长输管道阴极保护及阴极保护站维护

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。

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通常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。

强制电流保护原理：由外部的直流电源向被保护金属构筑物通以保护电流，使之阴极极化，达到阴极保护的一种方法。

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。

强制电流保护原理图；3.阴极保护参数测试3.1要判定管道是否得到了保护，则须通过测得管道所在处的管地电位来判定。

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。

1. 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：四川气田南干线，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。

2.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。

3.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。

3.2 管地电位是管道与其相邻土壤的电位差。

3.3 管地电位的测试方法：（1）当采用数字万用表测管地电位时，应将电压表的负接线柱（COM）与硫酸铜参比电极连接（硫酸铜参比电极应安放在管道的正上方并确保与大地土壤接触良好），正接线柱（V）与管道连接，仪表值指示的是管道相对于参比电极的电位值，正常情况下显示负值；（2）当采用直流指针式电压表测量管地电位时，应将直流指针式电压表的负接线柱（COM）与管道连接，正极接线柱（V）与硫酸铜参比电极连接（硫酸铜参比电极应安放在管道的正上方并确保与大地土壤接触良好），在指针发生反转的情况下，所记录的数据应该加负号。

3.4管地电位的组成（1）IR降：即电流流经涂层管子和土壤接触的界面以及和参比电极之间的土壤时产生的IR降；（2）由管地界面处的电化学变化引起的极化电位；（3）最初的或静态的管地电位，也称自然电位，即无外部电流影响的腐蚀电位；（在进行阴极保护之前，管子在土壤中所处的平衡电位就是腐蚀电位）所以最初用数字万用表测得的管地电位不是管道的真正保护电位，而是含有几种因素所组成的电位，所以要排出几种因素后，才能得道的真正阴极保护电位，就要采取进一步的测量。

3.5 极化探头使用方法最有效排除IR降的方法是采用极化探头测试，极化探头是一种长效、高稳定、消除IR降的埋地钢质管道阴极保护电位测量探头，主要适用于埋地及水下钢质管道腐蚀控制工程阴极保护电位的检测与监测，并能同时测量自腐蚀电位。

具有长效性、高稳定性特点，并能通过探头的特殊结构，消除土壤中90%左右的IR降。

极化探头具有三根接线（1号线为红色是参比电极，2号线为绿色是连接到极化试片，3号线为黄色是连接到自腐蚀试片）。

在测量管地电位时，首先把探头插入被测体附近的土壤中，如果土壤干燥，应在探头周围的土壤中浇入纯净水湿润。

在用2号绿色接线进行与管道的极化，当极化完全后，再将1 号参比电极线接到万用表的地线，把万用表的正极接到2号线同时接到被测体，待电位值稳定后，读取被测量体阴极保护电位值。

将2号线换为3号线接到万用表的正极，同时不要与被测量体相连接，待电位稳定后，即测量到自腐蚀电位。

如果要对管道进行长期监测时，就要把电位测量探头作为监测电极长期埋入地下，首先把探头装入牺牲阳极用在填料包内再埋入土壤中，并在探头周围的土壤中浇入纯净水湿润；再把1 号红色接线接到万用表的地线，2号接线接万用表的正极，同时与被测体固定连接，待电位稳定后，读取测量阴极保护电位值。

将2号接线换3号接线接到万用表的正极，同时不要与被测量体连接，待电位稳定后，即测量到自腐蚀电位。

3.6 测试桩之间阴极保护状况检测防腐层与阴极保护装置是埋地钢质管道的联合保护，保护效果的好坏直接关系到管道的使用寿命，因此对阴极保护系统运行状况的检测与评价也是非常重要的一项内容。

管道阴极保护系统有效性检测采用CIPS（密间隔电位）法按标准规定间距对管道ON/OFF电位进行测试。

在埋地管道的阴极保护系统中，被保护的管道每间隔一定的距离（例如一公里）有一个管地电位测试桩，是用导线与管体金属联结，然后引到地面上，并做好与地的绝缘。

阴极保护站的工作人员定期用毫伏表沿管线逐个在桩上测量该点的管对地电位，从阴极保护站的加电点开始观察所施加的电压沿管道的衰减情况，用以了解保护的范围和异常衰减的区段。

但是这种测量的结果是很粗糙的，只能对阴极保护状况做个大致的观察。

由于IR降的存在，在每个桩上所测得的管对地电位并不是直接加在破损点管道金属表面与土壤接触界面之间的电位，并不能准确判断对管道保护的效果。

CIPS测量成果图在消除IR降的诸多方法之中，断流法被普遍采用。

就是在中断阴极保护电流后的一瞬间，测量管体与土壤界面之间极化电位。

这个电位才是阴极保护对破损处金属所施加的起保护作用的电位。

通常我们把断流前所测的电位叫做ON电位，断流后所测的电位叫做OFF电位。

CIPS的含义是近间距管对地电位测量。

测量时，在阴极保护电源输出线上串接断流器，断流器以一定的周期断开或接通阴极保护电流。

例如在一秒周期中1/3秒断开，2/3秒接通。

测量从一个阴极保护测试桩开始，将尾线接在桩上，与管道连通，操作员手持探杖，沿管顶每间隔一定距离测量一个点，记录下每个点的ON/OFF电位。

这样就可以得到沿管道的管对地电位的两条曲线，如前所述，OFF电位值是代表实际对金属表面施加的真实保护电位，看它相对-850毫伏的变化，可知某处阴极保护的实际效果。

根据NACE（美国腐蚀工程师协会）相应的解释标准对CIPS结果曲线进行解释。

CIPS的应用在对管道阴极保护的有效性评价及发现防腐层失效范围方面比以前前进了一大步。

首先，它的OFF电位曲线是基本消除了IR降的结果，更真实的描述了管道阴极保护的有效性。

其次，它可以反映出防腐层失效范围。

给出管道上阴极保护和防腐效果的具体的详细的描述。

因此CIPS系统一经问世，便被各管道公司广泛采用。

4.阴极保护站内维护与测试阴极保护站场内的主要是对恒电位仪仪器的自检和对仪器接线的测试，还有就是对绝缘接头（法兰）的漏电电阻、长效参比电极进行测试，并测试出辅助阳极接地电阻，判断它的接地性能；4.1 恒电位仪的特点恒电位仪的特点具体如下：——具有数字显示输出电压、输出电流、电位测量值；——机上装有假负载，便于仪器的自检，便于对仪器的维修；——仪器具有软起动功能、能防止雷击余波、可以阻抗50Hz的工频干扰，还可以进行限流、进行误差的报警等功能；——仪器具有运行状态自动切换的功能，当在无法进行恒电位控制的时候（如参比电极回路开路），变压整流器将会自动从恒电位工作状态切换到恒电流工作状态，并恒定在预先设定的电流值上；当远控给定信号输入时，变压整流器将会受到远控给定控制。

4.2 变压整流器的工作原理当仪器处于（自动）工作状态时，机内给定信号（标称电压）或外控给定信号和经阻抗变换器分离后的参比信号一起送入比较放大器，经高精度、高稳定性的比较放大器比较放大，输出误差控制信号（放大的差动电压），将此信号送入移相触发器根据该信号的大小，自动调节脉冲的移相时间，通过脉冲变压器输出触发脉冲调整极化回路可控硅的导通角，改变输出电压、电流的大小，使保护电位等于设定的给定电位，从而实现恒电位保护。