管道强制电流阴极保护阳极地床设计
-----------------------作者：
-----------------------日期：
防腐蚀工程设计课程论文
管道的强制电流阴极保护阳极地床
班级：07080305
学号：0708030509
：王爱丽
管道的强制电流阴极保护阳极地床
摘 要：随着社会主义建设事业的蓬勃发展，各种用途的地下管道与日俱增。在长期的生产和生活实践中，人们更加认清了防腐蚀的重要性，因而有力地促进了地下管道的阴极保护设计工作。在强制电流阴极保护中，主要一环为阳极地床，其是否合理直接影响阴极保护设计的经济效益。本文仅介绍一些有关阳极地床的相关容。
关键词：管道 防腐 强制电流 阴极保护 辅助阳极 阳极地床
对城市埋地管道采用外防腐层加阴极保护方式联合防腐是目前广为推荐的一种经济而科学的防腐蚀措施。外防腐层使管道与土壤介质绝缘隔离，是一种行之有效的物理防护方式，但在实际工程中防腐层受损、老化等情况不可避免，阴极保护可以弥补这些缺陷。它通过阴极极化的电化学手段保证了被保护管道的电化学均匀性，抑制了腐蚀电池的产生。这种联合保护使腐蚀控制手段相互补充，腐蚀控制成本降低。一般地讲，阴极保护可将管
道寿命延长一倍或几倍，而阴极保护投资只占管道总投资的3%~5%左右。建设中的新管道需要施加阴极保护，已投产运行一段时间的旧管道追加阴极保护也具有实际意义。
阴极保护原理
金属的腐蚀现象在日常生活中随处可见,按腐蚀反应机理可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀等。其中电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀,并且比其他腐蚀形式强烈得多。埋地钢结构的快速腐蚀绝大部分是电化学腐蚀所致。阴极保护就是防止或抑制被保护金属构筑物发生电化学腐蚀的技术。方法是对被保护的金属施加一定的阴极电流,使被保护金属的电位负于某一电位值，使其上的阳极反应得到抑制，从而使金属的腐蚀得到控制。
强制电流保护法
(1)将被保护金属与外加电流负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。称之为强制电流保护法。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在电池中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子的氧化反应，使腐蚀受到抑制。强制电流保护法的主要设备有：恒电位仪、辅助阳极、参比电极。
(2)强制电流保护法的主要特点是：①适用于长输管线和区域性管网的保护。②输出电流大，一次性投资相对较小。③安装工程量较小，可对旧管道补加阴极保护。④运行期间需要专业人员维护。⑤容易实现远程自动化监控。
强制电流阴极保护阳极地床
强制电流系统电源输出的电能约有60%~80%消耗在阳极地床上，所以阳极数量和敷设方式决定了系统的经济性。阳极数量少，地床电阻高，耗电量大，虽然建设费用低，但运行费用高；反之，建设费用高，但运行费用低。根据保护电流和土壤电阻率选取最佳阳极数量。此外，覆盖层的质量直接关系到保护电流密度和保护围大小，并影响到阴极保护投资。如三层PE，保护电流密度小于1μA/m2，相比石油沥青50μA/m2和PE管5μA/m2，其保护围成倍增加，可减少阳极保护站数量和节省电费。
一、阳极地床形式及优缺点：
目前强制电流阴极保护阳极地床有以下几种类型。
⑴ 浅埋点状阳极地床
一个或几个阳极垂直地或水平地安装在通常深度小于17m的地层下，用以对地下或水中金属构筑物进行阴极保护。距离管道垂直距离30~300m不等，根据当地的具体环境而定。当覆盖层质量好时，保护电流不大，距离可缩短。
优点：①施工方便；②便于检查；③安装土方量少。
缺点：①可能存在屏蔽和干扰；②地床电阻受外界环境影响；③占地面积大，易被人为破坏。
⑵ 深井阳极地床
一个或几个阳极,安装在一般深度为地表以下17m或更深的钻孔之中，用以对地下或水中金属构筑物进行阴极保护。深井阳极按埋设深度分次深20~40m；中深50~100m；
深>100m。
优点：①可位于密集的面积，占地少，不受地理位置、地形、征地限制；②在土壤电阻率高的地区，深井地床可提供比浅埋地床低的总电阻；③深井阳极比浅埋阳极少受季节温度、湿度影响，不会冰冻；④深井阳极比浅埋阳极提供较低的地表阳极电位梯度，不会像浅埋阳极产生屏蔽和干扰；⑤深井阳极比浅埋阳极提供更好电流分布；⑥深井阳极不易遭人为破坏；⑦开孔式深井阳极易于检查、修理或更换阳极和导线。
缺点：①相同电流输出相比,深井阳极比浅埋阳极更昂贵,单井造价高；②封闭式深井阳极的检查、更换和修理都很困难；③对气阻的敏感性大，深井阳极要考虑特殊设计，开孔井除外；④对一个复杂结构，须深井阳极和浅埋阳极相配合，以提供一个适当的保护电流分布；⑤压实阳极周围填包料对深井阳极难以实现，压实不好或填包料不足都会导致阳极提早损坏。解决办法是预制阳极体，工厂制做后，再拿到现场组装。
⑶ 分布阳极地床
属浅埋阳极地床一种，多组分散布置，每组阳极2~3支。阳极地床是以浅埋方式呈非几何形状，依被保护结构的位置而定。往往先包围被保护结构，再依电力线视线分布原则，在被保护体之间插入阳极，以使电力线分布均匀，使被保护体达到良好保护。
优点：①阳极布置灵活；②由于阳极分散布置，阳极充分释放电流，阳极利用率高，又由于多路并联，系统回路电阻小，电源输出功率低，维持电费降低；③因阳极浅埋，易检查、修理和更换。
缺点：①阳极支数和导线用量多，安装成本高于传统阳极地床；②阳极埋深同管道埋
深，可能仍存在屏蔽和干扰问题，解决办法是多装均压线。
⑷ 平行阳极地床
阳极平行被保护管道同沟敷设，阳极地床可是由断续的相距较近的常规阳极构成，阳极材料以是高硅铸铁、金属氧化物电极等，阳极地床也可是柔性阳极(或称缆状阳极)平行被保护管道敷设应用时阳极周围要使用焦炭粉填料。
优点：①保护电流分布良好，保护电位分布匀；②电路电阻低，致使电费降低；③高电阻率壤，使用效果好；④对外界管线干扰最小。
缺点：①阳极沿管线布置，与管线同长，致使加材料费用；②保护局限于地床长度，对优质涂管，保护长度不限地床长度；③劣质与优质涂层相平行，两者共同纳入保护，优质涂层管上获得保电位太高；④安装费用高于一般系统；⑤阳极导接头多，易发生接头故障或人为破坏，检查困难。
二、阳极选择
(1) 一般土壤中均可选择高硅铸铁、石墨、钢铁阳极。目前实际工程设计中多采用高硅铸铁阳极，石墨阳极、钢铁阳极应用较少。这是因为石墨脆，易因机械冲击或阳极接头引线断裂而过早失效；钢铁阳极虽然材料来源广泛，价廉，但其消耗率高，使用时间短。
(2) 盐渍土、海滨土或酸性和含硫酸根离子较高的环境中可选择含铬高硅铸铁。
(3) 覆盖层差及位于复杂管网或地下金属构筑物区域可采用柔性阳极，但不宜在含油污水和盐水中使用。
三、阳极地床位置的选择
阳极地床相时管道的位置将决定保护电位分布的均匀程度。阳极地床相对管道的距离越远，电位分布越均匀。但无限制地拉大距离将会增加阳极引线的电阻并增加投资。在选择阳极地床位置时，应考虑到周围环境的土壤电阻率、土壤湿度、地下构筑物情况、区域性发展规划、管线发展规划及是否宜于阳极床的施工等。其场土壤电阻率和土壤湿度对于地床接地电阻和维持地床正常运转是两个重要参数。土壤电阻率越低，土壤湿度越大，其地床接地电阻就越小，这就减少了回路电阻，降低了电能的损耗。据目前对阴极保护干扰的认识，其阳极地床周围2.5公里之都存在着严重的阳极干扰物，因此若在此围有其它金属构筑物存在，势必会受到阳极干扰，加速腐蚀。
四、阳极埋设
(1) 阳极埋设可采用浅埋和深埋方式。浅埋阳极应置于冻土层以下，埋深一般不宜小于1m；深埋阳极埋深宜为15～300m。
(2) 阳极通常采用立式埋设；在沙质土、地下水位高、沼泽地可采用水平浅埋；在复杂环境或地表电阻率高的情况下可采用深埋阳极。
五、阳极接头的施工
阳极与引出导线接头的质量要保证该阳极获得充分使用的关键。一方面接头部位是受力部位；另一方面阳极在电解质中工作，一旦发生电解质渗入到接头部位，该部位就处于强电解质状态，大量的腐蚀产物排放不出去，就会导致阳极接头胀裂而报废。所以对接头的要求如下：阳极体与引出线连接牢固可靠，拉脱力数值应大于阳极自身重量的1．5
倍；阳极与引出线的接触电阻应小于0．01Q，接头密封可靠，在强电解质状态下渗不进电解质(水)。
六、阳极地床设计
阳极地床有多种分布形式，长输管道阴极保护中阳极采用的是垂直分布式；站区管线采用深埋阳极；大型储罐采用柔性阳极。
1、长输管道阴极保护中阳极采用的是垂直分布式：
其具有安装费用低、受土壤环境影响小，电流输出稳定，阳极间距小，彼此干扰小，利用系数高等优点。该种埋设方式适用于一般场合。
⑴ 设计方案
选用单接头高硅铸铁阳极，阳极地床与管道的距离为200～500m，位置可按现场情况选取，通常不小于200 m。阳极地床埋设时选择土壤电阻率较低的地方，在阳极埋设位置挖D300～500mm的孔，将阳极放在其正中，在其填满焦碳渣，焦碳渣含碳量宜大于85％ ，最大粒径宜小于15mm，填充厚度为100mm；上方填料粒径为5～10mm的砾石或粗砂，砾石层宜加厚至地面以下500mm，然后浇水浸透焦碳，最后回填土壤。
⑵ 电缆连接
阳极电缆采用VV—l 1 X 10mm的铜芯电缆。把阳极引出电缆与主电缆用压接钳压接，采用铜或锡焊接，用热缩套密封绝缘。
⑶ 电缆与管道连接
采用铝热焊或锡焊，焊接处裸露的管壁或导线采用与管道覆盖层相适应的
材料防腐绝缘。
2、站区管线常用深埋阳极
地表土壤电阻率比较高、地下构筑物比较集中、占地面积受到限制等地区可采用深埋阳极。深埋阳极地床接地电阻小，对周围干扰小，消耗功率低，电流分布比较理想；但其施工复杂、技术要求高、单井造价高。
⑴ 设计方案：
选用单接头高硅铸铁阳极数个。阳极井的直径与地床的设计有关，常用直径为15～30cm。井的深度决定于地层情况和阳极的数量与长度。
⑵ 电缆连接
阳极电缆采用VV—l 1 X 10mm 的铜芯电缆。每支阳极或阳极组应有一根导线引向地面，中间应避免接头。把阳极引出电缆与主电缆用压接钳压接，采用铜或锡焊接，用热缩套密封绝缘。
⑶ 电缆与管道连接
采用铝热焊或锡焊，焊接处裸露的管壁或导线采用与管道覆盖层相适应的材料防腐绝
缘。
3、大型储罐采用柔性阳极
柔性阳极是近些年来开发出的一种新型辅助阳极，它特别适用于高电阻率环境，管道防腐层质量恶劣的场合；还适用于储罐底部保护，能有效的解决罐底电流分布问题。同时解决阴、阳极干扰问题。柔性阳极具有阴极保护电流长距离分布均匀；对邻近其它金属构筑物干扰影响小；能解决复杂管网的屏蔽问题；即使管道防腐层破坏严重或裸的罐底，也能保证电流的均匀分布等。
⑴ 设计方案
柔性阳极采用带状金属氧化物阳极，罐底阳极网包括阳极带、钛导电片、长效参比电极和馈电缆。阳极带和钛导电片间距视罐的规模而定，例如50000m 储罐阳极带间距为2、1m，钛导电片间距为8m。阳极埋深一般为0、3m，每根阳极、钛片两端距离罐周边150～200mm。
⑵ 电缆连接
电缆与一钛棒焊接，钛棒再与钛导电片连接，焊接处用热收缩套密封。
⑶ 电缆与储罐连接
采用铝热焊、锡焊或螺栓连接，焊接处裸露的罐壁或导线采用与管道覆盖层相适应的材料防腐绝缘。
合理实施阴极保护可以抑制被保护金属的电化学腐蚀,延长其使用寿命，保证安全运行。阴极保护的投资一般占总投资的2%~4%，但可延长设备使用寿命一倍以上，巨大的经济和社会效益不言而喻。阴极保护在发达国家已被列入法律条文,成为埋地钢质管道和储罐必上项目。我国随着对阴极保护技术认识的深入，有关阴极保护的规标准逐渐完善，阴极保护设计水平不断提高，阴极保护技术应用的围将会越来越广。
参考文献:
[1] 戈军.地下储罐阴极保护技术的应用.石油化工设计,2005,22(2).
[2] 庞孟枝.城市埋地管道阴极保护及电化学理论分析.油气储运,1998,17(3).
[3] 王芷芳,朱安纲,王福来,王淑静,吕承杰.强制电流阴极保护的阳极地床.腐蚀与防护.2004,25(7).
[4] 王峰.强制电流阴极保护及智能监测系统.油气田地面工程.2008,27(7).
[5] 春花,璇.强制电流阴极保护中阳极地床的合理设计.石油天然气,2007,3(4)
[6] 徐快. 强制电流阴极保护中辅助阳极地床的设计要素.石油部管道勘察设计研究院资料.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容