防雷技術(shù)
一． 原理
每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位, 稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位），腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子, 我們稱失去電子的部位為陽極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(qū)由于失去電子（如鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕，而陰極區(qū)得到電子受到保護。
陰極保護的原理：
是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點達到同一負電位。有兩種辦法可以實現(xiàn)這一目的，即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。
1、犧牲陽極法
將被保護金屬和一種電位更負的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護體陰極極化以降低腐蝕速率的方法。
在被保護金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負于被保護金屬體的電位值，在保護電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實現(xiàn)了對陰極的被保護金屬體的防護。
犧牲陽極材料有高純鎂，其電位為-1.75V；高鈍鋅，其電位為-1.1V；工業(yè)純鋁，其電位為-0.8V（相對于飽和硫酸銅參比電極）。
2、強制電流法（外加電流法）
將被保護金屬與外加電源負極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：恒電位、恒電流等。如圖
外部電源通過埋地的輔助陽極將保護電流引入地下，通過土壤提供給被保護金屬，被保護金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，使腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發(fā)生丟電子氧化反應(yīng)，因此，輔助陽極本身存在消耗。
陰極保護兩種方法的對比：
陰極保護的上述兩種方法，都是通過一個陰極保護電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護電流，使之恰好抵消金屬內(nèi)原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產(chǎn)生保護電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負的金屬或合金，另一種則利用直流電源。
強制電流陰極保護驅(qū)動電壓高，輸出電流大，有效保護范圍廣，適用于被保護面積大的長距離、大口徑管道。
犧牲陽極陰極保護不需外部電源，維護管理經(jīng)濟，簡單，對鄰近地下金屬構(gòu)筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。
一． 陰極保護的基本參數(shù)
1、最小保護電流密度
使金屬腐蝕下降到最低程度或停止時所需要的保護電流密度,稱作最小保護電流密度。新建瀝青管道最小保護電流密度為30—50μA/m2，環(huán)氧粉末的管道一般為10--30μA/m2，新建儲罐罐底板最小保護電流密度為1--5mA/m2表示，老罐為5—10mA/m2。
2、最小保護電位
為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達到的絕對值最小的負電位值，稱之為最小保護電位。
最小保護電位也與金屬的種類、腐蝕介質(zhì)的組成、溫度、濃度等有關(guān)。最小保護電位值常常是用來判斷陰極保護是否充分的基準。因此該電位值是監(jiān)控陰極保護的重要參數(shù)。
實驗測定在土壤中的最小保護電位為－0.85V（相對飽和硫酸銅參比電極）。
3、最大保護電位
在陰極保護中，所允許施加的陰極極化的絕對值最大的負電位值，在此電位下管道的防腐層不受到破壞。此電位值就是最大保護電位。
陰極保護電位越大，防腐程度越高，單站保護距離也越長，但是過大的電位將使被保護管道的防腐絕緣層與管道金屬表面的粘接力受到破壞，產(chǎn)生陰極剝離，嚴重時可以出現(xiàn)金屬“氫破裂”。同時太大的電位將消耗過多的保護電流，形成能量浪費。
一． 犧牲陽極陰極保護
（一）常見的犧牲陽極材料
1.鎂合金陽極
根據(jù)形狀以及電極電位的不同，鎂合金陽極可用于電阻率在 20歐姆.米到 100歐姆.米的土壤或淡水環(huán)境。高電位鎂合金陽極的電位為-1.75V (CSE)；低電位鎂陽極的電位為-1.55V(CSE)。
2.鋅合金陽極
鋅合金陽極多用于土壤電阻率小于15 歐姆.米的土壤環(huán)境或海水環(huán)境。電極電位為-1.1V(CSE)。溫度高于40°C時，鋅陽極的驅(qū)動電位下降，并發(fā)生晶間腐蝕。高于60°C時，它與鋼鐵的極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，變成陰極受到保護，而鋼鐵變成陽極受到腐蝕。所以，鋅陽極僅能用于溫度低于40°C的環(huán)境。
3.回填料
當使用填料時，陽極的電流輸出效率提高。如果將陽極直接埋入土攘，由于土壤的成分不均勻，會造成陽極自身腐蝕，從而降低陽極效率。采用填料，一是保持水分，降低陽極的接地電阻，二是使陽極表面均勻腐蝕，提高陽極利用效率。
（二）犧牲陽極的埋設(shè)方式
1、犧牲陽極埋設(shè)有立式和臥式兩，埋設(shè)位置分軸向和徑向。
2、犧牲陽極在管道的分布宜采用單支或集中成組兩種方式。
3、陽極與管道的距離，一般情況下陽極埋設(shè)位置應(yīng)距管道3～5ｍ，最小不宜小于0.3ｍ，成組埋設(shè)時，陽極間距以2～3ｍ為宜。
1）在管道一側(cè)
2）在管道兩側(cè)
一． 外加電流陰極保護系統(tǒng)的主要設(shè)施
外加電流陰極保護系統(tǒng)主要由四部分組成：直流電源、輔助陽極、被保護管道、附屬設(shè)施。
1、電源設(shè)備（恒電位儀）
強制電流系統(tǒng)要求電源設(shè)備能夠不斷地向被保護金屬構(gòu)筑物提供陰極保護電流，要求電源設(shè)備安全可靠；電源電壓連續(xù)可調(diào)；能夠適應(yīng)當?shù)氐墓ぷ鳝h(huán)境（溫度、濕度、日照、風沙）；功率與被保護構(gòu)筑物相匹配；操作維護簡單。
目前常用的陰極保護電源設(shè)備有太陽能電池、整流器、恒電位儀，國內(nèi)多用恒電位儀，都能國產(chǎn)化，恒電位儀不僅能夠恒電位輸出，還能恒電流輸出。用戶可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。
2、陽極地床
輔助陽極是外加電流陰極保護系統(tǒng)中，將保護電流從電源引入土壤中的導(dǎo)電體。通過輔助陽極把保護電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護的管道，使管道表面進行陰極極化 (防止電化學(xué)腐蝕)，電流再由管道流入電源負極形成一個回路，這一回路形成了一個電解池，管道在回路中為負極處于還原環(huán)境中，防止腐蝕，而輔助陽極進行氧化反應(yīng)遭受腐蝕。常用的陽極材料有：高硅鑄鐵、石墨、鋼鐵、柔性陽極。
陽極地床的設(shè)計遵循以下幾方面要求：
（1）陽極種類的選擇
①在一般土壤中可采用高硅鑄鐵陽極、石墨陽極、鋼鐵陽極；
②在鹽漬土、海濱土或酸性和含硫酸根離子較高的環(huán)境中，宜采用含鉻高硅鑄鐵陽極。
③高電阻率的地方宜使用鋼鐵陽極。
④覆蓋層質(zhì)量較差的管道及位于復(fù)雜管網(wǎng)或多地下金屬構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)的管道可采用柔性陽極，但不宜在含油污水和鹽水中使用。
（2）輔助陽極埋設(shè)位置的選擇
輔助陽極與管道距離愈遠電流分布愈均勻，但過遠會增加引線上的電壓降和投資，因此輔助陽極的距離和埋設(shè)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選定。選擇陽極安裝位置的原則是:
①地下水位較高或潮濕低洼處；
②土層厚,無塊石,便于施工；
③土壤電阻率一般應(yīng)小于50歐姆米，特殊地區(qū)也應(yīng)小于100Ω.m；
④對鄰近的地下金屬構(gòu)筑物干擾小，陽極地床與被保護管道之間不得有其它
金屬管道；
⑤考慮陽極附近地域近期發(fā)展規(guī)劃及管道發(fā)展規(guī)劃以避免建后可能出現(xiàn)的搬遷；
⑥陽極位置與管道的垂直距離不宜小于50m。
⑦地面金屬構(gòu)筑物較多，用地狹窄時，可采用深井陽極，以減小對其它金屬構(gòu)物的干擾又節(jié)約用地。
（3）輔助陽極的結(jié)構(gòu)
①淺埋式地床結(jié)構(gòu)
將電極埋入距地表1～5米的土層中, 這是管道陰極保護一般選用的陽極埋設(shè)形式。淺埋式陽極又可分為立式,水平式兩種,對于鋼鐵陽極可能兩種聯(lián)合稱為聯(lián)合式陽極。
a.立式陽極：由一根或多根垂直埋入地中的陽極排列構(gòu)成。電極間用電纜聯(lián)接。其優(yōu)點有:全年接地電阻變化不大;當陽極尺寸相同時,立式地床的接地電阻較水平式小。
b.水平式陽極：將陽極以水平方向埋入一定深度的地層中,其優(yōu)點有:安裝土石方量較小,易于施工；容易檢查地床各部分的工作情況。
c.聯(lián)合式陽極：指采用鋼鐵材料制成地床,它由上端聯(lián)接著水平干線的一排立式陽極所組成.
②深埋式陽極(深井式)
當陽極地床周圍存在干擾、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管網(wǎng)密集區(qū)進行區(qū)域性陰極保護時,使用深埋式陽極,可獲得淺埋式陽極所不能得到的保護效果。深埋式地床根據(jù)埋設(shè)深度不同可分為淺深井(20～40米)、中深井(50～100米)和深井(＞100米)三種。
深埋式陽極地床的特點是接地電阻小,對周圍干擾小,消耗功率低,電流分布比較理想。它的缺點是施工復(fù)雜技術(shù)要求高,單井造價貴。尤其是深度超過100米的深陽極,施工需要大鉆機，這就限制了它的應(yīng)用。
淺埋陽極示意圖
3、陰極保護的附屬設(shè)施
①、埋地型參比電極
為了對各種金屬的電極電位進行比較，必須有一個公共的對比電極，其電極電位具有良好的穩(wěn)定性，構(gòu)造簡單，通常有飽和硫酸銅參比電極、鋅電極等。其作用是與恒電位儀組成信號源。
參比電極埋設(shè)的位置應(yīng)盡量靠近管道，以減少土壤介質(zhì)中的IR降影響。
埋地型參比電極的類型：
ａ、液體硫酸銅參比電極
主要用于測量管地電位，用于埋地使用時，由于密封處理不好，經(jīng)常會造成滲漏過度，經(jīng)常添加硫酸銅溶液，且一到冬季又容易凍結(jié)，影響恒電位儀的正常工作，目前已很少埋地使用。
ｂ、長效埋地型硫酸銅參比電極
電極結(jié)構(gòu)：電極由素燒陶瓷罐、管狀或彈簧狀銅電極和硫酸銅晶體所構(gòu)成。使用前應(yīng)在水中浸泡24小時，形成飽和硫酸銅溶液。
電極地床結(jié)構(gòu)：在參比電極周圍填充5～10ｃｍ厚的填包料。填包料的主要成分為石膏粉、硫酸鈉、膨潤土，其體積比為75：5：20
②、測試樁
為了定期檢測管道陰極保護參數(shù)。
③、電絕緣裝置
作用：安裝絕緣法蘭或絕緣接頭可以將進行陰極保護的管道和不進行陰極保護的管道絕緣。
④、檢查片
檢查片是為了定量測量陰極保護效果，在管道沿線典型地段埋設(shè)與被保護管道相同的鋼制試片。
⑤、均壓線
為避免干擾腐蝕，用電纜將同溝敷設(shè)、近距離平行或交叉的管道連接起來，以消除管道之間的電位差，此電纜稱為均壓線。
⑥、導(dǎo)線
陰極保護系統(tǒng)中導(dǎo)線有：陽極線、陰極線、零位接陰線、參比電極引線、測試樁引線
4、管道實施陰極保護的基本條件
①、管道必須處于有電解質(zhì)的環(huán)境中，以便能建立起連續(xù)的電路。如土壤、海水、河流等介質(zhì)中都可以進行陰極保護。
②、管道必須電絕緣。首先，管道必須要采用良好的防腐層盡可能將管道與電解質(zhì)絕緣，否則會需要較大的保護電流密度。其次，要將管道與非保護金屬構(gòu)筑物電絕緣，否則電流將流失到其他金屬構(gòu)筑物上，造成其他金屬構(gòu)筑物的腐蝕以及管道陰極保護效果的降低。
③、管道必須保持縱向電連續(xù)性。
一． 陰極保護投入運行的調(diào)試
1、陰極保護投入前對被保護管道的檢查
管道對地絕緣的檢查：從陰極保護的原理介紹, 已得知沒有絕緣就沒有保護。為了確保陰極保護的正常運行，在施加陰極保護電流前，必須確保管道的各項絕緣措施正確無誤。 應(yīng)檢查管道的絕緣接頭的絕緣性能是否正常；管道沿線的閥門應(yīng)與土壤有良好的絕緣；管道與固定墩、跨越塔架、穿越套管處也應(yīng)有正確有效的絕緣處理措施，管道在地下不應(yīng)與其它金屬構(gòu)筑物有"短接"等故障；管道表面防腐層應(yīng)無漏敷點，所有施工時期引起的缺陷與損傷均應(yīng)在施工驗收時使用埋地檢漏儀檢測，修補后回填。
2、對陰極保護施工質(zhì)量的驗收
（1）對陰極保護間內(nèi)所有電氣設(shè)備的安裝是否符合《電氣設(shè)備安裝規(guī)程》的要求，各種接地設(shè)施是否完成，并符合圖紙設(shè)計要求。
（2）對陰極保護的站外設(shè)施的選材、施工是否與設(shè)計一致。對通電點、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應(yīng)嚴格符合規(guī)范要求，尤其是陽極引線接正極，管道匯流點接負極，嚴禁電極接反。
（3）圖紙、設(shè)計資料齊全完備。
3、陰極保護投入運行的調(diào)試
（1）組織人員測定全線管道自然電位、土壤電阻率、陽極地床接地電阻，同時對管道環(huán)境有一個比較詳盡的了解，這些資料均需分別記錄整理，存檔備用。
（2）陰極保護站投入運行
按照恒電位儀的操作程序開啟，給定電位保持在-1.20伏左右，待管道陰極極化一段時間(4小時以上)開始記錄直流電源輸出電流、電壓，測試通電點電位、管道沿線保護電位、保護距離等。然后根據(jù)所測保護電位，調(diào)整通電點電位至規(guī)定值，繼續(xù)給管道送電使其完全極化 (通常在24小時以上)。再重復(fù)第一次測試工作，并做好記錄。若最遠端保護電位過低，則需再適當調(diào)節(jié)通電點電位。
（3）保護電位的控制
各站通電點電位的控制數(shù)值, 應(yīng)能保證相鄰兩站間的管段保護電位達到-0.85伏以上，同時各站通電點最負電位不允許超過規(guī)定數(shù)值。調(diào)節(jié)通電點電位時，管道上相鄰陰極保護站間加強聯(lián)系，保證各站通電點電位均衡。
（4）當管道全線達到最小陰極保護電位指標后，投運操作完畢，各陰極保護站進入正常連續(xù)工作階段。
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