一． 原理

每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位, 稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位），腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對(duì)難易。腐蝕電位愈負(fù)愈容易失去電子, 我們稱失去電子的部位為陽(yáng)極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽(yáng)極區(qū)由于失去電子（如鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕，而陰極區(qū)得到電子受到保護(hù)。

陰極保護(hù)的原理：

是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過(guò)剩的狀態(tài)，使金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位。有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)這一目的，即犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。

1、犧牲陽(yáng)極法

將被保護(hù)金屬和一種電位更負(fù)的金屬或合金（即犧牲陽(yáng)極）相連，使被保護(hù)體陰極極化以降低腐蝕速率的方法。

在被保護(hù)金屬與犧牲陽(yáng)極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽(yáng)極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽(yáng)極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽(yáng)極，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)。

犧牲陽(yáng)極材料有高純鎂，其電位為-1.75V；高鈍鋅，其電位為-1.1V；工業(yè)純鋁，其電位為-0.8V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）。

2、強(qiáng)制電流法（外加電流法）

將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，輔助陽(yáng)極接到電源正極，由外部電源提供保護(hù)電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：恒電位、恒電流等。如圖

外部電源通過(guò)埋地的輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流引入地下，通過(guò)土壤提供給被保護(hù)金屬，被保護(hù)金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會(huì)再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，使腐蝕受到抑制。而輔助陽(yáng)極表面則發(fā)生丟電子氧化反應(yīng)，因此，輔助陽(yáng)極本身存在消耗。

陰極保護(hù)兩種方法的對(duì)比：

陰極保護(hù)的上述兩種方法，都是通過(guò)一個(gè)陰極保護(hù)電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護(hù)的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護(hù)電流，使之恰好抵消金屬內(nèi)原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產(chǎn)生保護(hù)電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負(fù)的金屬或合金，另一種則利用直流電源。

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)驅(qū)動(dòng)電壓高，輸出電流大，有效保護(hù)范圍廣，適用于被保護(hù)面積大的長(zhǎng)距離、大口徑管道。

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)不需外部電源，維護(hù)管理經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單，對(duì)鄰近地下金屬構(gòu)筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。

一． 陰極保護(hù)的基本參數(shù)

1、最小保護(hù)電流密度

使金屬腐蝕下降到最低程度或停止時(shí)所需要的保護(hù)電流密度,稱作最小保護(hù)電流密度。新建瀝青管道最小保護(hù)電流密度為30—50μA/m2，環(huán)氧粉末的管道一般為10--30μA/m2，新建儲(chǔ)罐罐底板最小保護(hù)電流密度為1--5mA/m2表示，老罐為5—10mA/m2。

2、最小保護(hù)電位

為使腐蝕過(guò)程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達(dá)到的絕對(duì)值最小的負(fù)電位值，稱之為最小保護(hù)電位。

最小保護(hù)電位也與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成、溫度、濃度等有關(guān)。最小保護(hù)電位值常常是用來(lái)判斷陰極保護(hù)是否充分的基準(zhǔn)。因此該電位值是監(jiān)控陰極保護(hù)的重要參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定在土壤中的最小保護(hù)電位為－0.85V（相對(duì)飽和硫酸銅參比電極）。

3、最大保護(hù)電位

在陰極保護(hù)中，所允許施加的陰極極化的絕對(duì)值最大的負(fù)電位值，在此電位下管道的防腐層不受到破壞。此電位值就是最大保護(hù)電位。

陰極保護(hù)電位越大，防腐程度越高，單站保護(hù)距離也越長(zhǎng)，但是過(guò)大的電位將使被保護(hù)管道的防腐絕緣層與管道金屬表面的粘接力受到破壞，產(chǎn)生陰極剝離，嚴(yán)重時(shí)可以出現(xiàn)金屬“氫破裂”。同時(shí)太大的電位將消耗過(guò)多的保護(hù)電流，形成能量浪費(fèi)。

一． 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)

（一）常見的犧牲陽(yáng)極材料

1.鎂合金陽(yáng)極

根據(jù)形狀以及電極電位的不同，鎂合金陽(yáng)極可用于電阻率在 20歐姆.米到 100歐姆.米的土壤或淡水環(huán)境。高電位鎂合金陽(yáng)極的電位為-1.75V (CSE)；低電位鎂陽(yáng)極的電位為-1.55V(CSE)。

2.鋅合金陽(yáng)極

鋅合金陽(yáng)極多用于土壤電阻率小于15 歐姆.米的土壤環(huán)境或海水環(huán)境。電極電位為-1.1V(CSE)。溫度高于40°C時(shí)，鋅陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電位下降，并發(fā)生晶間腐蝕。高于60°C時(shí)，它與鋼鐵的極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，變成陰極受到保護(hù)，而鋼鐵變成陽(yáng)極受到腐蝕。所以，鋅陽(yáng)極僅能用于溫度低于40°C的環(huán)境。

3.回填料

當(dāng)使用填料時(shí)，陽(yáng)極的電流輸出效率提高。如果將陽(yáng)極直接埋入土攘，由于土壤的成分不均勻，會(huì)造成陽(yáng)極自身腐蝕，從而降低陽(yáng)極效率。采用填料，一是保持水分，降低陽(yáng)極的接地電阻，二是使陽(yáng)極表面均勻腐蝕，提高陽(yáng)極利用效率。

（二）犧牲陽(yáng)極的埋設(shè)方式

1、犧牲陽(yáng)極埋設(shè)有立式和臥式兩，埋設(shè)位置分軸向和徑向。

2、犧牲陽(yáng)極在管道的分布宜采用單支或集中成組兩種方式。

3、陽(yáng)極與管道的距離，一般情況下陽(yáng)極埋設(shè)位置應(yīng)距管道3～5ｍ，最小不宜小于0.3ｍ，成組埋設(shè)時(shí)，陽(yáng)極間距以2～3ｍ為宜。

1）在管道一側(cè)

2）在管道兩側(cè)

一． 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)施

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由四部分組成：直流電源、輔助陽(yáng)極、被保護(hù)管道、附屬設(shè)施。

1、電源設(shè)備（恒電位儀）

強(qiáng)制電流系統(tǒng)要求電源設(shè)備能夠不斷地向被保護(hù)金屬構(gòu)筑物提供陰極保護(hù)電流，要求電源設(shè)備安全可靠；電源電壓連續(xù)可調(diào)；能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐墓ぷ鳝h(huán)境（溫度、濕度、日照、風(fēng)沙）；功率與被保護(hù)構(gòu)筑物相匹配；操作維護(hù)簡(jiǎn)單。

目前常用的陰極保護(hù)電源設(shè)備有太陽(yáng)能電池、整流器、恒電位儀，國(guó)內(nèi)多用恒電位儀，都能國(guó)產(chǎn)化，恒電位儀不僅能夠恒電位輸出，還能恒電流輸出。用戶可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

2、陽(yáng)極地床

輔助陽(yáng)極是外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，將保護(hù)電流從電源引入土壤中的導(dǎo)電體。通過(guò)輔助陽(yáng)極把保護(hù)電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護(hù)的管道，使管道表面進(jìn)行陰極極化 (防止電化學(xué)腐蝕)，電流再由管道流入電源負(fù)極形成一個(gè)回路，這一回路形成了一個(gè)電解池，管道在回路中為負(fù)極處于還原環(huán)境中，防止腐蝕，而輔助陽(yáng)極進(jìn)行氧化反應(yīng)遭受腐蝕。常用的陽(yáng)極材料有：高硅鑄鐵、石墨、鋼鐵、柔性陽(yáng)極。

陽(yáng)極地床的設(shè)計(jì)遵循以下幾方面要求：

（1）陽(yáng)極種類的選擇

①在一般土壤中可采用高硅鑄鐵陽(yáng)極、石墨陽(yáng)極、鋼鐵陽(yáng)極；

②在鹽漬土、海濱土或酸性和含硫酸根離子較高的環(huán)境中，宜采用含鉻高硅鑄鐵陽(yáng)極。

③高電阻率的地方宜使用鋼鐵陽(yáng)極。

④覆蓋層質(zhì)量較差的管道及位于復(fù)雜管網(wǎng)或多地下金屬構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)的管道可采用柔性陽(yáng)極，但不宜在含油污水和鹽水中使用。

（2）輔助陽(yáng)極埋設(shè)位置的選擇

輔助陽(yáng)極與管道距離愈遠(yuǎn)電流分布愈均勻，但過(guò)遠(yuǎn)會(huì)增加引線上的電壓降和投資，因此輔助陽(yáng)極的距離和埋設(shè)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選定。選擇陽(yáng)極安裝位置的原則是:

①地下水位較高或潮濕低洼處；

②土層厚,無(wú)塊石,便于施工；

③土壤電阻率一般應(yīng)小于50歐姆米，特殊地區(qū)也應(yīng)小于100Ω.m；

④對(duì)鄰近的地下金屬構(gòu)筑物干擾小，陽(yáng)極地床與被保護(hù)管道之間不得有其它

金屬管道；

⑤考慮陽(yáng)極附近地域近期發(fā)展規(guī)劃及管道發(fā)展規(guī)劃以避免建后可能出現(xiàn)的搬遷；

⑥陽(yáng)極位置與管道的垂直距離不宜小于50m。

⑦地面金屬構(gòu)筑物較多，用地狹窄時(shí)，可采用深井陽(yáng)極，以減小對(duì)其它金屬構(gòu)物的干擾又節(jié)約用地。

（3）輔助陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)

①淺埋式地床結(jié)構(gòu)

將電極埋入距地表1～5米的土層中, 這是管道陰極保護(hù)一般選用的陽(yáng)極埋設(shè)形式。淺埋式陽(yáng)極又可分為立式,水平式兩種,對(duì)于鋼鐵陽(yáng)極可能兩種聯(lián)合稱為聯(lián)合式陽(yáng)極。

a.立式陽(yáng)極：由一根或多根垂直埋入地中的陽(yáng)極排列構(gòu)成。電極間用電纜聯(lián)接。其優(yōu)點(diǎn)有:全年接地電阻變化不大;當(dāng)陽(yáng)極尺寸相同時(shí),立式地床的接地電阻較水平式小。

b.水平式陽(yáng)極：將陽(yáng)極以水平方向埋入一定深度的地層中,其優(yōu)點(diǎn)有:安裝土石方量較小,易于施工；容易檢查地床各部分的工作情況。

c.聯(lián)合式陽(yáng)極：指采用鋼鐵材料制成地床,它由上端聯(lián)接著水平干線的一排立式陽(yáng)極所組成.

②深埋式陽(yáng)極(深井式)

當(dāng)陽(yáng)極地床周圍存在干擾、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管網(wǎng)密集區(qū)進(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)時(shí),使用深埋式陽(yáng)極,可獲得淺埋式陽(yáng)極所不能得到的保護(hù)效果。深埋式地床根據(jù)埋設(shè)深度不同可分為淺深井(20～40米)、中深井(50～100米)和深井(＞100米)三種。

深埋式陽(yáng)極地床的特點(diǎn)是接地電阻小,對(duì)周圍干擾小,消耗功率低,電流分布比較理想。它的缺點(diǎn)是施工復(fù)雜技術(shù)要求高,單井造價(jià)貴。尤其是深度超過(guò)100米的深陽(yáng)極,施工需要大鉆機(jī)，這就限制了它的應(yīng)用。

淺埋陽(yáng)極示意圖

3、陰極保護(hù)的附屬設(shè)施

①、埋地型參比電極

為了對(duì)各種金屬的電極電位進(jìn)行比較，必須有一個(gè)公共的對(duì)比電極，其電極電位具有良好的穩(wěn)定性，構(gòu)造簡(jiǎn)單，通常有飽和硫酸銅參比電極、鋅電極等。其作用是與恒電位儀組成信號(hào)源。

參比電極埋設(shè)的位置應(yīng)盡量靠近管道，以減少土壤介質(zhì)中的IR降影響。

埋地型參比電極的類型：

ａ、液體硫酸銅參比電極

主要用于測(cè)量管地電位，用于埋地使用時(shí)，由于密封處理不好，經(jīng)常會(huì)造成滲漏過(guò)度，經(jīng)常添加硫酸銅溶液，且一到冬季又容易凍結(jié)，影響恒電位儀的正常工作，目前已很少埋地使用。

ｂ、長(zhǎng)效埋地型硫酸銅參比電極

電極結(jié)構(gòu)：電極由素?zé)沾晒?、管狀或彈簧狀銅電極和硫酸銅晶體所構(gòu)成。使用前應(yīng)在水中浸泡24小時(shí)，形成飽和硫酸銅溶液。

電極地床結(jié)構(gòu)：在參比電極周圍填充5～10ｃｍ厚的填包料。填包料的主要成分為石膏粉、硫酸鈉、膨潤(rùn)土，其體積比為75：5：20

②、測(cè)試樁

為了定期檢測(cè)管道陰極保護(hù)參數(shù)。

③、電絕緣裝置

作用：安裝絕緣法蘭或絕緣接頭可以將進(jìn)行陰極保護(hù)的管道和不進(jìn)行陰極保護(hù)的管道絕緣。

④、檢查片

檢查片是為了定量測(cè)量陰極保護(hù)效果，在管道沿線典型地段埋設(shè)與被保護(hù)管道相同的鋼制試片。

⑤、均壓線

為避免干擾腐蝕，用電纜將同溝敷設(shè)、近距離平行或交叉的管道連接起來(lái)，以消除管道之間的電位差，此電纜稱為均壓線。

⑥、導(dǎo)線

陰極保護(hù)系統(tǒng)中導(dǎo)線有：陽(yáng)極線、陰極線、零位接陰線、參比電極引線、測(cè)試樁引線

4、管道實(shí)施陰極保護(hù)的基本條件

①、管道必須處于有電解質(zhì)的環(huán)境中，以便能建立起連續(xù)的電路。如土壤、海水、河流等介質(zhì)中都可以進(jìn)行陰極保護(hù)。

②、管道必須電絕緣。首先，管道必須要采用良好的防腐層盡可能將管道與電解質(zhì)絕緣，否則會(huì)需要較大的保護(hù)電流密度。其次，要將管道與非保護(hù)金屬構(gòu)筑物電絕緣，否則電流將流失到其他金屬構(gòu)筑物上，造成其他金屬構(gòu)筑物的腐蝕以及管道陰極保護(hù)效果的降低。

③、管道必須保持縱向電連續(xù)性。

一． 陰極保護(hù)投入運(yùn)行的調(diào)試

1、陰極保護(hù)投入前對(duì)被保護(hù)管道的檢查

管道對(duì)地絕緣的檢查：從陰極保護(hù)的原理介紹, 已得知沒有絕緣就沒有保護(hù)。為了確保陰極保護(hù)的正常運(yùn)行，在施加陰極保護(hù)電流前，必須確保管道的各項(xiàng)絕緣措施正確無(wú)誤。 應(yīng)檢查管道的絕緣接頭的絕緣性能是否正常；管道沿線的閥門應(yīng)與土壤有良好的絕緣；管道與固定墩、跨越塔架、穿越套管處也應(yīng)有正確有效的絕緣處理措施，管道在地下不應(yīng)與其它金屬構(gòu)筑物有"短接"等故障；管道表面防腐層應(yīng)無(wú)漏敷點(diǎn)，所有施工時(shí)期引起的缺陷與損傷均應(yīng)在施工驗(yàn)收時(shí)使用埋地檢漏儀檢測(cè)，修補(bǔ)后回填。

2、對(duì)陰極保護(hù)施工質(zhì)量的驗(yàn)收

（1）對(duì)陰極保護(hù)間內(nèi)所有電氣設(shè)備的安裝是否符合《電氣設(shè)備安裝規(guī)程》的要求，各種接地設(shè)施是否完成，并符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

試樁、陽(yáng)極地床、陽(yáng)極引線的施工與連接應(yīng)嚴(yán)格符合規(guī)范要求，尤其是陽(yáng)極引線接正極，管道匯流點(diǎn)接負(fù)極，嚴(yán)禁電極接反。

（3）圖紙、設(shè)計(jì)資料齊全完備。

3、陰極保護(hù)投入運(yùn)行的調(diào)試

（1）組織人員測(cè)定全線管道自然電位、土壤電阻率、陽(yáng)極地床接地電阻，同時(shí)對(duì)管道環(huán)境有一個(gè)比較詳盡的了解，這些資料均需分別記錄整理，存檔備用。

（2）陰極保護(hù)站投入運(yùn)行

按照恒電位儀的操作程序開啟，給定電位保持在-1.20伏左右，待管道陰極極化一段時(shí)間(4小時(shí)以上)開始記錄直流電源輸出電流、電壓，測(cè)試通電點(diǎn)電位、管道沿線保護(hù)電位、保護(hù)距離等。然后根據(jù)所測(cè)保護(hù)電位，調(diào)整通電點(diǎn)電位至規(guī)定值，繼續(xù)給管道送電使其完全極化 (通常在24小時(shí)以上)。再重復(fù)第一次測(cè)試工作，并做好記錄。若最遠(yuǎn)端保護(hù)電位過(guò)低，則需再適當(dāng)調(diào)節(jié)通電點(diǎn)電位。

（3）保護(hù)電位的控制

各站通電點(diǎn)電位的控制數(shù)值, 應(yīng)能保證相鄰兩站間的管段保護(hù)電位達(dá)到-0.85伏以上，同時(shí)各站通電點(diǎn)最負(fù)電位不允許超過(guò)規(guī)定數(shù)值。調(diào)節(jié)通電點(diǎn)電位時(shí)，管道上相鄰陰極保護(hù)站間加強(qiáng)聯(lián)系，保證各站通電點(diǎn)電位均衡。

（4）當(dāng)管道全線達(dá)到最小陰極保護(hù)電位指標(biāo)后，投運(yùn)操作完畢，各陰極保護(hù)站進(jìn)入正常連續(xù)工作階段。

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