測試樁的功能主要區(qū)別在接線上。最簡單的是電位測試樁，只需引接兩根導(dǎo)線；測管道電流要接四根導(dǎo)線；測兩者間的干擾或絕緣要在相鄰構(gòu)筑物上各引出兩根導(dǎo)線。一般來說，測試樁的功能可以結(jié)合在一起使用，有時測試樁還可和里程樁相結(jié)合。,2024/3/31,西南石

34、油學(xué)院儲運研究所,42,第二節(jié) 強制電流法陰極保護 一、強制電流陰極保護的工藝計算 管道陰極保護范圍的制約因素是管道防腐層電阻和管徑，它以最大保護電位和最小保護電位的臨界點來劃分。因此保護一條管道常常需要設(shè)一個或幾個陰極保護站。為了求得保護長度，必須知道當(dāng)管道上通入陰極極化電流后所產(chǎn)生的極化電位的沿線分布，求取最大保護電位經(jīng)過多少公里降低到最小保護電位。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,43,

35、1.管道沿線外加電位與電流的分布規(guī)律 如圖3-3所示，外加電流的電源正極接輔助陽極，負極接在被保護管段的中央，這一點稱為匯流點或通電點。電流自電源正極流出，經(jīng)陽極和大地流至匯流點兩側(cè)管道，在兩側(cè)金屬管壁中流動的電流是流向匯流點的。因此，沿線電流密度和電位的分布是不均勻的。理論上在匯流點處的管道沿線電位分布的基本公式是根據(jù)下列假設(shè)條件推出的：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,44,(1)管道防腐層均勻一致，并具有良好的

36、電絕緣性能，與土壤接觸且土質(zhì)均勻一致，因此管道沿線各點的單位面積過渡電阻相等。過渡電阻指電流從土壤沿徑向流入管道時的電阻，其數(shù)值主要決定于防腐層電阻。 (2)因土壤截面積很大，土壤電阻可以忽略不計。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,45,如圖3-3所示，在離匯流點。公里處取一微元段dX，由于通入外電流以后的陰極極化作用，dX小段處的管地電位往負的方向上偏移，設(shè)其偏移值為E，E等于通電后的保護電位與自然電位之差。,20

37、24/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,46,設(shè)單位長度金屬管道的電阻力rT，單位面積的防腐層過渡電阻為Rp，單位長度上電流從土壤流入金屬管道的過渡電阻為 RT，如管外徑為D，則RT=RP/(πD)。 在dX小段上電流的增量打就是在該小段上從土壤流入管道的保護電流，由于忽略土壤電壓降，故,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,47,負號表示電流的流動方向與x的增量方向相反。 當(dāng)電流I軸向流過管道時，由于管道金屬本身

38、的電阻所產(chǎn)生的壓降為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,48,式(3-6)和式(3-7)為二階常系數(shù)齊次線性微分方程，其通解為,式中系數(shù) A1、A2、B1、B2可根據(jù)邊界條件求出。邊界條件通常有三種情況： (1)無限長管段的計算：即全線只有一個陰極保護站，線路上沒有用絕緣法蘭。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,49,(2)有限長管段的計算：即全線有多個陰極保護站，兩個相鄰站之間的管道由兩個站共同保護。

39、(3)保護段終點有絕緣法蘭的計算：一般設(shè)有陰極保護的管道在進入輸油站或油庫以前須裝設(shè)絕緣法蘭，以免保護電流向站內(nèi)或庫內(nèi)流失。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,50,2.保護范圍的計算 1)無限長管道的計算 在匯流點處x=0，I=I0，E=E0。I0為管道一側(cè)的電流，距匯流點無限遠處x→∞，I=0，E=0。將此邊界條件代入通解式(3-8)和式(3-9)得A0=0，B1=I0；A2=0，B2= E0。故無限長管道的外

40、加電位及電流的分布方程式為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,51,由式（3-10）。式（3-11）可解出沿線各處電位與電流的相互關(guān)系為,在匯流點處，x=0，故匯流點一側(cè)的電流為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,52,匯流點處的總電流就是該保護裝置的輸出電流，它等于管道一側(cè)流至匯流點電流的兩倍，即I=2I0。 方程式（3-10）和（3-11）說明當(dāng)全線只有一個陰極保護站時，管道沿線的電位及電流值按對數(shù)曲線規(guī)律

41、下降。在匯流點附近的電位和電流值變化激烈，離匯流點愈遠變化愈平緩。曲線的陡度決定于衰減因數(shù)，主要是防腐層過渡電阻RT的影響。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,53,如前所述，由于最大保護電位是有限度的，故匯流點處的電位應(yīng)小于或等于最大保護電位Emax當(dāng)沿線的管/地電位降至最小保護電位Emin處，就是保護段的末端。故一個陰極保護站所可能保護的一側(cè)的最長距離，可由式（3-11）算出。取EO=Emax，E=Emin，x=Lmax代

42、入，可得,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,54,由式（3-12）和式（3-13）可見，陰極保護管道所需保護電流I0的大小和可保護段落長度受防腐層電阻的影響很大。防腐層質(zhì)量好，則電能消耗少，保護距離也長。根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗，當(dāng)瀝青防腐層的施工質(zhì)量較好時，管道單位面積防腐層過渡電阻能達到10000Ω·m2以上，有的達20000～30000Ω·m2。故目前按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，在設(shè)計計算中常取防腐層的RP=10000Ω&#

43、183;m2，對于合成樹脂類防腐層均會高出此值。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,55,計算中需要注意的是，式（3-13）中的Emax和Emin均為陰極極化值，相對自然電位的偏移值，而前面所述最大和最小保護電位系相對于硫酸銅電極測得的極化電位。在大多數(shù)土壤中，用硫酸銅電極測得的鋼管的自然電位約在-0.50～-0.60V之間。若實測平均值為-0.55V，則當(dāng)取最大保護電位為-1.20V，最小保護電位為-0.85V時，其陰極極化

44、值為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,56,對于長度超出一個站保護范圍的長距離管道，常需在沿線設(shè)若干個陰極保護站，其保護段長度應(yīng)按有限長管道計算。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,57,2)有限長管道的計算 有限長管道的保護段即指兩個相鄰的陰極保護站之間的管段，或兩端設(shè)有絕緣接頭的管段近似按有限長考慮。其極化電位和電流的變化受兩個站的共同作用。由于兩個站的相互影響，將使極化電位變化曲線抬高，如圖3—4所示。

45、因此，有限長管道比無限長管道的保護距離長，如圖l1＞l2。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,58,設(shè)兩個站間距離為2l，在中點處（x=l）正好達到保護所需要的最小保護電位，El=Emin。電位變化曲線在中點處發(fā)生轉(zhuǎn)折，即 。由于保護電流來自兩個站，其電流流動方向相反， 故在中點處電流為零，邊界條件為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,59,代入通解式（3-8）和式（3-9），可得,式

46、中ch（m）和sh（m）分別為雙曲函數(shù)的余弦和正弦。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,60,由方程式（3-5）、式（3-14）得,在匯流點處x=0，I=I0，代入上式得匯流點一側(cè)電流為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,61,由公式（3-14）可求出,得有限長管道一側(cè)的保護長度,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,62,考慮到雙曲余弦函數(shù)這項很小，可近似忽略，將上式簡化為,將有限長管道與無限長管道的公式進

47、行比較可見： （1）無限長管道的電位是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化，而有限長管道是按雙曲函數(shù)的規(guī)律變化，故有限長管道電位和電流分布的變化較緩慢，其保護距離比無限長管道長。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,63,（2）有限長管道消耗的電能比無限長管道少。 管道末端有絕緣法蘭的計算與有限長管道的計算結(jié)果相近，故實際工作中都按有限長計算。 根據(jù)上述公式，可以估算被保護管道全線所需的陰極保護站的數(shù)量及其位置（通常盡可能設(shè)在泵站或

48、壓縮機站上）。但必須強調(diào)指出的是：在上述推導(dǎo)過程中忽略了土壤中的IR降，并認為沿線防腐層過渡電阻均勻一致；實際上在幾十公里長的管道沿線，不僅土壤電阻率變化較大，防腐層質(zhì)量也難能一致，故在設(shè)計中要留有一定的余地。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,64,3)圖解法估算 埋地管道陰極保護的范圍主要與平均電流密度有關(guān)，與管道縱向電阻所允許的電壓降的大小有關(guān)。設(shè)管道的保護電流密度為Js，管道L的電壓降為,,2024/3/31,西

49、南石油學(xué)院儲運研究所,65,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,66,rT——單位長度管道縱向電阻，Ω/m；pT——鋼管電阻率，Ω·mm2/m；δ——管壁厚度，mm。在圖3-5中繪出了保護范圍2L和保護電流密度Js的關(guān)系曲線。對應(yīng)方程（3-19），I0的計算如下：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,67,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,68,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,69

50、,的選擇及其埋置場所的處理，對節(jié)省電能消耗至關(guān)重要。值得注意的是，在選擇電源設(shè)備和運行期間，應(yīng)考慮陰極保護系統(tǒng)輔助陽極的接地電阻值與電源額定負載（R額）相匹配。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,70,式中 V額——額定輸出電壓，V； I額——額定輸出電流，A。 陽極地床的接地電阻必須比額定負載小，才能保證所設(shè)計的保護電流的輸出。同時，也要從技術(shù)經(jīng)濟角度分析，使該保護系統(tǒng)陽極地床的設(shè)計與電源設(shè)備的選擇是經(jīng)濟合

51、理的。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,71,4.陽極接地裝置的計算 1)接地電阻的計算 輔助陽極的接地電阻，因地床結(jié)構(gòu)不同而有所區(qū)別。各種結(jié)構(gòu)的接地電阻的計算公式可參見有關(guān)手冊。這里給出三種常用埋設(shè)方式的陽極接地電阻計算公式。 (1)單支立式陽極接地電阻的計算：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,72,(2)深埋式陽極接地電阻的計算：,(3)單水平武陽極接地電阻的計算：,上三式中 RV1——單支立式

52、陽極接地電阻，Ω； RV2——深埋式陽極接地電阻， Ω；,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,73,RH——單支水平式陽極接地電阻，Ω； L——陽極長度（含填料），m； d——陽極直徑（含填料），m； t——埋深，m； p——土壤電阻率，Ω·m。(4)組合陽極接地電阻的計算：式中 Rg——陽極組接地電阻，Ω； n——陽極支數(shù)； F——修正系數(shù)（查圖3-7

53、）； Rv——單支陽極接地電阻，Ω。,,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,74,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,75,2)輔助陽極壽命的計算 輔助陽極的工作壽命是指陽極工作到因陽極消耗的時間致陽極電阻上升使電源設(shè)備輸出不匹配，而不能正常工作。當(dāng)然，這里的壽命計算不包括地床設(shè)計不合理造成的“氣阻”，施工質(zhì)量不可靠造成的陽極電纜斷線等因素引起的陽極報廢。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,76,

54、通常陽極的工作壽命由式（3-26）計算：,式中 T——陽極工作壽命，a； K——陽極利用系數(shù)，常取0.7～ 0.85； G——陽極重量，kg； g——陽極消耗率，kg/(A·a)， 查表3-6。 I——陽極工作電流，A。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,77,3)所需輔助陽極支數(shù)的計算 所需輔助陽極的支數(shù)由陽極的設(shè)計壽命及消耗率所決定。可

55、按式（3-26）換算得到陽極的總重量G=TgI/K，再從接地電阻和規(guī)格型號選取陽極的支數(shù)。一般陽極的設(shè)計壽命為15a或20a。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,78,例如，當(dāng)計算陽極的總重量為200kg時，可選擇40kg/支的5支，或 20kg/支的10支。前者接地電阻大，所耗電費比后者要多而不經(jīng)濟；但前者的壽命要比后者長，當(dāng)耗電量大時，這一經(jīng)濟因素更為重要。例如：70年代在華北地區(qū)某輸水管道，管徑1200mm，防腐層質(zhì)量極

56、差，所以單站耗電量達70～100A。假定回路總電阻為1Ω，陽極接地電阻為0.8Ω，則儀器輸出電壓為,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,79,有效功率為: 102V×l00A=10200 W取整流效率為0.7，則實耗功率為: 10200W÷0.7=14600 W每年耗電為: 14600×8760=127900 kw·h按當(dāng)時電價0.0

57、8元/( kw·h)計，每年電費為: 0.08×l27900=10232元/a陽極壽命按20年計，則20年電費總計為: 10232×20=204640元,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,80,如果從設(shè)計考慮，將陽極接地電阻從0.8Ω降至0.5Ω，則這筆費用就變成了 7218元/a，20年電費為144365元，節(jié)約了60275元。而降低接地電阻所需的一次投資僅為20

58、00元左右（當(dāng)時價格），遠遠小于節(jié)約下來的運行費用。對于陽極數(shù)量的最經(jīng)濟選擇，可由式（3-27）計算：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,81,將式（3-27）微分求解得,式中 y——陽極系統(tǒng)總年均費用； n——陽極支數(shù)； c——不依賴刀的一個常數(shù)； a——單支陽極資金年回收混合利息系數(shù)； b——單支陽極年運行電費。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究

59、所,82,例：對于在50Ω·m土壤中用焦炭回填的立式陽極地床φ300mm×2000mm，排流量為10A，求其最佳陽極數(shù)量n。 已知：(1)單支陽極接地電阻力11.26Ω；(2)單支陽極費用250元；(3)整流器效率為0.7；(4)電費0.10元/(kw·h)；(5)折舊系數(shù)10%；(6)利用系數(shù)取l.3；(7)陽極設(shè)計壽命20a；(8) CRF(20a壽命10%折舊下綜合投資回收的計算及年均費用的系數(shù)

60、)取0.11。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,83,解：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,84,二、強制電流法陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計 1.設(shè)計程序 強制電流陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合陰極保護準(zhǔn)則的要求，實現(xiàn)有效的保護，避免對鄰近構(gòu)筑物的干擾，并給系統(tǒng)提供一個經(jīng)濟可靠的設(shè)計壽命。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,85,必須收集和勘測的設(shè)計資料和參數(shù)通常有：（1）要收集的資料，包括管道平面線路圖，管

61、道參數(shù)（管徑、壁厚、管材），連接方式（焊接、螺紋或機械），覆蓋層的類型及性能，套管的位置及結(jié)構(gòu)，電絕緣的位置及結(jié)構(gòu)，架空管及水下穿越的位置及結(jié)構(gòu)；（2）通過勘測得到的資料，包括現(xiàn)存和規(guī)劃中的陰極保護系統(tǒng)，可能的地上、地下干擾源，特殊的環(huán)境條件，鄰近的金屬構(gòu)筑物，可供利用的電源，沿線土壤電阻率。對于已建管道作饋電試驗，測取所需電流。另外還要收集必要的氣象資料。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,86,對于已建的管道，往往需做一些

62、實際參數(shù)的測量，如土壤電阻率、干擾的測試。饋電試驗、覆蓋層電阻的測試、縱向?qū)щ娺B續(xù)性的測試及電絕緣性能的測試，根據(jù)測得的參數(shù)進行設(shè)計。而新建管道，有些參數(shù)是實測不了的，只能根據(jù)假設(shè)參數(shù)進行設(shè)計。在SYJ 36-89《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范》中給出的常規(guī)參數(shù)有：,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,87,自然電位：-0.55V（相對CU/CuSO4，下同） 保護電位：-0.85V 匯流點電位：-1.25V

63、 覆蓋層電阻：10000Ω·m2 鋼管電阻率：低碳鋼，0.135Ω·mm2/m；16Mn鋼，0.224Ω·mm2/m；高強度鋼，0.166Ω·mm2/m 電源效率：70％ 電流密度：30～50μA/m2。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,88,有了這些參數(shù)，就可以進行設(shè)計計算，選定陰極保護站，繪制必要的設(shè)計圖紙，提出所選設(shè)備、材料的技術(shù)說明。 通常陰極保護

64、的設(shè)計圖紙有：全線陰極保護系統(tǒng)平面布置圖；電源安裝圖；地床結(jié)構(gòu)及安裝圖；電纜連接及敷設(shè)圖；陰極保護站平面圖；配電系統(tǒng)圖；測試系統(tǒng)的組成及分布圖；若有干擾，需要有排流保護設(shè)計圖；防強電沖擊的保護設(shè)計圖。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,89,2.電源設(shè)備 對有交流市電并能滿足長期可靠穩(wěn)定供電的地方及長輸管道各中間站有可靠交流電源的地方，優(yōu)先考慮使用交流電通過整流來提供極化電源。對于單獨建站，無市電地區(qū)可選用其他第二電源。

65、不管采用什么型式的電源，其基本要求是：可靠性高；維護保養(yǎng)簡便；壽命長；對環(huán)境適應(yīng)性強；輸出電流。電壓可調(diào)；應(yīng)具有過載、防雷、故障保護。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,90,一般交流供電情況下應(yīng)選用整流器或恒電位儀。在管地電位或回路電阻有經(jīng)常性較大變化時，必須使用恒電位儀。 1）整流器 陰極保護用整流器宜采用橋式全波整流電路。其紋波系數(shù)應(yīng)滿足單相不大于 50％，三相不大于5％的要求，最大溫升不得超過85℃。在交

66、流輸入端和直流輸出端應(yīng)裝有過流。防沖擊等保護環(huán)節(jié)。戶外型整流器應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)厮幍臍夂颦h(huán)境，可裝在房頂、墻上或電桿上。通常采用油冷式整流器。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,91,2）恒電位儀 恒電位儀通常應(yīng)在室內(nèi)工作。其技術(shù)要求有：給定電位連續(xù)可調(diào)：-0.500～-2.000V 電位控制精度：＜±20mV 輸入阻抗：≥1MΩ 抗交流干擾能力：≥12V（AC） 耐電壓：≥750V（AC） 負

67、載波紋系數(shù)：單相，≤5％；三相，≤8％ 恒電位儀印刷電路板一般采取防潮。防鹽霧、防細菌的三防措施。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,92,3）太陽能陰極保護裝置 太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。普通的太陽能電池是由兩種不同導(dǎo)電類型，即電子型（N）和空穴型（P）的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。由于光照產(chǎn)生一個與PN結(jié)廠內(nèi)電場相反的光生電場，有了光生電動勢，接入外電路便可產(chǎn)生電流。,

68、2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,93,太陽能電池開始是作為人造衛(wèi)星的特殊電源發(fā)展起來的。由于它不要燃料、無污染、自動供電、無入管理、安全可靠、壽命長等特點，隨著它的價格下降而迅速進入地面應(yīng)用。 目前世界已建成的太陽能陰極保護站有上千座，是油氣管道的一種廉價的電源。國內(nèi)已建設(shè)了六座太陽能陰極保護站。就太陽能資源而言，除了四川、西南地區(qū)之外，全國都有豐富的太陽能可供利用。尤其是新疆西北地區(qū)，年日照平均在3000h左右，是世界

69、上少有的一類太陽能資源地區(qū)。,2024/3/31,西南石油學(xué)院儲運研究所,94,4）CCVT電源系統(tǒng) CCVT是英文 Closed Cycle Vapor Turbogenerator的縮寫，直譯為密閉循環(huán)蒸汽透平發(fā)電機。CCVT是一種工質(zhì)進行朗肯循環(huán)，具有一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動部件的密封式小型渦輪發(fā)電裝置，輸出功率范圍在200～5000W之間。主要應(yīng)用領(lǐng)域為無電邊遠地區(qū)的電信和陰極保護電源。它將以往用于飛機設(shè)計的熱力學(xué)理論和航空發(fā)動機