阴极保护原理

一、金属的阴极保护

1金属的腐蚀

金属有许多优良的性质，例如导电性、导热性、强度、韧性、可塑性、耐磨性、可铸造性等。金属材料至今依然是最重要的结构材料，广泛应用于生产、生活和科技工作的各个方面。金属制品在生产和使用的过程中，受到各种损坏，例如，机械磨损、生物性破坏、腐蚀等。 １.1、金属腐蚀的定义

金属的腐蚀是金属在环境的作用下所引起的破坏或变质。金属的腐蚀还有其他的表述。所谓环境是指和金属接触的物质。例如自然存在的大气、海水、淡水、土壤等，以及生产生活用的原材料和产品。由于这些物质和金属发生化学作用或电化学作用引起金属的腐蚀，在许多功能情况下还同时存在机械力、射线、电流、生物等的作用。金属发生腐蚀的部分，由单质变成化合物，至使生锈、开裂、穿孔、变脆等。因此，在绝大多数的情况下，金属腐蚀的过程是冶金的逆过程。 1.２、金属腐蚀的分类 有多种分类方法。

（１）按腐蚀过程的分，主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀过程中没有电流产生。例如金属在高温的空气中或氯气中的腐蚀，非电解质对金属的腐蚀等。引起金属化学腐蚀的介质不能导电。电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，在腐蚀过程中有电流产生。引起电化学腐蚀的介质都能导电。例如，金属在酸、碱、盐、土壤、海水等介质中的腐蚀。电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别在于它可以分解为两个相互独立而又同时进行的阴极过程和阳极过程，而化学腐蚀没有这个特点。电化学腐蚀比化学腐蚀更为常见和普遍。

（２）按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区的分布，分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀，是指腐蚀分布于整个金属的表面。全面腐蚀有各处的腐蚀程度相同的均匀腐蚀；也有不同腐蚀区腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。在用酸洗液清洗钢铁、铝设备时发生的腐蚀一般属于均匀腐蚀。而腐蚀主要集中在金属表面的某些区域称为局部腐蚀。尽管此种腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部腐蚀速度很大，可造成设备的严重破坏，甚至爆炸，因此，其危害更大。金属在不同的环境条件下可以发生不同的局部腐蚀。例如孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀等。还有按腐蚀的环境条件把腐蚀分为高温腐蚀和常温腐蚀；干腐蚀和湿腐蚀等 1.3腐蚀控制措施?

多年的实践证明，最为经济有效的腐蚀控制措施主要是覆盖层(涂层)加阴极保护。与国外相比，我国75％的防蚀费用用在涂装上，而电化学保护使用的相对较低。 5）施加涂层后，为什么还会腐蚀？ 涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工、和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。

2阴极保护基本原理 2.1、腐蚀电位或自然电位

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位（自然电位）。腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子（如， 铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。

相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE), 不同金属的在土壤中的腐蚀电位 （V）

在同一电解质中，不同的金属具有不同的腐蚀电位 ，如轮船船体是钢,推进器是青铜制成的,铜的电位比钢高,所以电子从船体流向青铜推进器，船体受到腐蚀，青铜器得到保护。钢管的本体金属和焊缝金属由于成分不一样, 两者的腐蚀电位差有时可达0.275V,埋入地下后，电位低的部位遭受腐蚀。新旧管道连接后，由于新管道腐蚀电位低，旧管道电位高，电子从新管道流向旧管道，新管道首先腐蚀。同一种金属接触不同的电解质溶液（如土壤）,或电解质的浓度、温度、气体压力、流速等条件不同，也会造成金属表面各点电位的不同。 2.2、参比电极

为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。饱和硫酸铜参比电极电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性,构造简单,在阴极保护领域中得到广泛采用。不同参比电极之间的电位比较：

土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位（V）

2.3、阴极保护

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即,牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接,并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的，相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆.米）的金属结构。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用

寿命一般不会超过3年，最多5 年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。本人认为，产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属,使被保护金属结构电位低于周围环境,。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。 3 阴极保护主要参数 3.1.自然电位

自然电位是金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的对地电位。自然电位随着金属结构的材质、表面状况和土质状况,含水量等因素不同而异, 一般有涂层埋地管道的自然电位在-0.4～0.7 V CSE 之间,在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般取平均值 -0.55V。 3.2.最小保护电位

金属达到完全保护所需要的最低电位值。一般认为，金属在电解质溶液中，极化电位达到阳极区的开路电位时，就达到了完全保护。对于铜饱和硫酸铜参比电极来说，最小保护电位为-0.85伏；相对于稿纯锌参比电极来说，最小保护电位应该是-250毫伏。 3.3.最大保护电位

如前所述，保护电位不是愈低愈好,是有限度的,过低的保护电位会造成管道防腐层漏点处大量析出氢气, 造成涂层与管道脱离， 即，阴极剥离,不仅使防腐层失效,而且电能大量消耗,还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂,所以必须将电位控制在比析氢电位稍高的电位值, 此电位称为最大保护电位,超过最大保护电位时称为"过保护"。 3.4.最小保护电流密度

使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要的保护电流密度,称作最小保护电流密度,其常用单位为mA/m 2表示。处于土壤中的裸露金属，最小保护电流密度一般取10mA/m2。 3.5.瞬时断电电位

在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2 ～ 0.5秒中之内读取得结构对地电位。由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构，所以，所测电位为结构的实际极化电位，不含IR降（介质中的电压降）。由于在断开被保护结构阴极保护系统时，结构对地电位受电感影响，会有一个正向脉冲，所以，应选取0.2 ～0.5 秒之内的电位读数。 4 阴极保护准则

为了便于实际应用，通过多年的实践与研究，得出了以下几个判断结构是否得到充分保护得判断准则。

NACE RP 0169 建议“在通电的情况下,埋地钢铁结构最小保护电位为-0.85V CSE或更负, 在有硫酸盐还原菌存在的情况下，最小保护电位为-0.95V CSE，该电位不含土壤中电压降（IR降）”。实际测量时，应根据瞬时断电电位进行判断。目前流行的通电电位测量方法简便易行，但对测量中IR降的含量没有给予足够重视。其后果是很多认为阴极保护良好的管道发生腐蚀穿孔。这方面的教训是很多的。如：某气田南干线，认为阴极保护良好，但实际内检测发现腐蚀深度在壁厚的10-19% 的点多达410处； 个别位置的点蚀深度达到50%。 进行断电电位测量发现，很多点保护电位（断电电位）没有达到-0.85V CSE。有效的方法是实际测量几点的IR降，保护电位按0.85 + IR 降来确定。IR 降可以通过通电电位减去瞬时断电电位来获得，也可以用瞬时通电电位减去结构自然电位来获得。

瞬时断电电位与自然电位电位之差不得小于100mV。在有些情况下，在断开电源0.2-0.5秒内测量断电电位，待结构去极化后（24 或48 小时后）再测量结构电位（自然电位），其差值应不小于 100mV。也可以用通电电位（极化后）减去瞬时通电电位来计算极化电位。

最大保护电位的限制应根据覆盖层及环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准,一般瞬时断电电位不得低于-1.10V CSE。由于受旧规范的影响，很多人还认

为阴极保护最大电位不能低于-1.5V CSE。事实上这种观念使错误的，造成的危害也是巨大的。判断阴极保护电位是否过大应以断电电位为判断基础，只要断电电位不低于-1.1V CSE（西欧为-1.15V CSE），通电电位再大也没有关系。 5 牺牲阳极阴极保护阳极材料

5.1镁牺牲阳极，根据形状以及电极电位的不同，镁阳极可用于电阻率在 20欧姆.米到 100欧姆.米的土壤或淡水环境。高电位镁阳极的电位为 1.75V CSE; 低电位镁阳极的电位为1.55V CSE。

镁阳极阳极规格

镁阳极化学成分

镁阳极电化学性能

5.2锌牺牲阳极

锌牺牲阳极多用于土壤电阻率小于15 欧姆.米的土壤环境或海水环境。电极电位为1.1V CSE。温度高于40 ° C 时，锌阳极的驱动电位下降，并发生晶间腐蚀。高于60 ° C 时，它与钢铁的极性发生逆转，变成阴极受到保护，而钢铁变成阳极受到腐蚀。所以，锌阳极仅能用于温度低于40 ° C的环境。

化学成分

电化学性能

5.3铝牺牲阳极 1）、特点： (1).导电性能好 (2).耐腐蚀，寿命长

(3).极化小，溶解均匀，产物易脱落 (4).腐蚀产物不污染环境，无公害 (5).容易加工，大小长短随意，便于安装

(6).自腐蚀效率小且均匀，具有高而稳定的电流效率 2）、可以用于防腐市的情况

3）铝合金的组成

铝合金阳极生产执行GB4948－2002《铝－锌－铟系合金牺牲阳极》

最常用的铝合金阳极有Al－Zn－In系和Al－Zn－Hg系阳及Al－Zn－In—Mg—Ti，适用于石油、天然气埋地管线、海水中的船舶、港工与海洋设施、海水冷却水系统和储罐沉积水部位等构筑物的阴极保护。 化学元素 化学成分，%

种类 Zn In Cd Sn Mg Sl Fe Cu Al

铝-锌-铟-镉 2.5∽ 4.5 0.018∽0.050 0.005∽0.02 / / ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量 铝-锌-铟-锡 2.2∽ 5.2 0.020∽0.045 / 0.018∽0.035 / ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量 铝-锌-铟-硅 5.5∽ 7.0 0.025∽0.035 / / / 0.10∽ 0.15 ≤0.16 ≤0.02 余量

铝-锌-铟-锡-镁 2.5∽ 4.0 0.020∽0.050 / 0.025∽0.075 0.50∽ 1.0 ≤0.13 ≤0.16 ≤0.02 余量

铝-锌-铟-镁-钛4.0~7.0 0.02~0.050 0.5-1.50 0.01~0.08 0.10 0.15 0.01 4 ）电化学性能%

5.4带状阳极 为了减小阳极接地电阻，有时会采用带状镁阳极或锌阳极。 阳极带沿被保护结构铺设，使电流分布更加均匀。当阳极带沿管道铺设时，每隔一段距离就应该与管道连接一次。间距不应太大，因为随着阳极的消耗，截面积不断减小，阳极带电阻会逐步增大。为了减少沿阳极带的电压降，连接间隔一般不大于305米。如果将带状阳极直接埋到土壤或回填砂中，阳极可能会发生自身腐蚀，使用寿命缩短。带状阳极的一般规格为19x9.5mmx305m 每卷。

5．5回填料

当使用填料时，阳极的电流输出效率提高。如果将阳极直接埋入土攘，

由于土壤的成分不均匀，会造成阳极自身腐蚀，从而降低阳极效率。采用填料，一是保持水分，降低阳极的接地电阻，二是使阳极表面均匀腐蚀，提高阳极利用效率

5.6 阳极驱动电位

假设被保护结构的极化电位为 -1.0V，

则驱动电压 D V = V + 1.0。

V = 阳极电位：

高电位镁阳极-1.75V, 低电位镁阳极

-1.55V; 锌阳极电位-1.10V。

5．7牺牲阳极的安装与维护

与外加电流阴极保护相比，牺牲阳极的安装比较简单。当一个位置有几支阳极时，阳极要直线排列以降低电阻。阳极可以与管道垂直，也可以与管道平行。为了减小阳极场的影响，当阳极与管道平行时，镁阳极与管道的距离最小为5米； 锌阳极与管道的最小距离为1.5米（空间允许时，间距最好3米）。如果管道带空间受到限制，也可以将阳极埋设在较深的部位以满足与管道间距的要

求。牺牲阳极阴极保护系统的维护很简单，经常检查阳极的输出电流，阳极消耗尽后，及时更换。

6 外加电流阴极保护用阳极材料

外加电流阴极保护是防止地下金属结构如管道、储罐、等腐蚀的有效方法.辅助阳极是外加电流系统中的重要组成部分，其作用是将保护电流经过介质传递到被保护结构物表面上.

6.1对阳极的性能要求

地下结构物外加电流阴极保护用阳极通常并不直接埋在土壤中，而是在阳极周围填充碳质回填料而构成阳极地床。碳质回填料通常包括冶金焦碳、石油焦碳和石墨颗粒等。回填料的作用是降低阳极地床的接地电阻，延长阳极的使用寿命。

针对阳极的工作环境，结合实际工程的要求，理想的埋地用辅助阳极应当具有如下性能：

(1)良好的导电性能，工作电流密度大，极化小；

(2)在苛刻的环境中，有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低，寿命长；

(3)机械性能好，不易损坏，便于加工制造，运输和安装；

(4)综合保护费用低.

6.2各类阳极的性能特点

6.2.1废钢铁阳极

废钢铁是早期外加电流阴极保护常用阳极材料，其来源广泛，价格低廉.由于是溶解性阳极，表面很少析出气体，因而地床中不存在气阻问题.其缺点是消耗速率大，在土壤中为8.4 kg/A.a，使用寿命较短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。

6.2.2石墨阳极

石墨是由碳素在高温加热后形成的晶体材料，通常用石蜡、亚麻油或树脂进行浸渍处理，以减少电解质的渗入，增加机械强度.经浸渍处理后，石墨阳极的消耗率将明显减小。石墨阳极在地床中的允许电流密度为5～10 A/m2

石墨阳极价格较低，并易于加工，但软而脆，不适于易产生冲刷和冲击作用的环境，在运输和安装时易损坏，随着新的阳极材料出现，其在地床中的应用逐渐减少。

6.2.3高硅铸铁阳极

高硅铸铁几乎可适用于各种环境介质如海水、淡水、咸水、土壤中。当阳极电流通过时，在其表面会发生氧化，形成一层薄的SiO2多孔保护膜，极耐酸，可阻止基体材料的腐蚀，降低阳极的溶解速率.但该膜不耐碱和卤素离子的作用.当土壤或水中氯离子含量大于200×10-4 %时，须采用加4.0 %～4.5 % Cr的含铬高硅铸铁.高硅铸铁阳极在干燥和含有较高硫酸盐的环境中性能不佳，因为表面的保护膜不易形成或易受到损坏。

高硅铸铁阳极具有良好的导电性能，高硅铸铁阳极的允许电流密度为5～80 A/m2，消耗率小于0.5 kg/A.a。除用于焦碳地床中以外，高硅铸铁阳极有时也可直接埋在低电阻率土壤中.

高硅铸铁硬度很高，耐磨蚀和冲刷作用，但不易机械加工，只能铸造成型，另外脆性大，搬运和安装时易损坏.为提高阳极利用率，减少“尖端效应”，可采用中间连接的圆筒形阳极.

6.2.4铂阳极

铂阳极是在钛、铌、钽等阀金属基体上被覆一薄层铂而构成的复合阳极.铂层复合的方法很多，如水溶液电镀、熔盐镀、离子镀、点焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或轧制、热分解沉积等.铂阳极的特点是工作电流密度大，消耗速率小、重量轻，已在海水、淡水阴极保护中得到广泛使用。

钛和铌是应用最多的阳极基体，钽用得较少，这是因为其价格高，而铌和钛通常又能满足使用性能要求.在含有氯离子介质中，钛的击穿电位为12～14 V，而铌的击穿电位为40～50 V。因此在地下水中含有较高氯离子的深井地床中采用铂铌阳极更为可靠。

由于铂阳极价格较昂贵，不可能大面积采用；在地床中消耗速率大；而且地床接地电阻随时间延长逐渐增大，所以铂阳极在地床中远不如高硅铸铁和石墨阳极用得广泛，并且有人不推荐在地床中使用铂阳极。

6.2.5聚合物阳极

聚合物阳极是在铜芯上包覆导电聚合物而构成的连续性阳极，也称柔性阳极或缆形阳极.铜芯起导电的作用，而导电聚合物则参与电化学反应.由于铜芯具有优良的电导性，因此可以在数千米长的阳极上设一汇流点，聚合物阳极在土壤中

使用时，需在其周围填充焦碳粉末而构成阳极地床，其在地床中最大允许工作电流为82 mA/m，尽管与其它阳极相比，其工作电流密度很低，但由于可靠近被保护结构物铺设连续地床，因此可提供均匀、有效的保护.

聚合物阳极安装简便，特别适于裸管或涂层严重破坏的管道、受屏蔽的复杂管网区的保护以及高电阻率的土壤中。但应注意不能过度弯曲。

6.2.6混合金属氧化物阳极

混合金属氧化物阳极是在钛基体上被覆一层具有电催化活性的混合金属氧化物而构成，最早应用于氯碱工业，后推广应用于其它工业，包括阴极保护领域。由于采用钛为基体，因而易于加工成各种所需的形状，并且重量轻，这为搬运和安装带来了方便.由于电极表面为高催化活性的氧化物层所覆盖，在表面的一些缺陷处露出的钛基体的电位通常不会超过2伏，因此钛基体不会产生表面钝化膜击穿破坏（在土壤中使用时，外加电压一般控制在60伏以下）。混合金属氧化物阳极还具有极优异的物理、化学和电化学性能.其涂层的电阻率为10-7 Ω.m，极耐酸性环境的作用，极化小并且消耗率极低.通过调整氧化物层的成份，可以使其适于不同的环境，如海水、淡水、土壤中.

混合金属氧化物阳极在地床中于100 A/m2，工作电流密度下使用寿命可达20年，其消耗速率约2 mg/A.a,由于混合金属氧化物阳极具有其它阳极所不具备的优点，它已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料.

6.3 辅助阳极的选择及计算

辅助阳极又称阳极接地装置,阳极地床。它是强制电流阴极保护中不可缺少的重要组成部分, 通过辅助阳极把保护电流送入土壤,经土壤流入被保护的管道,使管道表面进行阴极极化 (防止电化学腐蚀)电流再由管道流入电源负极形成一个回路,这一回路形成了一个电解池,管道为负极处于还原环境中，防止腐蚀,而辅助阳极进行氧化反应,遭受腐蚀,也可能是周围电解质被氧化。

阴保站的电能60％消耗在阳极接地电阻上, 故阳极材料的选择和埋设方式,场所的选择,对减小电阻节约电能是至关重要的。阳极材料必须有良好的导电性能,在与土壤或地下水接触时有稳定的接地电阻,即使在高电流密度下, 其表面的极化较小;化学稳定性好,在恶劣环境中腐蚀率小;有一定的机械强度并便于加工和安装;价格低来源方便。

6.3.1.辅助阳极埋设位置的选择

辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀, 但过远会增加引线上的电压降和投资。从实测数据来看辅助阳极距汇流点200米以内时,对电流分布影响较大,远于300米后影响就不大了。故在长输管道的干线上阳极一般设在距管道300～500米之间为宜。管道较短或油气管道较密集的地区, 采用50～300米之间是合适的。花格线设计是450m,对于土壤电阻率很大的地区是否过远, 是值得研究的问题。因此对处于特殊地形、环境的管道,辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况慎重选定。在阴保站址选定的同时, 应在予选站址与管道的一侧选择阳极安装的位置,其原则是:

(1) 地下水位较高或潮湿低洼处;

(2)土层厚,无块石,便于施工;

(3)土壤电阻率一般应小于50欧姆米,特殊地区也应小于100欧姆米

(4)对邻近的地下金属构筑物干扰小,阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道。

(5)考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现的搬迁.

(6)阳极地床位置与管道汇流点距离适当

(7)地面金属构筑物较多,用地狭窄时,可采用深井阳极,以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。

阳极接地电阻约占直流回路电阻60％左右, 大部分能量损失是由它造成的,因此合理选择阳极地床位置,降低接地电阻是十分重要的工作。

6.3.2辅助阳极的结构

1. 浅埋式地床结构

将电极埋入距地表1～5米的土层中, 这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于钢铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。

(1)立式阳极

由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成。电极间用电缆联接。其优点有: a.全年接地电阻变化不大;

b. 当阳极尺寸相同时,立式地床的接地电阻较水平式小。

(2)水平式阳极

将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中,其优点有:

a.安装土石方量较小,易于施工;

b.容易检查地床各部分的工作情况。

(3)联合式阳极

指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成.

6.4.深埋式阳极(深井式)

当阳极地床周围存在干扰、 屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时, 使用深埋式阳 极,可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。 深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(20～40米)、中深井(50～100米)和深井(＞100米)三种。

深埋式阳极地床的特点是接地电阻小, 对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其是深度超过100米的深阳极,施工需要大钻机，这就限制了它的应用。

6.5.阳极地床填料的应用

石墨阳极无论采用浅埋或深埋都必须添加回填料。 高硅铁阳极一般需要添加回填料,但在特殊地质可能不使用回填料,如沼泽、流砂层地区等。

(1)阳极地床填料的功能

1)增大阳极与土壤的接触,从而降低地床接地电阻;

2)将阳极电极反应转移到填料与土壤之间进行,延长阳极的使用寿命;

3)填料可以消除气体堵塞。

(2)对填料的要求

1)填料颗粒必须是导电体,以保证阳极与土壤之间良好的导电性。

2)填料应成本低,来源广,具有较连续的接触表面。

常用的回填料是焦炭粒,也可采用石墨加上石灰充填,以保持阳极周围呈碱性。通常用的焦炭粒性能规格见下表。

阳极地床回填用焦炭粒性能规格 表.1

确保阳极与回填料良好的电接触, 填料必须在阳极周围夯实。否则会使一部分电流从阳极直接流向土壤而缩短阳极使用寿命。在粘土地区,若阳极地床通过电流太大,可采用电极带孔的硬塑料管,由填料层直接通地面, 及时地将阳极周围产生的气体排出地面。对于较干燥地区可向地床注水降低接地电阻。

(3)回填料的重量

可用下述简单方法估计填料的容积: 阳极地床孔径为阳极直径的三倍。且在电极上下各填300毫米填料。 对粒径为15mm,比重为0.6吨/米3的焦炭粒来说, 每支ф100×1500阳极的参考用量为200公斤。

6.6阳极数量与接地电阻

阳极数量与接地电阻成反比关系。在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻的作用。 但是由于阳极间的屏蔽效应,往往增加较多支的阳极, 而降低电阻却很少。所以对于阳极数量的选择是一个经济效益问题。在确定阳极数量时需要考虑主要因素为:

1）. 要使阳极输出的电流在阳极材料允许的电流额度内,以保证阳极地床的使用寿命。

2）.在经济合理的前提下,阳极接地电阻应尽量做到最小,以降低电能耗量。 即对接地电阻规定一个合适的数值。目前接地电阻一般不大于1欧左右,在特殊地区可根据现场情况选定。

6.7阴极保护中的几个屏蔽问题

当管道周围有绝缘层或金属结构存在时, 会影响阴极保护电流的流动, 使管道得不到有效的阴极保护. 即: 电流屏蔽. 目前, 国内采用”管中管”进行防腐保温的长输管道都不同程度的发生了腐蚀事故. 某些套管内的输油管和固定墩内的管道也存在较为严重的腐蚀, 这种状况除了与施工质量控制不严有关外, 阴极保护电流的屏蔽也是一个重要原因.本文就绝缘层, 套管, 混凝土固定墩,区域阴极保护, 以及罐底板阴极保护时的屏蔽问题进行了分析, 以引起管道及储罐设计, 施工, 管理人员的重视.

金属结构对管道的屏蔽

1）.管道穿越公路, 铁路,以及河流时套管的屏蔽

在管道穿越公路, 铁路,以及河流时, , 经常需要将输油管放在金属套管中. 以对管道进行附加保护, 并认为, 套管与输送管充分绝缘. 而笔者认为, 采用套管时, 将有以下情况发生:

(1). 输送管与套管完全绝缘, 套管与输送管的环型空间内没有电解液存在. 在这种情况下, 阴极保护电流被完全屏蔽, 但输送管仅受大气腐蚀.

(2). 输送管与套管之间没有电气连接, 但套管内有电解液或泥土, 此时, 阴极保护电流从土壤中经过套管到达输送管, 在这种情况下, 输送管以及套管的外壁会得到阴极保护, 而套管的内壁因为排放电流而加快腐蚀.

(3).套管与输送管短路, 一旦套管与输送管发生短路, 阴极保护电流沿套管通过接触点返回到输送管, 此时, 如果套管与输送管之间有电解液, 输送管将发生严重腐蚀, 即使没有电解液, 如果套管防腐层较差, 也会泄漏大量电流, 使套管附近的一段管道得不到充分保护.

因此, 在设计中, 应该尽量避免采用套管, 而靠提高输送管的壁厚来提高强度. 在必须使用套管的情况下, 应采取必要的密封措施, 防止电解液进入, 并保证套管与输送管的绝缘.

2）. 固定墩钢筋的屏蔽

当固定墩内的钢筋与输送管发生意外接触时, 其影响相当于一个短路的套管. 阴极保护电流通过钢筋并通过接触点返回管道. 尽管钢筋之间存在间隙, 但密布的钢筋仍能阻断大部分阴极保护电流, 使固定敦内的管道得不到充分保护. 因此, 在设计中应减小钢筋与套管短路的可能性. 在施工中也要经常检测钢筋与输送管的电阻.

3）绝缘体对管道的屏蔽

“管中管”防腐保温结构的屏蔽问题.

当管道周围有绝缘体存在, 而且绝缘体与管道间有电解液存在时. 由于阴极保护电流无法通过绝缘体到达管道表面, 管道得不到阴极保护. 有人认为, 阴极保护电流可以通过绝缘体与管道之间的空隙到达管道表面, 事实是如果该空隙之间充满电解液, 电阻率很小, 这种看法是正确的. 通过对”管中管”的腐蚀情况进行调查发现, 如果防水层破坏, 水分进入保温层, 如果水分充足, 管道会得到阴极保护, 一般不会发生腐蚀. 如长期处于水下的管道. 如果仅有少量的水分进入管道, 则在漏点两侧（2-3倍间隙的距离以外）一般会发生较严重的腐蚀.

另外, 如果管道附近有其他绝缘体或岩石存在, 也会影响电流的流动, 对管道的保护电流起到屏蔽作用. 因此, 当管道通过岩石地带时, 应采取措施, 如: 采用柔性阳极或带状阳极, 保证阴极保护电流顺利的到达管道表面..

4）区域性阴极保护时, 土壤的屏蔽

对于位于开阔地带的管道, 土壤不会对阴极保护电流产生屏蔽. 但对于站内的管网和管群, 可能会有这种屏蔽问题. 如图 2所示, 由于管道密度较大, 尤其当管道防腐层不好时, 电流的泄漏会使其附近区域的土壤电位随之降低. 此时, 如果参比电极距管道较远, 所测电位并不能说明测点处管道的.保护状况. 因此, 管道较密时, 参比电极应尽量靠近测点.

在对罐底板.进行阴极保护时, 也会产生上述问题 如果阳极布置在罐的周围, 则大部分电流沿罐底板周遍进入罐底, 使罐中心得不到充分保护. .罐直径大时, 这种情况更为突出..由于土壤条件的复杂多变, 很难根据罐周围的电位估计出罐中心的保护电位.

可靠的方法是采用混合金属氧化物网状阳极系统，或柔性阳极系统，将参比电极布置在罐底板中心处. 实际测量其保护电位.

二、 罐内阴极保护

原油储罐和部分粗汽油罐内底板由于很强的电化学腐蚀，普通的涂料防腐或喷金属都不能达到长效防腐的效果，因此只有牺牲阳极的阴极保护和绝缘性防腐蚀推荐牺牲阳极的阴极保护。对牺牲阳极种类的选择，考虑到温度的影响不宜选涂料相结合的保护措施方能达到很好的长效防腐蚀效果。就牺牲阳极来说，考虑到安全因素不宜选用镁阳极，由于锌阳极在一定温度下会发生极性逆转，因此选用铝（Al）基合金阳极，该阳极使用寿命长，适宜在含氯离子的电解质中使用。当在罐内采用此方案时，内底板绝对不能使用导静电涂料。因为导静电涂料与牺牲阳极并用会加速阳极溶解，失去应有的阴极保护作用，这一点应特别注意。 目前，牺牲阳极有焊接型和螺栓固定型。最好采用焊接型，因为焊接型经长期使用，电连接牢靠，可以充分发挥阳极效能；螺栓固定型在检修时可达到不动火更换，安装比较方便。

外底板土壤侧的阴极保护（指牺牲阳极法）可选用锌（Zn）基合金牺牲阳极。该阳极自溶性小，电流效率高，表面溶解均匀。当阳极在温度大于50℃的条件

下工作时，会产生晶间腐蚀、极性逆转等问题，因而不适宜在原油罐内使用，而在土壤中则性能良好。

1 油罐内部阴极保护设计、施工及安装

1.1 阴极保护设计对象（以3万立方米原油罐为例）

3万米3原油储罐 直径d=46米

1.2 设计依据

GB50393-2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》

1.3 阴极保护内容选择

A应选用长寿命专用牺牲阳极，对油罐的特定环境可达到良好保护，寿命达20年以上。

b、根据油罐腐蚀特点，可使腐蚀严重部位得到重点保护。

c、一次应用后，不需专人管理，安装维护简单方便。

d、不需外接电源，对罐区的安全可得到充分保证。

1.4设计参数

a、保护方式：牺牲阳极法

b、设计寿命 20～40年

c、电流密度：10mA/m2

d、罐外土壤电阻率：20000 ohm·cm

e、设计温度（罐内）：15～50℃

（罐外） ：常温

f、阳极设计型式：罐内：均匀分布

4.2.1 设计步骤

（1） 计算阴极保护面积：罐内为浸水面积；罐外为与土壤接触面积；

?2DD??DH??D（?H）???????????（1）44

?2D???????????????????????（2）4S内?S外?

（2）查询有关标准确定保护电流密度，计算出阴极保护所需总电流；

I总?S?J??????????????????????????（3）

（2） 确定保护年限，计算所需阳极总重量；

W总?I总?8760?F?????????????????????(4)V

（3） 根据每块阳极重量，确定阳极总数量。

M?W总

W单?????????????????????????(5)

公式中：

S内：油罐内部阴极保护面积；m2

S外：油罐外部阴极保护面积；m2

H：油罐内部浸水高度；m

D：油罐直径；m

I总：阴极保护所需总电流；A

J：电流密度；ma/m2

W总：牺牲阳极总重量；kg

W单：牺牲阳极单块重量；kg

V：牺牲阳极理论发生电流量；A·h/kg

F：保护年限；年

M：阳极数量；块

油罐内部防腐施工程序

? 清罐除锈，使罐体金属表面出现光泽，并按要求达到涂料施工标准。 ? 将牺牲阳极块焊在罐底及壁板上并保证焊接牢固，焊后将周围焊渣清除干净。

? 进行涂敷施工。内底板及1m以下壁板采用绝缘型油罐专用防腐涂料，其它部位采用导静电涂料。施工中阳极块只要求暴露本体，焊接引线、焊点及阳极块下部罐底板均涂刷涂料。

1.4 检测方法

本文阐述的检测方法，其内容只包括涂料的导静电性能和阴性保护要求的保护电位，而对涂料的其他性能检测应根据常规进行。

? 导静电涂料施工后，可采用现场专用的导静电涂料性能检测仪进行表面电阻的测定，其表面电阻值应小于109Ω，否则导静电性能为不合格。

? 内底板阴极保护的电位检测，可采用高阻毫伏计和铜/硫酸铜参比电极，使参比电极尽可能靠近被测设备本体。保护电位在-0.85～-1.0V为宜（相对铜/硫酸铜电极）。对储罐内部阴极保护电位的检测，由于不能象外部那样直接测试，所以可以从罐顶人孔通过长导线，将参比电极及其平衡重物放在内底板上，从而进行检测，实践证明这一方法也是可行的。

设计计算

内底板实际计算（以3万立方米原油罐为例）：

a、计算阴极保护面积：罐内为浸水面积；罐外为与土壤接触部分

S内??2D46D??DH??D（?H）?46?（?1.5）?1878(m2)444

?2?D??462?1661(m2)44S外?

b、计算所需总电流

I总1=S内·J内=1878×20=37560（mA）=38（A）

C、计算所需阳极总重量；

W总=I总/V×8760×F=38/2550×8760×20=2611（kg）

d、根据每块阳极重量，确定阳极总数量；

M=W总/W单=2611/35=75（块）

实际用量为90块

三、 罐外阴极保护

外底板保阴极保护护的几种方案

对油罐外底板的阴极保护，除以上介绍的牺牲阳极法外，还可采取外加电源的阴极保护方法。油罐外底板外加电源法阳极布置有四种方案。一为埋设在罐周边的阳极，这种方法可使罐周边得到重点保护，而底板中心保护底较低，适用于罐底板周边腐蚀较严重的情况。二为埋设在罐底板下边的阳极，与一相比，底板的保护电流较为均匀，但阳极埋设需在建罐时进行，否则就不如一方便。三为深井阳极，该法对罐中心的保护电位与周边能趋于一致，适用于较大直径的油罐。

四为埋设于罐底板下边的斜阳极，与前述几种情况相比该法保护效果最好，当周边的保护电压为-1.0V时，中心保护电压为-0.86V，符合阴极保护原则。

以上几种外加电源法阳极埋设方案的选择，需要根据环境、介质、设备、施工的具体条件等来确定。下面就简单介绍有关情况

1牺牲阳极法

牺牲阳极法在罐外使用时，在安装方式、阳极结构选择方面，也有多种方案，这种方法使用后始终不用管理。同时该牺牲阳极还可兼做储罐的防雷防静电接地。

a罐周围均布阳极法

该方法保护度最高在罐底周边，符合罐底保护形态，对已建或旧罐外底板可采用此法。阳极型号采用AM-90型，阳极通过电连接器连于罐体，并在阳极周围充填助导剂。也可直接制作成袋装阳极。

b线状镁阳极法

该方法在建罐前就应考虑,直接将线状镁阳极布置在罐底板下面的基础砂内,此法不需助导剂,保护电位均匀,选用阳极型号为MG-I型,该方法采用的阳极价格较贵,适宜在高电阻率的土壤,并且应用于5000立方米以下的油罐外底板是较好的选择。

2外加电源阴极保护

该方法的优点是，保护电位可调节，可使保护效果始终调整在最佳状态，保护年限长，大型油罐及灌区群罐一般采用此法，其特点是可实现集中控制（也可单台罐独立进行），主设备多台罐可共用，保护效果稳定，并可使总投资大大降低。

对双层罐底的阴极保护，分为两部分：一部分为下层罐底的外壁外底板与土壤直接接触，可采用前面介绍的阴极保护技术；二部分为双层罐底的内侧，作为重点保护对象是上底的下部表面。牺牲阳极法和强制电流法都可使用

3.1牺牲阳极外底板的应用

以3万立方米原油罐为例：

a、 计算阴极保护面积：罐外为与土壤接触面积；

S外=3.14/4×D2=3.14/4×462=1661(M2)

b、 计算所需总电流

I总2=S外×J外=1661×2.5=4152（ma）=4.2（A）

C、计算所需阳极总重量；

W总=I总/V×8760×F=4.2/800×8760×20=920（kg）

d、确定阳极总数量；

M=W总/W单=920/92=10（块）

实际使用量为12块更合理

3.2带状镁阳极的应用

以直径为60米的 5万立方米原油油罐阴极保护外底板

3)、 设计依据

3.1) SY/T0088-95

钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准

3.2) SY0007—1999

钢质管道及储罐腐蚀工程控制设计规范

3.3) SY/T0019-97

埋地管道牺牲阳极阴极保护设计规范

3.4) API RP 05L

地上石油储罐阴极保护

3.5）GB50393-2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》

4）、 设计参数

4.1）、保护方式：牺牲阳极法

4.2）、设计寿命20年

4.3、电流密度：罐外底板5mA/m2

4.4）、罐外土壤电阻率：200 Ω.m

4.5）、阳极设计型式：罐外：均匀分布

4.6）、阳极材料：外底板 镁带

5）、 外底板设计计算

5.1）、计算阴极保护面积：

罐外为与土壤接触面积；

S外=2826（m2）

5.2）、计算所需总电流；

I总=14.13（A）

5.3）、计算所需阳极总长度；

L总=2670（m）(排列57圈，圈距0.52米)

罐内阴极保护方案见图1

外底板阴极保护方案见图2

1、 程任务： 罐容：5万m3 储罐，数量：2座 内（包括1米高的壁板）

外底板阴极保护

2、设计依据：

a、SY/T0088-95，钢制储罐外壁阴极保护技术标准。

b、SY0007—1999，钢质管道及储罐腐蚀工程控制设计规范

c、SY/T0019-1997，埋地管道牺牲阳极阴极保护设计规范

d、API RP 05L，地上石油储罐阴极保护

3、阴极保护方案选择：

采用油罐专用牺牲阳极阴极保护法

罐外底板为带状镁阳极。

4、有关参数

、罐外地板

阳极深度： D=0.2m

储罐保护面积： 2826（m2）

保护电流： 14.13A

阳极材料 带状镁合金牺牲阳极

理论发生电量：2.21A. h/g

电流效率： 55%

单台罐需阳极长度 ：2670m

阳极外形尺寸： 截面为19*9.5矩形

5、用户协助项目：

混凝土圈梁预留50mm套管，端部有螺扣以便测试电缆穿过连接于测试桩

6、罐外底板阴极保护施工安装说明：

6.1、安装前的准备

（1） 罐基础标高混凝土圈梁预留电缆导管（至少50mm）；

（2） 现场焊接用的电源、气焊焊机等

6.2、阳极带的铺设

（1） 先根据图2进行画线定位，然后将整卷阳极带沿画线位置进行滚动铺设，

每圈的接头应在一条直线上。

（2） 阳极带需连接或交叉时，应采用气焊连接，连接时先将阳极带表面金属镁

熔化，然后将钢芯气焊接，焊后采用三油三布密封。

（3） 将四个连接头中的三个引出基础外，以备罐底钢板焊好后焊到底板边沿

上，并将焊点采用环氧胶封闭。另一个接头直接引至测试桩

（4） 回填基础沙，厚度为200毫米，采用机械设备时不要损坏阳极，不要使阳

极移位。

6.3、参比电极及连接箱的安装

（1） 采用预包装长效铜/硫酸铜参比电极，装在有填料的布袋中，并带有2.5mm

截面积的电缆，安装前在水中浸泡2—3天。

（2） 参比电极每罐4支，埋设位置为中心，依次为0m、9.9m、19.8m、29.8m

各一支，编号用干净沙回填（见图-3、图-5）。

（3） 参比电极埋深为沥青沙之下约200mm。

（4） 参比电极电缆引到底板下成蛇形排列，以防止铺设沥青砂和焊接罐底时拉

断。

（5） 安装测试箱，参比电极导线、阳极导线通过混凝土圈梁预留孔接入测试箱

（图-4）。

8、罐外电位测试

罐外电位测试通过接线箱直接进行测试。

9、施工安装图附后

四、试压阶段临时用阴及保护

以5万立方米储罐海水试压临时阴极保护方案为例

1、基本方案

采用张力悬吊式牺牲阳极法保护储罐壁板，防止海水试压时罐体电化学腐蚀。

方案特点：

1）可以采用海水试压，罐体壁板受到阴极保护，免遭海水腐蚀

2）不必在壁板上进行焊接

3）缩短工期、节省投资、施工简单

2、基本结构

采用张力悬吊式牺牲阳极法保护储罐壁板，预先将张力索和电缆与牺牲阳极连接好，并在罐壁底部焊接挂钩和电接线点，罐顶部也同样准备，然后将阳极串悬挂在挂钩上，上下拉紧贴壁。海水试压完毕，取下阳极串，取掉挂钩磨平涂刷涂料即可。电位测量采用悬吊式参比电极。

3、设计计算

a) 计算依据

i.

ii.

iii. 油罐D为60米。罐壁高19.36米。充水高度17.4米，时间90天 保护电位-0.85—1.15V（CSE参比电极） 对罐底板应涂防腐涂料

b) 牺牲阳极类型选择

阳极类型：长条型铝合金牺牲阳极

阳极特点：油罐专用

阳极型号：强海水腐蚀介质下应满足试压90天防腐寿命要求。尺寸为

30*200*500，阳极重量：每支重量3.6公斤

阳极发电量：每个阳极发生电流量为0.88A。

c) 计算

i.

ii.

iii. 保护面积=3.14*60*15=2837M2 保护电流=0.06*2837=170A 阳极个数

n=170/0.88=193。

实际使用时，阳极并联会造成阳极发生电流降低，实际阳极数应为1.5—3倍，N=1.5*193=292个/每台罐

d) 阳极分布

周向均布73串，每串4个阳极

4、实施步骤

i.

ii.

iii. 在罐底部焊接73个挂钩，（均布） 在罐顶部焊接同样数量的挂钩与罐底部的挂钩对应 预制好阳极串。张力索用尼龙绳，电缆与每个阳极应连接良好。电

缆留有一定松弛度。

iv.

v.

vi.

vii.

viii. 预制好足够长的悬吊式参比电极，并标好长度 将阳极串悬吊在上下挂钩上，电缆上下连接点焊好并绝缘好。 在海水注入时测量罐壁电位 试压完毕排完海水时，及时用淡水冲洗罐壁并防腐 冲洗完毕后，拆除阳极串，取掉挂钩并磨平并防腐即可。

注：3万立方米的罐与5万立方米的储罐阴极保护方式和施工等类似，只是阳极串的数量减少而已。

五、 网状阳极的阴极保护体系的设计和安装

网状阳极的阴极保护是国内外近年来兴起的一种专门针对储罐罐底的新型阴极保护体系。它是一种强制电流保护体系，辅制助阳极是由混合金属氧化物阳极带和钛导电片垂直交差焊接而成的金属网，阳极网处于罐基础的回填沙中。是一种特长寿命的阴极保护技术。网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连

接片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极，将该阳极网预埋在储罐基础中，可为储罐底板提供保护电流。该技术为美国CORRPRO集团的专利技术，与其它阴极保护方式相比，具有如下优点。

(1)电流分布非常均匀，输出可调，储罐能得到充分保护。

(2)产生的杂散电流很少，不会对其结构造成腐蚀干扰。

(3)不需回填料，安装简单，可保证质量，储罐与管道之间不需要绝缘。

(4)不容易受日后工程施工损坏，使用寿命长。

网状阳极可放置在罐底板与防渗膜或混凝土基础之间，距离罐底板的最小距离为15cm，无需填料，仍能保证电流的均匀分布。

1、网状阳极系统的组成

网状阳极阴极保护系统(见图1)包括恒电位仪、混合金属氧化物网、接线箱、参比电极和阳／阴极电缆。

图1 网状阳极保护系统

恒电位仪将交流电转换成直流电，由参比电极控制其电流输出，阴极电缆连接在储罐上，阳极电缆连接混合金属氧化物阳极网。系统工作时，电流从阳极网释放到沙层中并流入储罐底板，通过电缆返回到恒电位仪阴极。当储罐底板的电流达到一定密度后，底板将停止腐蚀。建议恒电位仪安装在防爆堤外的控制间内。

阳极网处于罐底板下面的回填沙中，阳极带间距为1～1.5m。该阳极网不需填料，但应铺设在回填沙层中。阳极网距罐底板一般为150～300mm，由于距离储罐底板很近，因此不会产生杂散电流。

1.1、阳极材料

混合金属氧化物阳极带是由TIR2000混合金属氧化物涂敷在钛金属表面上制成，规格如下。

成分：ASTM265，一级钛；

宽度：6.35mm；

厚度：0.635mm；

重量：17.8kg／km；

电阻：0.138Ω／m；

覆盖层：TIR2000金属氧化物。

1.2、钛连接片

钛连接片与阳极带垂直交叉并焊接在一起，规格如下。

成分：ASTM265，一级钛；

宽度：12.7mm；

厚度：0.9mm；

重量：59.6kg／km；

电阻：0.049Ω／m。

1.3、阳极电缆

电缆为高分子聚乙烯铜芯，截面积一般为10mm2。电缆端部连接一根直径为3mm，长度为100mm的钛棒，钛棒与一段钛连接片焊接。在钛棒与电缆连接处用胶密封，并用收缩套包裹。钛片与阳极网上的钛金属连接片焊接。为保证系统可靠性并使电流分布更加均匀，一般采用3根阳极电缆是为了更保险以防任意一根断开等影响电流输入。

1.4、参比电极

采用预包装的铜／硫酸铜参比电极，装在有填料的布袋中，并带有2.5m2截面积的电缆，安装前在水中浸泡15～20min。一般采用3个参比电极，分别埋设在储罐底板中心及边缘处。该参比电极设计寿命一般为15年，误差为5%。最好

设双参比电极。也就是另外增加高纯锌参比电极，在CSE铜饱和硫酸铜参比电极失效后，高纯锌参比电极任然可以发挥作用，

1.5、接线箱

采用防爆型接线箱，带有8个接线柱和标准电阻的分路，用于测量阳极电流。 2 网状阳极阴极保护系统的设计（以10万立方米原油罐为例）

2.1设计依据

① BS7361阴极保护-陆上海上设计规范，第一部分

② NACE RP—0169 埋地或水中金属管网外腐蚀控制

③ API RP 651 地上油罐的阴极保护

④ SY/T0088-95钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准

2.2设计参数

① 设计寿命 40年

② 保护电流密度 10mA/m2

③ 埋沙电阻率：40000Ω?cm

④ 阳极最大输出电流 20mA/m

⑤ 阳极埋深：据罐底板150-300mm

⑥ 阴极保护方式：网状阳极外加电流阴极保护

⑦ 设计温度：16-48℃；

⑧ 密封膜：无；

⑨ 底板覆盖层：无；

⑩ 电气绝缘：无(采用绝缘法兰将减小电流散失)；

? 防雷接地：改用镀锌钢管或钢板接地将减小电流泄漏。

3设计计算

3.1 储罐直径D=80米

保护的底板的面积S=5024m2

保护电流密度 i=10mA/m2

保护电流I总=50.24A

3.2阳极材料或规格：宽6.35mm

厚0.635mm

额定输出电流18.75mA/m

阳极长度 L= I总/I

=50.24/0.0185

=2716米

阳极带间距2米

钛金属导电片规格：640米

宽12.7

厚0.9

电阻率；0.049Ω?m

3.3 钛金属连接片间距；7米/片或8米

3.4实际寿命计算

实际的阳极面积A实=2L实(宽+实)

阳极长度L实=2720米（根据实际布置所用阳极的长度）

阳极的宽度=0.0064米

阳极的厚度=0.00064米

实际阳极的面积=2*2720（0.0064+0.00064）=38.3米2

实际阳极的电流密度=1.3mA/m2

阳极的消耗率=58 mA?a/m2

实际阳极的寿命=阳极消耗率/实际阳极电流密度

=45年

4设计计算

设计时需要计算阳极接地电阻及阳极和钛连接片的用量。阳极长度可根据勾股定理逐根计算或用底板面积除以阳极间距估算。接地电阻可按下式计算： R＝0.0016ρ／L（6.3＋LnL／r＋LnL／D＋2 D／L）

式中R--接地电阻，Ω；

ρ--土壤电阻率，Ω.cm；

L--阳极长度，m；

r--等量半径，4.45；

D--阳极埋深，m。

5设计方案

①网状阳极系统：该系统由混合金属氧化物阳极带和钛导电片组成，阳极网状处于罐底板下面的回填沙中，距罐底板350毫米左右，钛连接片与阳极带垂直交叉又焊接在一起，用三根VV29-1KV*35mm2型阳极电缆与钛连接片焊接，保证该

系统的可靠性及电流分布更加

均匀。

②在罐底板中心至圈梁段沿半径均匀分布四支长效Cu/CuSO4参比电极，以

测定罐底板的保护电位。

③电缆连接箱选用防暴接线箱，接线箱至阴极保护间的电缆直埋敷设，电缆露出地面部分套镀锌管，与罐壁用铝热焊焊接，裸露处用环氧树脂防腐。通阴保间的电缆埋深700毫米，周围填100毫米细沙并敷盖红专砖。

6安装

6.1安装前的检查项目

(1)罐基础标高。混凝土圈梁是否预留了电缆导管孔(直径50mm，位于安装恒电位仪的一侧)，孔的高度与阳极网位置平齐。

(2)现场焊接电源、小沙袋是否准备好。

6.2系统安装

(1)对钛片与钛片、钛片与MMO阳极进行试焊，记录焊接设定值。

(2)在混凝土圈梁上标出钛片位置，然后铺设钛片，钛片两端距离圈梁150～200mm。

(3)在圈梁上标出MMO阳极的位置，铺设中间的阳极，用沙袋压住，与钛片焊接。

(4)按设计间距逐根铺设阳极，并与钛片焊接。

(5)每根阳极两端距离罐周边150～200mm。

上述工作由两人完成，安装时禁止踩蹋阳极。

阴极保护系统的安装应在安装好第二次密封垫后沙垫层之后。

① 阳极网 阳极网的安装包括阳极带、钛导电片、长效参比电极和馈电缆

的安装。把阳极带从卷盘中散开，把阳极带和导电片分布于要求的位置，并防止跷起。用焊机焊接阳极带和导电片的每一个交叉处；把馈电缆与导电片在指定的位置焊接；把AWG电缆线散开穿出圈梁。圈梁中的孔应在建圈梁时预留好或在合适的位置处埋一电缆导管。

② 长效参比电极 长效参比电极的位置按设计的进行。安装前将参比电极浸泡2~3天，然后按图纸埋设，把14AWG电缆散开穿出圈梁。

③接线箱 所有馈电缆、参比电极和其他导线都接到接线箱中。 ④恒电位仪，安装设计计算要求来选择安装

⑤回填 网状阳极上面的回填由储罐承建者负责完成。先把阳极带、钛导电片、长效参比电极的上面铺一层沙，以避免翻砂车的操作损坏阳极网。若在构筑罐基础最后一层时，测试发现网状阳极有损坏，则应随时停止一切作业进行检修

6.3注意事项

(1)阳极网安装完毕后，回填罐基础，回填土最小厚度为150mm，最好不用机械设备夯实，以免损坏阳极网。

(2)将参比电极预浸泡后放在设计位置，用净沙回埋。

(3)连接供电电缆、安装接线箱以及参比电极导线，阳极电缆通过混凝土圈梁预留孔接入接线箱。

(4)检验网状阳极系统的连通性以及焊点的牢固程度。

7测试

①电阻的测量 在铺设网状阳极上面的沙子时，应对馈电缆之间以及馈电缆与参比电极之间的电阻进行测量。若电阻过大，则说明阳极网或参比电极有所损坏。必须停止继续铺设，进行维修，

②投入运行 测量储罐的 自然电位并记录。恒电位仪通上电，对储罐进行充分的极化。当储罐内装上一部分产品后，对系统进行最后的调试。调试标准：储罐的极化电压在100毫伏上下波动。

③报告 提交报告，包括所有的测试结果、施工图及操作和维护规程。

下次内容：

.1、深井阳极的设计安装和应用

2、阴极保护运行与管理

3、柔性阳极及其应用

4、两种阳极的比较

5、阴极保护工程验收

6、恒电位仪系统

7、阴极保护参数的测量

8、管线的阴极保护设计

2．阴极保护发展简史

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。 目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。 1834年—— 法拉第→阴极保护原理奠定基础 1890年—— 爱迪生→提出强制电流保护船舶 1902年—— 柯恩→ 实现了爱迪生的设想 1905年 ——美国用于锅炉保护 1906年 ——德国建立第一个阴极保护厂 1913年 ——命名为电化学保护 1924年 ——地下管网阴极保护

3．阴极保护技术简介

阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流（外加电流）阴极保护。

1）牺牲阳极阴极保护技术

牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属。

优点：

A: 一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用 B: 保护电流的利用率较高，不会产生过保护

C: 对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小 规模的分散管道保护

D: 具有接地和保护兼顾的作用 E: 施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理

缺点：

A: 驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小

B: 使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω?m时，一般不宜选 用牺牲阳极保护法

C: 在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转

D: 有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换

2）强制电流阴极保护技术

强制电流阴极保护技术是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，进而使被保护金属变成阴极，实施保护。

优点：

A: 驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流 输出量，适用于保护范围较大的场合

B: 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用

C: 选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护

D: 每个辅助阳极床的保护范围大，当管道防腐层质量良好时， 一个阴极保护站的保护范围可达数十公里

E: 对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护

缺点：

A: 一次性投资费用偏高，而且运行过程中需要支付电费

B: 阴极保护系统运行过程中，需要严格的专业维护管理

C: 离不开外部电源，需常年外供电

D：对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用

4．阴极保护效果的判据

1）普通钢阴极保护准则

◆施加阴极保护时被保护结构物的电位负移至少达到-850mV或更负(相对饱和硫酸铜参比 电极CSE)。 ◆相对于饱和硫酸铜参比电极的负极化电位至少为850mV。 ◆在构筑物表面与接触电解质的稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV。 ◆存在硫酸盐还原菌的环境，被保护结构物的电位负移至950mV(CSE)或更负。

2）铝合金阴极保护准则：

◆构筑物与电解质中稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV，准则适用于极化建立或衰减过程。 ◆极化电位不应负于-1200mV（CSE）。

3）铜合金阴极保护准则：

◆构筑物与电解质中稳定参比电极的阴极极化值最小为100mV。极化建立或衰减过程均可以被应用。

4）异种金属阴极保护准则：

◆所有金属表面与电解质中稳定参比电极之间的负电压等于活性最强的阳极区金属的保护电位。 5）高强钢阴极保护准则： ◆700MPa以上的钢腐蚀速率降低至0.0001mm/a的保护电位为-760～-790mV(Ag/AgCl)。 ◆在存在硫酸盐还原菌的环境下，钢屈服强度大于700MPa，保护电位应在800-950mV(Ag/AgCl)的范围内。 ◆屈服强度大于800MPa的钢，其保护电位应不低于-800mV(Ag/AgCl)。

5．阴极保护技术问答

1）什么是强制电流阴极保护系统？

强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属变成阴极实施保护。

2）什么是牺牲阳极阴极保护系统？

牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。

3）强制电流阴极保护系统的组成有什么？

强制电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭（碳素）填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。

4）电源的作用是什么？

电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流。电源主要有恒流、恒压整流器、恒电位仪。

5）电源的类型主要有哪几种？

从整流形式上主要有可控硅、磁饱和、数控高频开关。可控硅和磁饱和恒电位仪体积较大、纹波系数较大、控制精度较差，效率较低(低于70％)不易实现数字化。磁饱和恒电位仪除了上述不足外，额定功率20％以下的输出无法控制。数控高频开关恒电位仪体积较小、纹波系数小、控制精度高、效率较高（90％以上）。

6）辅助阳极的作用是什么？

辅助阳极的作用是通过其本身的溶解，与介质(如土壤、水)、电源、管道形成电回路。

7）辅助阳极的种类有多少?

辅助阳极根据介质来分，土壤中有废钢、硅铁、石墨、混合氧化物阳极、柔性阳极。水介质中有混合氧化物阳极、硅铁阳极、铅阳极等。

8）控制参比电极的有那些？

1.1.1.1.1.2

控制参比电极主要有长寿命饱和硫酸铜参比电极、高纯锌参比电极、银/氯化银参比电极、二氧化钼参比电极。土壤中可使用饱和硫酸铜参比电极和高纯锌参比电极，水介质中使用高纯锌参比电极和银/氯化银参比电极。二氧化钼参比电极主要用于混凝土中。饱和硫酸参比电极的寿命一般小于10年。其它的参比电极可以根据寿命来设计。

9）为什么需要采用电绝缘？

在阴极保护技术中，要求被保护结构需要电绝缘，主要是由于如果不绝缘，保护电流会流失到未被保护的金属构筑物上，设计的电流需求量可能不足，保护效果不理想，另外，可能会产生杂散电流的干扰。

10）测试桩的作用是什么？

测试桩的作用主要是用于检测阴极保护效果和运行参数。根据作用不同有电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片测试桩桩。

11）牺牲阳极阴极保护系统的组成有什么？

土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填报料、布袋、贴片、电缆、测试桩组成。水环境中牺牲阳极直接焊接到被保护结构上。

12）牺牲阳极主要有那些？

牺牲阳极主要有镁合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极。镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝合金和锌合金主要用于水环境介质中。锌合金也可用于土壤电阻率小于5Ω?m的环