第3章_管道阴极保护知识_第3节 阴极保护参数
管道阴极保护原理
管道阴极保护原理
管道阴极保护原理是基于电化学原理的一种方法，主要通过在受保护的金属管道表面提供一个外部电流，以便减少或防止金属腐蚀。
其原理主要包括两个方面：阳极保护和阴极保护。
阳极保护是指在管道周围埋设一个阳极，并将阳极与金属管道连接起来。
阳极通常由具有较高腐蚀性的金属制成，如锌或铝。
当外部电流通过阳极流入金属管道时，阳极材料会发生电化学反应，释放出电子，并在阳极处形成一个阴极保护电流。
这个保护电流会抵消管道表面的阳极腐蚀电流，从而减少或消除金属腐蚀的发生。
阴极保护是指在管道表面施加一个外部电流源，以使管道表面成为一个阴极。
通过与阳极连接，使阳极保护电流源将电子输送到管道表面，从而在管道上形成一个保护性的电化学反应。
这个电化学反应会导致阴极处的氧还原反应，将金属的阳极腐蚀电流转化为阴极保护电流，减少了金属的腐蚀。
综上所述，管道阴极保护的原理是通过在金属管道上提供一个外部电流，使金属表面形成一个保护性的电化学反应，来减少或防止管道的腐蚀。
阳极保护和阴极保护是实现管道阴极保护的两种不同方式。
管道防腐阴极保护
同理将边界条件代人d式，可得到电压分布规律：
E E0eax
由此可做出管路沿线外加电位和电流分布曲线
证明 电流I0的大小主要也决定于过渡电阻RT。
E E0eax 代入
dE dx
IrT
IrT
dE dx
d (E0eax ) dx
E0eax (a)
I aE0 eax rT
在通电点处， x 0, I I 0
代入上式得：
I0
aE0 rT
1 rT
rT RTE0源自E0 E0 RT rT Rp
Rp RT rT
从上式可I以0 看a出rET 0，如r1T果RrRTT越T E小0 ， 则REI0T0越rT 大。RE这0p 说明如果
绝缘层质量不好，则所需保护电流越大，从而增加电能消耗。
在通电点 x 0
E0 Emax;
图9－7 外加电流阴极保护原理示意图
(b) an underground tank using an impressed current.
阴极保护需要考虑的主要因素：
① 保护范围的大小，大者强制电流优越，小者牺牲阳极经 济；
② 土壤电阻率的限制，电阻率高不宜选用牺牲阳极； ③ 周围邻近的金属构筑物，有时因干扰而限制了强制电流
的应用； ④ 覆盖层质量，对覆盖层太差或裸露的金属表面，因其所
需保护电流太大而使得牺牲阳极不适用； ⑤ 可利用的电源因素 ⑥ 经济性
四、阴极保护基本参数
• （一）自然电位Ee
• 定义：未加阴极保护时，钢管对地电位（管地电位）称自 然电位，又称腐蚀电位。即阴极极化前的管地电位称自然 电位。
• 总电位Eo 定义：加阴极保护后测出的管地电位称总电位，即阴极极 化后的电位。
埋地管道及船舶的阴极保护解读
（四）阴极保护度
保护度： 按国标 GB/I 10123-88 中的定义，保护度是“通过防蚀 措施使特定类型的腐蚀速率减小的百分数”。这一参数可以 直观地看出阴极保护的效果。它是通过试样在阴极保护状态 下和非保护试样对比得来。在管道实践中通常用检查片来测 定。 设非保护状态下自然埋设的检查片原始质量为 WO ，试样 腐蚀后经清除腐蚀产物后的质量为 W1，试样的表面积为 SO， 埋设时间为 t ，检查腐蚀前后的质量损失 GO= WO-W1 俗称失重。 由失重法计算检查片的腐蚀速率为：
最大保护电位 定义：加到管路通电点的电位极限值。在此极限电位
下，管路上的防腐绝缘层仍不致遭到破坏，此极限电位称
为地下管路的最大保护电位。 如果通电电位大于最大保护电位（绝对值），由于氢 去极化作用及电渗现象，会使绝缘层发生分层而遭到破坏。 并且氢原子有可能渗入钢管体内，导致钢管发生氢脆。
（三）保护电流密度
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、码 头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。
牺牲阳极与外加电流阴极保护对比
保护 方式
牺牲阳极 阴极、不需要外部电源。 1、输出电流连续可调，可 2、对临近金属构筑物 满足较大的保护电流密度要 干扰小。 求 3、管理维护工作量小 2、不受环境电阻率限制 4、工程费用与保护长 3、工程越大越经济 度成正比 4、对管道防腐覆盖层质量 5、保护电流分布均匀， 要求相对较低 5、保护装置寿命长 利用率高。
缺
长输管道阴极保护及阴极保护站维护基础知识
河南汇龙合金材料有限公司一家合金材料多元化延伸产品深加工、电气技术研发、工程承包为一体的高新企业。
长输管道阴极保护及阴极保护站维护基础知识河南汇龙合金材料有限公司2018年版1.目的：为了使阴极保护站场内维护人员以及现场巡线人员有效地实施阴极保护，做到科学操作、安全维护、确保质量、特编此文，提供对站场内及管线上阴极保护系统正常运行并科学维护指导。
一.防腐蚀的重要意义自然界中，大多数金属是以化合状态存在的。
通过炼制，被赋予能量，才从离子状态转变成原子状态。
然而，回归自然状态是金属固有本性。
我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀。
金属腐蚀广泛的存在于我们的生活中, 国外统计表明，每年由于腐蚀而报废的金属材料, 约相当于金属产量的20～40％,全世界每年因腐蚀而损耗的金属达1 亿吨以上,金属腐蚀直接和间接地造成巨大的经济损失, 据有关国家统计每年由于腐蚀而造成的经济损失,美国为国民经济总产值的4.2％; 英国为国民经济总产值的3.5％;日本为国民经济总值1.8 ％。
二.防腐蚀工程发展概况六十年代初,我国开始研究阴极保护方法,六十年代末期在船舶,闸门等钢铁构筑物上得到应用。
我国埋地油气管道的阴极保护始于1958 年,六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用,目前,全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。
2.阴极保护原理2.1 所谓阴极保护是通过降低管道的腐蚀电位而使管道得到保护的电化学保护（其实质：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,使金属表面各点低于一负电位，使金属原子不容易失去电子而变成离子溶入电解质的过程。
）。
通常施加阴极保护电流有两种方法：强制电流和牺牲阳极保护。
2.2 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，通过电解质向被保护体提供一个阴极电流，使被保护体进行阴极极化，从而实现阴极保护。
阴极保护牺牲阳极原理是由托马晓夫三电极原理来解释，内容是：（a）两电极电位不同的两电极；（b）两电极必须在同一电解质溶液里；（c）两电极间必须有导线连接。
阴极保护参数
涂层种类不同所需的保护电流密度值不同，这是由于保护电流经阳极因如土壤，再流经绝对于无防腐层的裸钢管，从实际工程中的经验值大约为5～50毫安/米2。
十分大于有防腐层钢管的值。
因此，裸钢管采用阴极保护技术上是可行的，但经济上是不合理的。
埋于土壤中的钢筋或处在混凝土结构中的钢管其最小保护电流密度经验值大约为2mA/m2。
因此，最小保护电流密度参数影响因素很多、数值变化很大，且在保护过程中也将随介质环境的变化而变化，①此表的数据取自1973年6月英国标准研究所制定的阳极保护规范；②海水系指洁净、充气并未稀释的海水；③铝进行阴极保护时，电位不能太负、否则会加速腐蚀，产生负保护效应。
对于不知最小保护电位的情况，也可采用比自然电位负0.2～0.3伏（对钢铁）和负0.15伏（对铝）的办法来确定。
对于一个具体的工程体系，最好通过试验来确定最小保护电位值。
在工程实践中测取最小保护电位值时必须注意测量误差。
我国阴极保护的实践已证明，测量到的电位值有不少已达到或超过最小保护电位的金属管道，仍然发生了腐蚀穿孔。
这是因为无法将参比电极放置在金属管道与土壤接触的界面上。
实际测量时，往往将参比电极放置在管道的正上方地表面，或更远的一些点上。
测量电路包括了土壤的压降即国际上常称之为的“IR”降。
在实测到的金属管道界面与硫酸铜参比电极间的土壤的电位差，要比金属管道界面与土壤溶液直接接触界面的电位值负。
因此，地面测量达到保护电位的管道，其实际界面上并未达到保护电位值。
因此，消除IR降的干扰，降低其引起的误差是正确评价和监控阴极保护的必然要考虑的因素。
三、最大保护电位在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。
此电位值就是最大保护电位。
阴极保护电位值，并不是愈负就愈有利于金属的防护。
过负的电位会产生不良作用，这就是阴极剥离。
阴极剥离是由于阴极极化电流过大，造成金属表面电位过负，当此电位值达到析氢电位时，阴极表面的H+会在其表面上得电子，产生氢原子，从而产生析氢反应。
管道阴极保护知识阴极保护参数
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在工程实际中也可采用通电情况下管道对 地电位较自然电位向负偏移300mV以上的指标。 选用这个偏移指标时应考虑以下因素：
(1)本指标不能提供完全的保护，但在无 杂散电流环境下，对裸露或防腐层质量低劣的 管道则是切实可行的手段：
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(2)在具有良好防腐绝缘层的管道或受到杂散 电流干扰的管道上，使用本指标是浪费的或错误 的；
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三、最大保护电位
管道通人阴极电流后，管道电位变负，当 其负电位提高到一定程度时，H+在阴极表面还 原，使得管道表面会析出氢气，减弱甚至破坏 防腐层的粘结力。所以必须将通电点电位控制 在比析氢电位稍正一些的位置。这个电位称为 最大保护电位。最大保护电位应经过试验，考 虑防腐层的种类及环境来确定，以不损坏防腐 层的粘结力为准。
本指标用于管道表面是均匀极化而又没有 杂散电流干扰的情况ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，判定阴极保护效果是 相当准确的。在具有中断电流测量手段时，推 荐采用这个指标。
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(二)特殊条件的考虑
(1)对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在 预先确定的电流排放点(阳极区)确定净电流 是 从电解质流向管道表面。
(2)当土壤或水中含有硫酸盐还原菌，且 硫酸根含量大于0．5％(质量百分数)时，通 电保护电位应达到一950mV或更负。
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五、阴极保护准则
SY／T 0036--2000提出的阴极保护准则 有以下内容。
(一)埋地钢质管道阴极保护准则
(1)在施加阴极电流的情况下，测得管地电位 为一850mV(CSE)或更负。测量中必须排除附加电 压降(IR降)的影响。
该指标是一个被广泛接受的参数，大量试验
管道阴极保护基本知识
管道阴极保护基本知识内容提要：◆??阴极保护系统管理知识一、阴保护系统管理知识（一）阴极保护的原理1、牺牲阳极法将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。
在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护，如图1—3。
牺牲阳极材料有高钝镁，其电位为-1.75V；高钝锌，其电位为-1.1V；工业纯铝，其电位为-0.8V（相对于饱和硫酸铜参比电极）。
2、强制电流法（外加电流法）图1-4而于被保护面积大的长距离、大口径管道。
牺牲阳极阴极保护不需外部电源，维护管理经济，简单，对邻近地下金属构筑物干扰影响小，适用于短距离、小口径、分散的管道。
（二）外加电流阴极保护系统的组成1、恒电位仪：珠三角管道采用的是IHF系列数控高频开关恒电位仪，它的主要作用是向管道输出保护电流。
2、阳极地床：由若干支辅助阳极（高硅铸铁）组成，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，这一回方式、345、于自然腐蚀状态。
经过一定时间后将两组检查片的失重量进行比较，可分析管道的阴极保护效果。
6、测试桩：为了检测维护管道的阴极保护系统，在管道沿线设置电流及电位测试桩，电位测试桩每公里设置一个；电流测试桩每5公里设一个；套管电位测试桩每个套管处设置一个；绝缘接头电位测试桩每一绝缘处设一个。
（三）阴极保护的基本参数（1）最小保护电流密度阴极保护时，使腐蚀停止，或达到允许程度时所需的电流密度值称为（2极）。
（3）最大保护电位在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大的负电位值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。
此电位值就是最大保护电位。
阴极保护讲义
冯洪臣的阴极保护讲义第一章绪论一、防腐蚀的重要意义自然界中，大多数金属是以化合状态存在的。
通过炼制，被赋予能量，才从离子状态转变成原子状态。
然而，回归自然状态是金属固有本性。
我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀。
金属腐蚀广泛的存在于我们的生活中，国外统计表明，每年由于腐蚀而报废的金属材料，约相当于金属产量的20～40％，全世界每年因腐蚀而损耗的金属达1亿吨以上，金属腐蚀直接和间接地造成巨大的经济损失，据有关国家统计每年由于腐蚀而造成的经济损失，美国为国民经济总产值的4.2％；英国为国民经济总产值的3.5％；日本为国民经济总值1.8％。
二、防腐蚀工程发展概况六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。
我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。
第二章阴极保护基本原理一、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）金属电位（CSE）高纯镁 -1.75镁合金(6%Al，3%Zn，0.15%Mn) -1.60锌 -1.10铝合金(5%Zn) -1.05纯铝 -0.80低碳钢(表面光亮) -0.50to-0.80低碳钢(表面锈蚀) -0.20to-0.50铸铁 -0.50混凝土中的低碳钢 -0.20铜 -0.20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。
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对于无防腐层的裸钢管道，最小保护电
流密度可用下列经验公式表达：
i×p=50
式中 i——最小保护
不同表面状况的钢管的最小保护电流密
度参见表1—3—3。
表1—3—3不同表面状况的钢管的最小保护
电流密度
从表1—3—3中可以看出：裸管比有防腐层
的管道需要的保护电流密度大得多；土壤电阻
杂散电流环境下，对裸露或防腐层质量低劣的
管道则是切实可行的手段：
(2)在具有良好防腐绝缘层的管道或受到杂散 电流干扰的管道上，使用本指标是浪费的或错误 的； (3)本指标能有效地停止大部分金属管道的宏 观腐蚀，但是对停止金属管道表面上的微观腐蚀 将是有限度的。
在应用上述判定指标时，应注意测量误差， 因为地下管道阴极保护电位不是在金属和土壤介 质接触界面上的某一点进行测定，而是将参比电 极放在位于管道上方或在地面的遥远点上进行测
管道通人阴极电流后，管道电位变负，当 其负电位提高到一定程度时，H+在阴极表面还 原，使得管道表面会析出氢气，减弱甚至破坏
防腐层的粘结力。所以必须将通电点电位控制
在比析氢电位稍正一些的位置。这个电位称为 最大保护电位。最大保护电位应经过试验，考 虑防腐层的种类及环境来确定，以不损坏防腐 层的粘结力为准。
当此值超过100mV时，可以认为管道受到了良
好的阴极保护。 本指标用于管道表面是均匀极化而又没有 杂散电流干扰的情况下，判定阴极保护效果是 相当准确的。在具有中断电流测量手段时，推 荐采用这个指标。
(二)特殊条件的考虑
(1)对于裸钢表面或涂敷不良的管道，在
预先确定的电流排放点(阳极区)确定净电流
是
四、保护电流密度
保护电流密度是指被保护金属上单位面积
所需的保护电流。管道保护电流密度与管材、
防腐层状况、土壤环境等因素有关，有时还受 到季节的影响。 阴极保护时，使管道停止腐蚀或达到允许 程度时所需的电流密度值称为最小保护电流密 度。
因为保护电流密度不是固定不变的数值， 所以，一般不用它作为阴极保护的控制参数； 只有无法测定电位时，才把保护电流密度作为 控制参数。
五、阴极保护准则
SY／T 0036--2000提出的阴极保护准则 有以下内容。
(一)埋地钢质管道阴极保护准则
(1)在施加阴极电流的情况下，测得管地电位
为一850mV(CSE)或更负。测量中必须排除附加电 压降(IR降)的影响。 该指标是一个被广泛接受的参数，大量试验 和工程实践都证明采用该指标时，埋地管道阴极 保护效果显著，安全可靠。
从电解质流向管道表面。
(2)当土壤或水中含有硫酸盐还原菌，且 硫酸根含量大于0．5％(质量百分数)时，通 电保护电位应达到一950mV或更负。
在工程实际中也可采用通电情况下管道对 地电位较自然电位向负偏移300mV以上的指标。 选用这个偏移指标时应考虑以下因素：
(1)本指标不能提供完全的保护，但在无
(2)相对饱和硫酸铜参比电极的管／地 极化电位为一850mV或更负。 (3)管道表面与土壤接触的稳定的参比 电极之间的阴极极化的电位值最小为100mV。 这一准则可能用于极化的建立过程中或衰 减过程中。
负偏移100mV称为管道极化偏移电位，它是
在中断保护电流后，测定即时出现的管道／土
壤界面问实际的保护电位与自然电位的差值。
量，管道金属和电解质溶液界面上的电位差不会
完全等同于管道金属与土壤间的电位差，这是由
于电流流经管道，金属界面与参比电极之间的土
壤之间产生附加电压降(IR降)造成的。
它表现为测得的管地电位比实际更负，即地面 测量虽已达到保护电位，实际管道并不一定达到了 保护电位。这是管道保护工在实际工作中应充分考 虑的。 上面列举的各种指标，分别适用于不同的对象 和场合。在实际工作中，应根据具体情况选择一种
适合本单位的指标。
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第三节 阴极保护参数
各种金属材料在不同的介质条件下，具有不 同的腐蚀电位、保护电位和保护电流密度。 正确选择和控制这些参数是决定保护效果的 关键。
一、自然腐蚀电位
管道自然腐蚀电位就是金属管道在未通电保 护之前的对地电位，简称自然电位。 自然腐蚀电位随着管道表面状况(防腐层质量、 管道腐蚀情况等)和土壤条件的不同而异。 此外，季节的变化对管道自然腐蚀电位的影 响也很大。
率越小，需要的保护电流密度越大。 由于在实际工作中很难测定腐蚀电池的阴、 阳极的具体位置和面积的大小，故表l一3—3中 所列数据都是按与电解质接触的整个被保护金 属表面积计算的。
类似的试验数据对于较小的金属构筑物，如 油罐的罐底、平台的桩等是适用的；对于沿途土 壤电阻率和防腐层质量变化较大的长距离管道， 则往往偏差较大。故对于管道的阴极保护，常以 最小保护电位和最大保护电位作为衡量标准。
二、最小保护电位
为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后
所必须达到的电位称为最小保护电位。显然
最小保护电位等于腐蚀原电池阳极的起始电
位。
埋地油气管道的最小保护电位与管材种 类、土壤情况有关。根据实验测定，钢质管 道在一般土壤中的最小保护电位为一0．85V 左右(相对饱和硫酸铜参比电极)。
三、最大保护电位