區(qū)域陰極保護

1、區(qū)域陰極保護第一頁，共56頁。主要內(nèi)容區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點 系統(tǒng)的設(shè)計 施工與運行調(diào)試 干擾控制第二頁，共56頁。管道干線陰極保護管道干線陰極保護區(qū)域性陰極保護區(qū)域性陰極保護保護對象保護對象多為單一管線多為單一管線管網(wǎng)、儲罐底板等管網(wǎng)、儲罐底板等保護回路保護回路簡單簡單非常復(fù)雜非常復(fù)雜接地系統(tǒng)接地系統(tǒng)管道本身管道本身除管道、罐底板及混凝土基礎(chǔ)除管道、罐底板及混凝土基礎(chǔ)外，還有避雷防靜電接地系統(tǒng)外，還有避雷防靜電接地系統(tǒng)安全要求安全要求管道通常在野外埋地，安全要求相對較低易燃易爆場所，屬一級防火區(qū)，安全要求高保護電流保護電流需需 求求保護電流主要消耗于涂層針孔或破損處

2、，一般只需較小電流（幾安培）即可達(dá)到充分保護大部分電流通過設(shè)備底座、接地系統(tǒng)漏失，只有小部分電流消耗在管網(wǎng)、罐底板上，通常保護電流需求較大，幾十乃至數(shù)百個安培陰極保護站陰極保護站設(shè)設(shè) 置置沿管線分散布置，相距數(shù)十甚至上百千米在站場內(nèi)，相對集中陽極地床陽極地床設(shè)設(shè) 計計多采用淺埋陽極床，相對簡單，安裝位置選擇余地較大一般采用多組陽極，安裝位置在一定程度上受到限制，要達(dá)到理想的陽極床設(shè)計非常困難對外部結(jié)構(gòu)對外部結(jié)構(gòu)干干 擾擾較少且容易控制較少且容易控制較多且難以控制較多且難以控制屏蔽影響屏蔽影響短路套管、剝離涂層等導(dǎo)致管道保護屏蔽金屬結(jié)構(gòu)密集排布導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)屏蔽運行調(diào)試及運行調(diào)試及后期整改后期整改運

3、行調(diào)試簡單容易，一般不需后期整改保護回路復(fù)雜，需經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，后期調(diào)整必不可少第三頁，共56頁。圖1 長輸管道干線陰極保護站場設(shè)施站場設(shè)施站外管道干線絕緣接頭陰極保護電源輔助陽極地床第四頁，共56頁。陽極陽極陽極管網(wǎng)儲罐圖2站場區(qū)域陰極保護第五頁，共56頁。 對于在相對狹窄區(qū)域內(nèi)有眾多金屬結(jié)構(gòu)如管網(wǎng)、儲罐、設(shè)備底座以及接地系統(tǒng)等的結(jié)構(gòu)密集區(qū)實施陰極保護，以盡可能小的保護電流使區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)獲得充分而盡可能均勻的保護、并且排除或有效控制干擾、減緩屏蔽是關(guān)鍵，特別是對于已建結(jié)構(gòu)區(qū)第六頁，共56頁。主要內(nèi)容區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點 系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計 施工與運行調(diào)試 干擾控制

4、第七頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計一般原則 在系統(tǒng)要求的壽命期內(nèi)提供完全保護： 達(dá)到保護準(zhǔn)則要求的保護水平 符合有關(guān)法規(guī)要求 不會對外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害的陰、陽極干擾 不會產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)及其涂層有害的過負(fù)電位 有適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)評價達(dá)到的保護水平 在通訊或信息技術(shù)電路中不會引起過多電噪聲 保護系統(tǒng)各保護對象之間應(yīng)設(shè)電流調(diào)控設(shè)施 在雜散電流干擾區(qū)，設(shè)計應(yīng)考慮減緩措施第八頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計安全要求 出于人身安全，陰極保護電源的開路電壓不宜超過50Vd.c.（超過時采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?下列情況下，應(yīng)考慮出現(xiàn)意外的可能性： 鄰近高壓線導(dǎo)致感應(yīng)電壓和地電位升高； 因電力系統(tǒng)故障產(chǎn)生電涌影響，包

5、括擊穿絕緣接頭； 雷擊影響； 運載易燃或可形成爆炸性空氣氣體混合物的結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電火花； 土壤土壤電位梯度5V/m（水中3V/m）超出時應(yīng)設(shè)置警示裝置并防止進(jìn)入第九頁，共56頁。采用下述準(zhǔn)則之一作為保護水平的判據(jù)： a) 外加電流陰極保護時，測得的構(gòu)筑物對地極化電位為-850mV或更負(fù)相對CuCuS04電極，以下同，測試中應(yīng)注意排除土壤中正、負(fù)電場以及IR降的影響； b) 對于透氣性差的粘土中的鋼構(gòu)筑物的保護電位為-950mV或更負(fù)； c) 對于高電阻率（500m）的砂石質(zhì)環(huán)境中的鋼構(gòu)筑物保護電位為-750mV或更負(fù)。最負(fù)保護電位應(yīng)根據(jù)防腐層狀態(tài)及環(huán)境確定，以不損壞防腐層粘結(jié)力及不造成鄰近非保護

6、體的干擾為原則，消除IR降后的最負(fù)保護電位通常不宜比-1.25V更負(fù)；儲罐底板中心外保護電位應(yīng)為-850mV或更負(fù)，周邊保護電位在消除IR降后，應(yīng)相同或略負(fù)于鋅合金的電位陰極保護準(zhǔn)則第十頁，共56頁。設(shè)計前期工作設(shè)計前期工作 由于密集金屬結(jié)構(gòu)區(qū)的復(fù)雜性，特別是已建站廠往往經(jīng)過多次改造，因此設(shè)設(shè)計之前的資料調(diào)研和現(xiàn)場勘測必不可少計之前的資料調(diào)研和現(xiàn)場勘測必不可少。詳細(xì)了解保護區(qū)內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的布局、功能、接地面積、絕緣狀況及環(huán)境的腐蝕性等。要考慮采用深井陽極或深埋陽極的可能性，必須掌握地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文資料及不同深度地層的土壤電阻率等，必要時可鉆試驗孔實際勘測第十一頁，共56頁。陰極保護設(shè)計應(yīng)收集

7、的資料a)保護區(qū)域平面布置圖； b) 保護對象種類、數(shù)量、建造日期、腐蝕歷史現(xiàn)狀、 整改大修歷史及相關(guān)圖紙、資料； c) 保護對象電連續(xù)性、與外圍結(jié)構(gòu)的電隔離； d) 擬保護埋地管道的防腐類型級別、技術(shù)現(xiàn)狀； e) 擬保護儲罐容量、儲存介質(zhì)工作溫度、進(jìn)出罐頻 次、罐底沉積水高度； f) 擬保護儲罐避雷防靜電接地型式、材質(zhì)及數(shù)量； g) 保護區(qū)內(nèi)機、泵、爐等設(shè)備接地型式、材質(zhì)及數(shù)量；h)保護區(qū)外圍金屬結(jié)構(gòu)的類型、數(shù)量； 第十二頁，共56頁。陰極保護設(shè)計應(yīng)收集的資料I) 現(xiàn)有鄰近陰極保護系統(tǒng)的布局及其運行參數(shù)； j) 可能存在的其它電干擾源； k) 危險區(qū)邊界； l) 地層結(jié)構(gòu)、不同深度的土壤類型

8、及電阻率； m) 保護區(qū)地下水位、冰凍線深度、基巖深度； n) 保護區(qū)內(nèi)管道地、儲罐地自然電位； o) 可供選擇的供電電源; p) 保護電流需求、雜散電流干擾及其它相關(guān)測試數(shù)據(jù) 第十三頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)設(shè)計參數(shù)預(yù)測保護電流需求影響陰極保護電流需求的參數(shù)結(jié)構(gòu)表面氧的可獲得性； 涂層的氧及水滲透率； 結(jié)構(gòu)金屬表面的有效裸露面積有些情況下，依據(jù)經(jīng)驗綜合考慮上述參數(shù)估計一個電流密度（以mA/m2表示），該估計數(shù)字應(yīng)包括考慮涂層劣化的裕量；估計電流密度乘以結(jié)構(gòu)的總埋地面積即得出近似的電流總需求；實際上，環(huán)境特征以及結(jié)構(gòu)電流密度的不確定性可能會限制該方法的應(yīng)用，除非有以往類似結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗第

9、十四頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場試驗確定保護電流需求 對已建結(jié)構(gòu)施加臨時陰極保護對已建結(jié)構(gòu)施加臨時陰極保護：測量通電點和結(jié)構(gòu)上一定距離上的至少另外一點，根據(jù)結(jié)構(gòu)的電位變化和所施加的電流，可以計算結(jié)構(gòu)對地電阻并確定施加電流沿結(jié)構(gòu)的分布和永久陰極保護裝置的電流需求必要時，對于大型結(jié)構(gòu)如罐區(qū)，沿整個結(jié)構(gòu)測試，獲得整個結(jié)構(gòu)的極化電位值第十五頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計保護方式第十六頁，共56頁。輔助陽極地床輔助陽極地床管道截面管道截面涂層涂層電源電源強制電流陰極保護主要保護方式有可靠的電源；能對周圍金屬構(gòu)筑物及外部干線造成干擾腐蝕；合理的選擇輔助陽極地床的位置及埋設(shè)方

10、式；符合防爆安全規(guī)定；在地質(zhì)條件允許情況下，應(yīng)優(yōu) 先考慮采用深陽極地床；采用多組陽極地床時，控制點 的選擇應(yīng)有利于各組陽極的均 衡排流，單組輔助陽極地床的 工作電流不宜過大，在地面形 成的跨步電壓應(yīng)m ；第十七頁，共56頁。犧牲陽極犧牲陽極管道管道犧牲陽極保護小型儲罐局部熱點保護儲罐內(nèi)保護第十八頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計強制電流陽極地床設(shè)計 所有地下結(jié)構(gòu)均極化到要求的保護電位可能需要非常高的電流，高電流輸出以及由此導(dǎo)致的陽極系統(tǒng)周圍的土壤電位升高和結(jié)構(gòu)陰極附近土壤的電位降低，會對外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生雜散電流干擾； 結(jié)構(gòu)密集區(qū)，通常情況下的遠(yuǎn)陽極不足以對整個區(qū)域內(nèi)的所有金屬結(jié)構(gòu)提供充分保護，區(qū)域中

11、央的金屬結(jié)構(gòu)通常會由于外圍接地系統(tǒng)或鄰近結(jié)構(gòu)的屏蔽而保護不足；第十九頁，共56頁。區(qū)域陰極保護屏蔽 結(jié)構(gòu)密集區(qū)陰極保護常見的問題之一是地下金屬結(jié)構(gòu)緊密鄰近所造成的屏蔽。管道與接地系統(tǒng)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)、罐群及水管等有金屬接觸，流向該區(qū)域的總電流足夠在土壤中產(chǎn)生電位梯度，導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)密集區(qū)的中央，屏蔽影響將達(dá)到最大。第二十頁，共56頁。管網(wǎng)管網(wǎng)電電源源地床遠(yuǎn)地點參比電極密集結(jié)構(gòu)區(qū)中央?yún)⒈入姌O區(qū)域陰極保護屏蔽由遠(yuǎn)陽極地床提供保護的密集區(qū)管網(wǎng)，似乎將整個結(jié)構(gòu)極化到完全保護所要求電位（相對于遠(yuǎn)參比電極），如1.5V，但是如果在遠(yuǎn)地點和密集區(qū)中間測試，在該區(qū)域中的地電位差可能會有高達(dá)0.

12、8V，這樣在管道和近地之間的電位可能會相當(dāng)?shù)停?.7V），低于完全保護所規(guī)定的-0.85V（CSE）。第二十一頁，共56頁。屏蔽的減緩 當(dāng)出現(xiàn)密集區(qū)屏蔽時，僅依靠遠(yuǎn)陽極陰極保護系統(tǒng)是不行的，可采用近陽極進(jìn)行補充保護，使陽極周圍的影響區(qū)相互充分疊加，改善整個區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的保護電位,采用犧牲陽極作為接地犧牲陽極作為接地系統(tǒng)有助于減輕密集區(qū)的屏蔽效應(yīng)第二十二頁，共56頁。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變壓整流器變壓整流器陽極陽極陽極陽極陽極陽極管道熱點陰極保護消除屏蔽第二十三頁，共56頁。近陽極主要用于局部熱點保護，特別是密集結(jié)構(gòu)區(qū)中央屏蔽第二十四頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計強制電流陽極地床設(shè)計 選擇性安裝單陽極

13、（局部熱點保護）可在無需同時大幅極化其它部件的情況下，對屏蔽區(qū)提供充分保護，但對于復(fù)雜場區(qū)需要大量陽極，且開挖費用也相當(dāng)高； 在實際應(yīng)用時，一般采用多組陽極分散布置、多組陽極分散布置、遠(yuǎn)陽極與近陽極相結(jié)合遠(yuǎn)陽極與近陽極相結(jié)合。通常主體電流由一個或多個遠(yuǎn)陽極系統(tǒng)提供，附加少量陽極安裝于涂層缺陷保護不足的熱點。這樣可以較低的電流輸出獲得充分且盡可能均勻的保護，同時也可降低對外部結(jié)構(gòu)的干擾第二十五頁，共56頁。區(qū)域陰極保護案例區(qū)域陰極保護案例第二十六頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計強制電流陽極地床設(shè)計 合理的選擇輔助陽極地床的位置及埋設(shè)方式是區(qū)域陰極保護成功與否的關(guān)鍵，在地質(zhì)條件允許情況下，應(yīng)優(yōu)先考

14、慮采用深陽極地床；采用多組陽極地床時，控制點的選擇應(yīng)有利于各組陽極的均衡排流，單組輔助陽極地床的工作電流不宜過大，在地面形成的跨步電壓應(yīng)5Vm ；第二十七頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計陽極布置的影響因素應(yīng)能使被保護結(jié)構(gòu)獲得要求的保護，而對其它結(jié)構(gòu)的干擾最小，取決于下列因素： 場地的可接近性及可獲得性； 土壤電阻率，包括季節(jié)性變化因素； 結(jié)構(gòu)的總體布局及位置，是否有外部結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)的涂層； 結(jié)構(gòu)對地電阻第二十八頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計深陽極床深井陽極安裝于豎直孔內(nèi)（直徑300400mm,并采用適當(dāng)?shù)牟牧匣靥睿?，可接近低電阻土壤、減少場地及通行權(quán)要求、降低對外部結(jié)構(gòu)干擾；陽極實際位置（埋

15、設(shè)深度）需要綜合考慮費用、地層情況、陽極段長度等因素權(quán)衡確定深井陽極孔可采用鋼質(zhì)或塑料襯管（陽極位置需打孔）以控制井孔塌陷、方便安裝；深井上部非陽極段采用非金屬套管或絕緣處理；陽極選用低消耗性如高硅鑄鐵、混合金屬氧化物，可能需要機械支撐機械支撐及中心定位裝置中心定位裝置，應(yīng)有排氣管（鉆孔或切口）排氣管（鉆孔或切口）供氣體逸出；地面設(shè)接線箱并考慮電流輸出調(diào)節(jié)第二十九頁，共56頁。第三十頁，共56頁。立式深埋陽極立式深埋陽極碳渣回填（流體或顆粒）強制電流陽極排氣管接整流器或接線箱洪水水面以上粗砂回填一般 15m第三十一頁，共56頁。高硅鑄鐵陽極高硅鑄鐵陽極第三十二頁，共56頁?；旌辖饘傺趸镪枠O（

16、管狀）混合金屬氧化物陽極（管狀）第三十三頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計淺陽極床 集中式集中式：成組水平安裝于13m深、帶回填料的溝內(nèi)，或淺豎直孔內(nèi)用填料包圍； 分布式：單支或多支沿被保護結(jié)構(gòu)安裝，用于克服屏蔽、確保結(jié)構(gòu)最大面積保護及或流向外部結(jié)構(gòu)電流最小的地下結(jié)構(gòu)，由于需要較多電纜且通常需要對單個陽極輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，分布陽極費用較集中式陽極費用更高第三十四頁，共56頁。帶絕緣的匯流電纜接電源帶絕緣的匯流電纜接電源和地床中的其它陽極和地床中的其它陽極匯流電纜與陽極引出線匯流電纜與陽極引出線之間的連接（絕緣）之間的連接（絕緣）完成連接后用完成連接后用土回填電纜溝土回填電纜溝及陽極螺旋鉆及陽極螺旋鉆

17、孔頂部并夯實孔頂部并夯實陽極配備的絕緣電纜陽極配備的絕緣電纜陽極陽極高硅鑄鐵或石墨高硅鑄鐵或石墨碳質(zhì)回填材料回填壓實碳質(zhì)回填材料回填壓實用于安裝陽極及回填材料用于安裝陽極及回填材料的螺旋鉆孔的螺旋鉆孔立式淺埋陽極立式淺埋陽極第三十五頁，共56頁。帶絕緣的匯流電纜接電源帶絕緣的匯流電纜接電源和地床中的其它陽極和地床中的其它陽極匯流電纜與陽極引出線匯流電纜與陽極引出線之間的連接（絕緣）之間的連接（絕緣）回填土夯實回填土夯實陽極配備的絕緣電纜陽極配備的絕緣電纜陽極陽極高硅鑄鐵或石墨高硅鑄鐵或石墨陽極位于夯實的陽極位于夯實的回填料中央回填料中央單支水平式單支水平式第三十六頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)設(shè)計

18、犧牲陽極 陽極布置陽極布置：用于管道：沿管道均勻分布，單支或成組使用均可，距離管道一般2m3m，埋深不小于1m且在冰凍線以下,長期濕潤的土壤中，否則應(yīng)定期澆水潤濕 用于儲罐內(nèi)保護：安裝在罐內(nèi)底板上并按放射狀均勻布設(shè)，陽極體距罐底板至少50mm，且陽極體正對罐底板的一面、支架、鋼筋芯及與罐內(nèi)底板連接處做好絕緣處理 第三十七頁，共56頁。犧牲陽極犧牲陽極接管道帶預(yù)包裝帶預(yù)包裝回填料的回填料的陽極陽極螺旋鉆孔回填混合物回填混合物陽極：鋅或鎂陽極：鋅或鎂接管道犧牲陽極安裝形式立式安裝第三十八頁，共56頁。測試系統(tǒng) 應(yīng)采用測試點檢測結(jié)構(gòu)電位，并且需要足夠數(shù)量的測試點評價陰極保護效果； 測試點位置：絕緣接

19、頭附近及結(jié)構(gòu)末端、可能的雜散電流源及雜散電流排出點、空氣/電解質(zhì)界面附近、鄰近外部結(jié)構(gòu)、鄰近陽極位置； 可能要求測試點位于危險區(qū)外，如在危險區(qū)內(nèi)則應(yīng)安裝于安全箱內(nèi) 測試終端箱應(yīng)耐用且易于識別 現(xiàn)場參比電極：應(yīng)安裝，特別是雜散電流影響區(qū)及硬面層區(qū)第三十九頁，共56頁。陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計測試系統(tǒng) 參比電極參比電極： 測試樁測試樁：長壽命埋地型長壽命埋地型便攜式便攜式第四十頁，共56頁。主要內(nèi)容區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點 系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計 施工與運行調(diào)試施工與運行調(diào)試 干擾控制第四十一頁，共56頁。施工及運行調(diào)試 分步施工 首先進(jìn)行主保護回路施工及接地系統(tǒng)改造； 通電試運行

20、； 近陽極布置； 系統(tǒng)調(diào)試過程中的調(diào)整 系統(tǒng)調(diào)試投運通電前測試 系統(tǒng)運行并調(diào)試到滿足準(zhǔn)則要求（包括干擾測試） 通電后測試第四十二頁，共56頁。 土壤電阻率 自然電位 陽極接地電阻； 電源輸出電流、輸出電壓 保護電流流向 地面陽極電場、陰極電場分布及電位梯度、陰陽極電場分界線 保護電位 干擾測試強制電流陰極保護系統(tǒng)測試項目第四十三頁，共56頁。電位電位： 犧牲陽極開路電位、閉路電位 陰極自然電位、保護電位電流電流： 單支陽極輸出電流 組合陽極聯(lián)合輸出電流電阻電阻： 單支陽極接地電阻 組合陽極接地電阻土壤電阻率土壤電阻率：犧牲陽極埋設(shè)位置犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的測試項目第四十四頁，共56頁。管道測試

21、導(dǎo)線管道測試導(dǎo)線數(shù)數(shù) 字字萬用表萬用表參比電極參比電極電極電位不變化管道電位是變化的管地電位測量管地電位測量管地電位測試第四十五頁，共56頁。沿管道以一定沿管道以一定間隔設(shè)置測試樁間隔設(shè)置測試樁高阻直流電壓表埋地涂覆管道涂覆管道參比電極保護電流通過長測試導(dǎo)線，參比電極通過長測試導(dǎo)線，參比電極可在管道正上方地表逐點移可在管道正上方地表逐點移動，測定每一點的保護狀況動，測定每一點的保護狀況地面管道電位測試第四十六頁，共56頁。bb接地電阻測試儀器土壤電阻率測試第四十七頁，共56頁。 淺層土壤電阻率測試 Wenner 四極法：a=b（等距）,測深 t=a 深層電阻率測試 Schlumberger：a

22、b(不等距)，測深t=(a+2b)/2 abbR2aR2土壤電阻率測試第四十八頁，共56頁。主要內(nèi)容區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點區(qū)域性陰極保護技術(shù)的特點 系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計 施工與運行調(diào)試施工與運行調(diào)試 干擾控制干擾控制第四十九頁，共56頁。對其它外部結(jié)構(gòu)的干擾 干擾是雜散電流的一種特殊形式，施加到主結(jié)構(gòu)上的陰極保護電流流到外部結(jié)構(gòu)上并通過改變其電位而引起腐蝕； 當(dāng)系統(tǒng)電流中斷時，通過外部結(jié)構(gòu)電位變化可以探測到干擾，這個步驟可以提供量化結(jié)果，表明對外部結(jié)構(gòu)腐蝕危險的大小第五十頁，共56頁。對干線的干擾站場保護站場保護絕緣接頭絕緣接頭管道干線管道干線陽極陽極遠(yuǎn)端流入，近端流出近端流入，遠(yuǎn)端流出 由于管道干線均施加了陰極保護，一般對管道的干擾腐蝕基本上得到抑制第五十一頁，共56頁。對恒電位控制的站外陰極保護系統(tǒng)的干擾 由于我國大多數(shù)管道干