管道阴极保护基本知识
内容提要：
阴极保护系统管理知识
阴极保护系统测试方法
恒电位仪的基本操作
一、阴保护系统管理知识
(一)阴极保护的原理
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，为此，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。
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。
阴极保护的原理是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，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。
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)
将被保护金属与外加电源负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。其方式有：恒电位、恒电流、恒电压、整流器等。如图1-4示。
图1-4恒电位方式示意图
外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应，因此，辅助阳极本身存在消耗。
阴极保护的上述两种方法，都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀，需要保护的金属体，提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流，使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。一种是利用电位更负的金属或合金，另一种则利用直流电源。
强制电流阴极保护驱动电压高，输出电流大，有效保护范围广，适用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，这一回路形成了一个电解池，管道在回路中为负极处于还原环境中，防止腐蚀，而辅助阳极进行氧化反应遭受腐蚀，或是周围电解质被氧化。
阴保站的电能60%消耗在阳极接地电阻上, 故阳极材料的选择和埋设方式、场所的选择,对减小电阻节约电能是至关重要的。珠三角管道的阳极地床辅助阳极一般为40支，阳极地床的接地电阻小于3Ω(设计要求)，阳极地床与管道的垂直距离要大于50米。
3、参比电极：为了对各种金属的电极电位进行比较，须有一个公共的参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，通常由饱和硫酸铜参比电极、锌电极等。
4、绝缘接头：阴极保护系统保护的是输油站外的长输管道，绝缘接头的作用是将阴极保护电流限 制在两个阴极保护站之间的管道上。
5、检查片：由与管道同材质的金属制成50×100mm的挂片，检查片有两组，一组与输油管道相连，处于阴极保护状态，一组不与管道相连，处于自然腐蚀状态。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)阴极保护投入前的准备和验收
1、阴极保护投入前对被保护管道的检查
管道对地绝缘的检查：从阴极保护的原理介绍, 已得知没有绝缘就没有保护。为了确保阴极保护的正常运行，在施加阴极保护电流前，须确保管道的各项绝缘措施正确无误。 应检查管道的绝缘接头的绝缘性能是否正常;管道沿线的阀门应与土壤有良好的绝缘;管道与固定墩、跨越塔架、穿越套管处也应有正确有效的绝缘处理措施，管道在地下不应与其它金属构筑物有"短接"等故障;管道表面防腐层应无漏敷点，所有施工时期引起的缺陷与损伤均应在施工验收时使用埋地检漏仪检测，修补后回填。
2、对阴极保护施工质量的验收
(1)对阴极保护间内所有电气设备的安装是否符合《电气设备安装规程》的要求，各种接地设施是否完成，并符合图纸设计要求。
(2)对阴极保护的站外设施的选材、施工是否与设计一致。对通电点、测试桩、阳极地床、阳极引线的施工与连接应严格符合规范要求，尤其是阳极引线接正极，管道汇流点接负极，严禁电极接反。
(3)图纸、设计资料齐全完备。
(四)阴极保护投入运行的调试
1、组织人员测定全线管道自然电位、土壤电阻率、阳极地床接地电阻，同时对管道环境有一个比较详尽的了解，这些资料均需分别记录整理，存档备用。
2、阴极保护站投入运行
按照恒电位仪的操作程序给管道送电，使电位保持在-1.20伏左右，待管道阴极极化一段时间(四小时以上)开始测试直流电源输出电流、电压、通电点电位、管道沿线保护电位、保护距离等。然后根据所测保护电位，调整通电点电位至规定值，继续给管道送电使其完全极化 (通常在24小时以上)。再重复第 一次测试工作，并做好记录。若个别管段保护电位过低，则需再适当调节通电点电位至满足全线阴极保护电位指标为止。
3、保护电位的控制
各站通电点电位的控制数值, 应能保证相邻两站间的管段保护电位达到-0.85伏，同时各站通电点zui负电位不允许超过规定数值。调节通电点电位时，管道上相邻阴极保护站间加强联系，保证各站通电点电位均衡。
4、当管道全线达到阴极保护电位指标后，投运操作完毕，各阴极保护站进入正常连续工作阶段。
(五)阴极保护站的日常维护管理
1、恒电位仪的巡检和维护。
1) 日常巡检：每天9：00和21：00对恒电位仪巡检一次，并记录输出电压、电流、保护电位数值, 与前次记录(或值班记录)对照是否有变化，若不相同应查找原因，采取相应措施使管道全线达到阴极保护。
2)每月维护：每月1日对恒电位仪进行切换使用。改用备用的仪器时，应即时进行一次观测和维修，发现仪器故障应及时检修，保证供电。
维护内容：
观察全部零件是否正常，元件有无腐蚀、脱焊、虚焊、损坏，各连接点是否可靠，电路有无故障，各紧固件是否松动，熔断器是否完好，如有熔断，需查清原因再更换。
检查接接阴极保护站的电源导线，以及接至阳极地床、通电点的导线是否完好，接头是否牢固。
定期检查工作接地和避雷器接地，并保证其接地电阻不大于10欧姆，在雷雨季节要注意防雷。
搞好站内设备的清洁卫生，注意保持室内干燥，通电良好，防止仪器过热。
2、参比电极的维护。
作为恒定电位仪信号源的埋地参比电极，在使用过程中需注意观察恒电位仪的输出数值，发现异常可检查参比电极井是否干涸，影响仪器正常工作。
3、阳极地床的维护。
阳极地床接地电阻每月测试一次，接地电阻增大至影响恒电位仪不能提供管道所需保护电流时，应该更换阳极地床或进行维修，以减小接地电阻。
4、测试桩的维护。
1) 检查接线柱与大地绝缘情况，电阻值应大于100千欧，用万用表测量，若小于此值应检查接线柱与外套钢管有无接地，若有则需更换或维修。
2) 测试桩应每年定期刷漆和编号。
3) 防止测试桩的破坏丢失，对沿线城乡居民及儿童作好爱护国家财产的宣传教育工作。
5、绝缘接头的维护。
每月检测绝缘接头两侧管地电位，若与原始记录有差异时，应对其性能好坏作鉴别。如有漏电情况应采取相应措施。
6、阴极保护系统的管理目标(主要控制指标)
1)保护率等于100%;
管道总长-未达有效阴极保护管道长
保护率 = ───────────────── ×100%
管道总长
2)运行率(开机率)大于98%;
全年小时数 -全年停机小时数
开机率 = ────────────── ×100%
全年小时数
3)保护度大于85%;
G1 / S1 -G2 / S2
保护度 = ───────── ×100%
G1 / S1
式中：G1——未施加阴极保护检查片的失重量，g;
S1——未施加阴极保护检查片的裸露面积，cm2;
G2——施加阴极保护检查片的失重量，g;
S2——施加阴极保护检查片的裸露面积，cm2;
4)管道保护电位：一般为-0.85V～-1.5V，当土壤或水中含有硫酸盐还原菌且硫酸根含量大于0.5%时为-0.95V或更负(应考虑IR降的影响)。
(六)阴极保护系统常见故障的分析
1、保护管道绝缘不良，漏电故障的危害
在阴极保护站投入运行，或牺牲阳极保护投产一段时间后，出现了在规定的通电点电位下, 输出电流增大，管道保护距离却缩短的现象，或者在牺牲阳极系统中，牺牲阳极组的输出电流量增大，其值已超过管道的保护电流需要，但保护电位仍达不到规定指标的现象。发生上述情况的原因，主要是被保护金属管道与未被保护的金属结构物“短路”，这种现象称之为阴极保护管道漏电，或者叫做“接地故障”。
接地故障使得被保护管道的阴极保护电流流入非保护金属体，在两管道的“短接”处形成“漏电点”, 这就会造成阴极保护电流的增大，阴极保护电源的过负荷和阴极保护引起的干扰。
另外阳极地床断路、阴极开路、零位接阴断路都会导致阴极保护不能投保。判断阳极地床连接电缆断路时可采用：
(1)测输出电流,将恒电位仪开启，在恒电位仪阳极输出端串上一电流表，如果电流为零，则说明有断路现象。
(2)将恒电位仪机后阳极输出线断开，接入临时地床或其它接地装置，若有输出电压、电流，则可断定阳极地床连接线断路。在阳极电缆与地床阳极接线处应设置接线用水泥井或标志。
2、造成管道漏电的原因
(1)施工不当，交叉管道间距不合规范，即当两条管道一条为阴极保护的管道，另一条为未保护的管道交叉时，施工要求应保持管道间的垂直净距不小于0.3m，并在交叉点前后一定长度内将管道作特别绝缘，如果施工时不严格按照上述规定去做，那么管道埋设一段时间后，在土壤应力的作用下, 管道相互可能搭接在一起，会造成绝缘层破损，金属与金属的相连形成漏电点。
(2)绝缘接头失效或漏电，绝缘接头质量欠佳，在使用一段时间后绝缘零件受损或变质，使法兰不再绝缘，从而使得两法兰盘侧不再具有绝缘性能，阴极保护电流也就不再有限 制;或者是输送介质中有一些电解质杂质使绝缘接头导通，不再具有绝缘性能。
从上述原因看, 漏电点只可能发生在保护管道与非保护管道的交叉点，或保护管道的绝缘接头处，因此查找漏电点就带有上述局限性。但如果地下管网复杂,被保护管道与多条和线有交叉穿越，则使得漏电点的查找出现复杂现象。常常要根据现场实际情况，反复测量、多方位检查并综合判断才能找到真正的漏电故障点。
3、漏电点的查找
(1)利用查找管道绝缘层破损点，从而确定管道的漏电点或短接点的方法。 此方法首先将脉冲信号送到被测管道上, 如果管道防腐绝缘层良好,流入管道的电流很弱，仪表没有显示。如果管道防腐层有破损，电流将从土壤中通过破损处漏入管道，电流的流动会在周围土壤中将产生明显的电位梯度。当探测人员手持两个参比电极在管道正上方探测行走时, 伏特计将明显的抖动，当伏特计指针停止抖动时，两个参比电极的中间既为防腐层漏点位置，该方法简便宜行，定位准确，是目前国际上公认的检漏方法(DCVG)。
(2)可利用测定管内电流大小的方法寻找漏电点。在无分支的阴极保护管道, 管内电流是从远端流向通电点。当非保护管道接入后就会形成分支电路，使保护电流经过漏电点会变小，因此可利此法来寻找漏电点的位置。利用此法测定时,在有怀疑的管段上可依次选点，用IR压降法或者补偿法(详见有关说明)测定管内电流，再通过比较各点电流的大小来确定漏电点的电位。
(3)绝缘接头漏电的测定。当绝缘接头漏电而导致阴极保护系统故障时, 则可通过在绝缘接头两侧管段上,分别测量管地电位，若保护侧为保护电位，非保护侧为自然电位，则绝缘接头正常。否则有问题存在。也可在非保护侧测法兰端部的对地电位, 如此电位比非保护管道或其它金属构筑物的电位要负，则此绝缘接头漏电。
测定流过绝缘接头的电流, 也可用来判定绝缘接头的性能。若绝缘接头非保护端一侧，能测出电流则法兰漏电;若测不出电流绝缘接头不漏电。
(4)近间距电位测量法CIPS
在测试桩上测量保护电位只能反映管道的整体保护水平，不能说明管道各点都得到了保护。采用近间距测量方式，是沿管道每隔 1—2 米测量一次管地电位,可以准确的检测出没有得到保护的管段。
4、阳极接地故障
阴极保护另一常见故障是由阳极接地引起的。阳极接地电阻与阳极地床的设计与施工质量密切相关。"冻土"会使阳极地床电阻增加几倍至十几倍,"气阻"也会使阳极地床电阻增加。当阳极使用一段时间后,也会由于腐蚀严重,表面溶解不均匀造成电流障碍。因此在阴极保护的仪器上会出现电位升高, 而保护电流下降的现象。此时应通过测量，更换或检修阳极地床来使阴极保护正常运行。另一薄弱环节，是阳极电缆线与阳极接头处的密封与绝缘，若施工不妥则会造成接头处的腐蚀与断路，使阴极保护电流断路而无法输入给管道。
(七)阴极保护中的几个屏蔽问题
当管道周围有绝缘层或金属结构存在时, 会影响阴极保护电流的流动, 使管道得不到有效的阴极保护，即电流屏蔽。目前, 国内采用“管中管”进行防腐保温的长输管道都不同程度的发生了腐蚀，某些套管内的输油管和固定墩内的管道也存在较为严重的腐蚀, 这种状况除了与施工质量控制不严有关外, 阴极保护电流的屏蔽也是一个重要原因。
金属结构对管道的屏蔽
1、管道穿越公路、铁路以及河流时套管的屏蔽
在管道穿越公路、铁路以及河流时, 经常需要将输油管放在金属套管中，以对管道进行附加保护, 并认为,套管与输送管充分绝缘，但采用套管时将有以下情况发生：
(1)输送管与套管完全绝缘, 套管与输送管的环型空间内没有电解液存在， 在这种情况下阴极保护电流被完全屏蔽, 但输送管仅受大气腐蚀。
(2)输送管与套管之间没有电气连接, 但套管内有电解液或泥土, 此时阴极保护电流从土壤中经过套管到达输送管, 在这种情况下输送管以及套管的外壁会得到阴极保护, 而套管的内壁因为排放电流而加快腐蚀。
(3)套管与输送管短路, 一旦套管与输送管发生短路, 阴极保护电流沿套管通过接触点返回到输送管, 此时, 如果套管与输送管之间有电解液, 输送管将发生严重腐蚀, 即使没有电解液, 如果套管防腐层较差, 也会泄漏大量电流, 使套管附近的一段管道得不到充分保护。
因此, 在设计中应该尽量避免采用套管, 而靠提高输送管的壁厚来提高强度. 在必须使用套管的情况下, 应采取必要的密封措施, 防止电解液进入, 并保证套管与输送管的绝缘。
2、固定墩钢筋的屏蔽
当固定墩内的钢筋与输送管发生意外接触时, 其影响相当于一个短路的套管，阴极保护电流通过钢筋并通过接触点返回管道。尽管钢筋之间存在间隙, 但密布的钢筋仍能阻断大部分阴极保护电流, 使固定敦内的管道得不到充分保护. 因此, 在设计中应减小钢筋与套管短路的可能性， 在施工中也要经常检测钢筋与输送管的电阻。
绝缘体对管道的屏蔽
“管中管”防腐保温结构的屏蔽问题。 当管道周围有绝缘体存在, 而且绝缘体与管道间有电解液存在时，由于阴极保护电流无法通过绝缘体到达管道表面, 管道得不到阴极保护。有人认为, 阴极保护电流可以通过绝缘体与管道之间的空隙到达管道表面, 事实是如果该空隙之间充满电解液, 电阻率很小, 这种看法是正确的。通过对“管中管”的腐蚀情况进行调查发现, 如果防水层破坏, 水分进入保温层, 如果水分充足, 管道会得到阴极保护, 一般不会发生腐蚀，如长期处于水下的管道。如果仅有少量的水分进入管道, 则在漏点两侧(2-3倍间隙的距离以外)一般会发生较严重的腐蚀。
另外, 如果管道附近有其他绝缘体或岩石存在, 也会影响电流的流动, 对管道的保护电流起到屏蔽作用。因此, 当管道通过岩石地带时, 应采取措施, 如：采用柔性阳极或带状阳极, 保证阴极保护电流顺利的到达管道表面。
二、阴极保护系统测试方法
1、恒电位仪设备运行状况测试
测试内容：输出电压、输出电流、给定电位、长效参比电极状态。
测试仪器：数字万用表(2块)、标准Cu/CuSO4电极(2支)、电工工具(1套)
测试方法：
(1)检查阴极保护恒电位仪设备的型号、制造厂商、出厂日期、规格等。
(2)记录恒电位仪电压表和电流表的数值，计算出设备的输出功率。
(3)在参比电极和阴极汇流点引线间连接数字万用表测量管地电位(给定电位)判断长效参比电极状态。
2、阴极保护站强制电流阴极保护辅助阳极地床测试
测试内容：阳极地床接地电阻
测试仪器：ZC-8接地电阻仪(四端) 卷尺(50米) 金属电极(2支) 铜芯塑料软线 1×1.5mm
测试方法：
(1)测试接线示意图见图1。在土壤电阻率较均匀的地区，d2取2L，d1取L;在土壤电阻率不均匀的地区，d2取3L，d1取1.7 L。在测试过程中，电位极沿辅助阳极与电流极的连线移动三次，每次移动的距离为d2的5%左右，若三次测试值接近。取其平均值作为辅助阳极接地电阻值;若测试值不接近，将电位极往电流极方向移动，直至测试值接近为止。
(2)按图1布好电极后，转动接地电阻测试仪的手柄，使手摇发电机达到额定转速，调节平衡旋钮，直至电表指针停在黑线上，此时黑线指示的度盘值乘以倍率即为接地电阻值。
3、绝缘接头的绝缘性能测试
测试内容：绝缘接头(接头)绝缘性能
测试仪器：电压表(高阻抗)、标准Cu/CuSO4电极(1支)、电工工具
测试方法：已安装到管道上的绝缘接头(接头)，可用电位法判断其绝缘性能。如图2所示，在被保护管道通电之前，用数字万用表V测试绝缘接头(接头)非保护侧a的管地电位Va1;调节阴极保护电源，使侧b点的管地电位Vb达到-0.85~-1.50之间，再测试a点的管地电位Va2。若Va1和Va2基本相等，则认为绝缘接头(接头)的绝缘性能良好;若│Va2│>│Va1│且Va2接近Vb值，则认为绝缘接头(接头)的绝缘性能可疑。若辅助阳极距绝缘接头(接头)足够远，且判明与非保护侧相连接的管道没同保护侧的管线接近或交叉，则可判定为绝缘接头(接头)的绝缘性能很差(严重漏电或短路)。
4、管地电位测试
测试内容：管道保护电位、自然电位
测试仪器：数字万用表、标准Cu/CuSO4电极(1支)、铜芯绝缘软线(截面积1.0mm2)、电工工具(1套)、测量用锷鱼夹(2支)
测试方法：地表参比法地表，按图7进行接线测试，将参比电极放在管道顶部上方1m范围的地表潮湿土壤上，应保证参比电极与土壤电接触良好。
(1)自然电位测试：未实施阴极保护的情况下，用硫酸铜参比电极测沿线测试桩电位的方法。其电位一般为-0.4V ~ -0.6V。
(2)保护电位测试：施加阴极保护的情况下，用硫酸铜参比电极测沿线测试桩电位的方法。其电位应在-0.85V ~ -1.5V。
(3)间歇供电管道电位测试：在阴极保护设备向管道供电12秒、停3秒的情况下，在停3秒期间，用硫酸铜参比电极测沿线测试桩电位的方法。其断点电位应在-0.85V ~ -1.15V。
5、管道沿线管内电流测试
测试内容：管内电流
测试仪器：UJ-33a直流电位差计、数字万用表(高阻抗)、铜芯塑料软线 1×0.75mm3 、电工工具(1套)、测量用锷鱼夹(2支)
测试方法：
①测量a、b两点之间的管长Lab，误差不大于1%。按图3接线，读出ab两点间的电压降。在干扰区内测试宜采用数字万用表。
②ab段管内的电流按下式计算：
式中 I-流过ab段的管内电流(A);
Vab-ab间的电位差(V)
D-管道外径(mm)
δ-管道壁厚(mm)
ρ-管材电阻率(Ω.mm2/m)，取0.166.
Lab-ab间的管道长度(m)。
6、杂散电流干扰测试
(1)交流干扰
测试内容：管道交流干扰电压
测试仪器：数字万用表、隔直电容(7.5μF ,250V)、金属电极(1支)铜芯绝缘软线(截面积1.0mm2)、电工工具(1套)、测量用锷鱼夹(2支)
测试方法：按图5进行接线测试。
(2)直流干扰
测试内容：管道直流干扰地电位梯度与电流方向
测试仪器：数字万用表、标准Cu/CuSO4电极(4支)、铜芯绝缘软线(截面积1.0mm2)、电工工具(1套)、测量用锷鱼夹(2支)
测试方法：
①沿着某一干扰段选取几个地点，按图6进行接线重复测试，通过几个测试点的电位梯度的大小和方向，判断杂散电流源的方位。
②电压表读取的数值除以参比电极间距，即为电位梯度。
③当单独测试地电位梯度时，参比电极的间距应小一些，在可能的情况下以1m为宜。
图6 地电位梯度及杂散电流方向测试示意图
1-a、b、c、d四只Cu/CuSO4参比电极; ac与bd的距离相等，且垂直对称布设，其中ac或bd应与管道平行，电极间距宜为100m，当受到环境限 制时可适当缩短，但应使电压表有明显的指示;2-测试导线;3-A、B两块电压表
三、恒电位仪的基本操作
具体见使用说明书。
