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(fù)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(hù)。
陰極保護(hù)的原理：
是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位。有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)這一目的，即犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。
1、犧牲陽極法
將被保護(hù)金屬和一種電位更負(fù)的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護(hù)體陰極極化以降低腐蝕速率的方法。
在被保護(hù)金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實(shí)現(xiàn)了對陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)。
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(qiáng)制電流法（外加電流法）
將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護(hù)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(hù)電流引入地下，通過土壤提供給被保護(hù)金屬，被保護(hù)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(hù)兩種方法的對比：
陰極保護(hù)的上述兩種方法，都是通過一個陰極保護(hù)電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護(hù)的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護(hù)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(hù)電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負(fù)的金屬或合金，另一種則利用直流電源。
強(qiáng)制電流陰極保護(hù)驅(qū)動電壓高，輸出電流大，有效保護(hù)范圍廣，適用于被保護(hù)面積大的長距離、大口徑管道。
犧牲陽極陰極保護(hù)不需外部電源，維護(hù)管理經(jīng)濟(jì)，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(hù)的基本參數(shù)
1、最小保護(hù)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(hù)電流密度,稱作最小保護(hù)電流密度。新建瀝青管道最小保護(hù)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(hù)電流密度為1--5mA/m2表示，老罐為5—10mA/m2。
2、最小保護(hù)電位
為使腐蝕過程停止，金屬經(jīng)陰極極化后所必須達(dá)到的絕對值最小的負(fù)電位值，稱之為最小保護(hù)電位。
最小保護(hù)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(hù)電位值常常是用來判斷陰極保護(hù)是否充分的基準(zhǔn)。因此該電位值是監(jiān)控陰極保護(hù)的重要參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)測定在土壤中的最小保護(hù)電位為－0.85V（相對飽和硫酸銅參比電極）。
3、最大保護(hù)電位
在陰極保護(hù)中，所允許施加的陰極極化的絕對值最大的負(fù)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(hù)電位。
陰極保護(hù)電位越大，防腐程度越高，單站保護(hù)距離也越長，但是過大的電位將使被保護(hù)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(yán)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(hù)電流，形成能量浪費(fèi)。
一． 犧牲陽極陰極保護(hù)
（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(hù)，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(dāng)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(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)施
外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由四部分組成：直流電源、輔助陽極、被保護(hù)管道、附屬設(shè)施。
1、電源設(shè)備（恒電位儀）
強(qiáng)制電流系統(tǒng)要求電源設(shè)備能夠不斷地向被保護(hù)金屬構(gòu)筑物提供陰極保護(hù)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(dāng)?shù)氐墓ぷ鳝h(huán)境（溫度、濕度、日照、風(fēng)沙）；功率與被保護(hù)構(gòu)筑物相匹配；操作維護(hù)簡單。
目前常用的陰極保護(hù)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(hù)系統(tǒng)中，將保護(hù)電流從電源引入土壤中的導(dǎo)電體。通過輔助陽極把保護(hù)電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護(hù)的管道，使管道表面進(jìn)行陰極極化 (防止電化學(xué)腐蝕)，電流再由管道流入電源負(fù)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(fù)極處于還原環(huán)境中，防止腐蝕，而輔助陽極進(jìn)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(yuǎn)電流分布愈均勻，但過遠(yuǎn)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(hù)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(hù)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(diǎn)有:全年接地電阻變化不大;當(dāng)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(diǎn)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(dāng)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(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)時,使用深埋式陽極,可獲得淺埋式陽極所不能得到的保護(hù)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)，這就限制了它的應(yīng)用。
淺埋陽極示意圖
3、陰極保護(hù)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(jìn)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?zé)沾晒蕖⒐軤罨驈椈蔂钽~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(hù)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(jìn)行陰極保護(hù)的管道和不進(jìn)行陰極保護(hù)的管道絕緣。
④、檢查片
檢查片是為了定量測量陰極保護(hù)效果，在管道沿線典型地段埋設(shè)與被保護(hù)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(hù)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(shí)施陰極保護(hù)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(jìn)行陰極保護(hù)。
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(hù)電流密度。其次，要將管道與非保護(hù)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(hù)效果的降低。
③、管道必須保持縱向電連續(xù)性。
一． 陰極保護(hù)投入運(yùn)行的調(diào)試
1、陰極保護(hù)投入前對被保護(hù)管道的檢查
管道對地絕緣的檢查：從陰極保護(hù)的原理介紹, 已得知沒有絕緣就沒有保護(hù)。為了確保陰極保護(hù)的正常運(yùn)行，在施加陰極保護(hù)電流前，必須確保管道的各項(xiàng)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(diǎn)，所有施工時期引起的缺陷與損傷均應(yīng)在施工驗(yàn)收時使用埋地檢漏儀檢測，修補(bǔ)后回填。
2、對陰極保護(hù)施工質(zhì)量的驗(yàn)收
（1）對陰極保護(hù)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(hù)的站外設(shè)施的選材、施工是否與設(shè)計一致。對通電點(diǎn)、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應(yīng)嚴(yán)格符合規(guī)范要求，尤其是陽極引線接正極，管道匯流點(diǎn)接負(fù)極，嚴(yán)禁電極接反。
（3）圖紙、設(shè)計資料齊全完備。
3、陰極保護(hù)投入運(yùn)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(hù)站投入運(yùn)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(diǎn)電位、管道沿線保護(hù)電位、保護(hù)距離等。然后根據(jù)所測保護(hù)電位，調(diào)整通電點(diǎn)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(yuǎn)端保護(hù)電位過低，則需再適當(dāng)調(diào)節(jié)通電點(diǎn)電位。
（3）保護(hù)電位的控制
各站通電點(diǎn)電位的控制數(shù)值, 應(yīng)能保證相鄰兩站間的管段保護(hù)電位達(dá)到-0.85伏以上，同時各站通電點(diǎn)最負(fù)電位不允許超過規(guī)定數(shù)值。調(diào)節(jié)通電點(diǎn)電位時，管道上相鄰陰極保護(hù)站間加強(qiáng)聯(lián)系，保證各站通電點(diǎn)電位均衡。
（4）當(dāng)管道全線達(dá)到最小陰極保護(hù)電位指標(biāo)后，投運(yùn)操作完畢，各陰極保護(hù)站進(jìn)入正常連續(xù)工作階段。
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