阴极保护运行与管理.doc
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1、目 录第1章 前言2第2章 阴极保护的简介22.1阴极保护的原理及类型3第3章 阴极保护相关技术规范与标准53.1国外有关阴极保护的标准53.2 国内有关阴极保护的标准6第4章 阴极保护类型的选择及其经济性的分析641影响强制电流阴极保护的经济性的因素642影响牺牲阳极阴极保护的经济性的因素743保护电流需要量的确定7第5章 阴极的运行管理75.1阴极保护投用前的管理75.2阴极保护投入运行管理85.3 阴极保护站的日常维护管理9第6章 阴极保护管理制度11第7章 阴极保护系统常见故障的分析127.1保护管道绝缘不良,漏电故障的危害127.2 造成管道漏电的原因127.3 漏电点的查找137.
2、4 阳极接地故障14第8章 总结14阴极保护与其运行管理第1章 前言压力管道主要用于燃油、原油、燃气、蒸汽和工业用危险介质的输送,广泛用于城市发展、能源供应、石油化工的基础设施和人民生活的基础条件等领域。据2003年我国特种设备安全监察统计年报结果,我国压力管道数量已经达到118.3万公里,其中,长输管道、集输管道、城市燃气管道多为埋地管道,主要用于输送油和气,到目前为止我国现有集输油气管网10万余公里,长输油气管道3万余公里,大多数都是埋地管道。随着我国经济持续、快速发展,特别是石油化工、能源、电力、冶金、城市建设的发展,人民生活水平的提高,社会对埋地管道的需求迅速增加。埋地管道在国民经济中
3、占有极为重要的战略地位,被称为国家重大生命线。这些管道长期埋在地下,不可避免的要与周围的腐蚀环境相接触,造成管道的被腐蚀,导致管道本体的破裂造成事故,所以管道的腐蚀与防护工作研究也是方兴未艾,在管道上施加有效的阴极保护可以有效的保护管道,减少管道的腐蚀,减少事故的发生。第2章 阴极保护的简介现在,人们已经普通认识到了管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防腐措施。这是因为防腐层在生产、运输与施工中无法保护不受到任何损坏。因此不可能完全将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。而且用于防腐绝缘层的各种材料都有不同程度的吸水和透气性。因此埋地后,在土壤溶液的作用下会逐步吸水老化。要维持有效的
4、防腐,就必须同时采取阴极保护及联合保护。阴极保护的使用已经产生了巨大的经济效益。通常采用阴极保护的管道寿命可以延长一倍,而阴极保护的投资只占管道总投资的1%4%,因此其经济效益与社会效益是显而易见的。1973年美国运输部()公布了当年新辅设的管道数,其中23%的长输管道,30%的小口径管道都是由于腐蚀破坏后而重新更换的。在这些腐蚀引起的破坏管道中,有91%是没有采用阴极保护的。现在,各国都纷纷规定原有管道必须补加阴极保护,新辅设的管道必须安装阴极保护。我国也不例外,如中华人民共和国石油工业部部标准钢质管道及储罐防腐蚀工程设计规范7-84等对长输管道和其他埋地管道都有必须采用阴极保护的要求。下面
5、介绍阴极保护的原理及其方法。2.1阴极保护的原理及类型对于埋地管道而言,阴极保护是目前最有效减小管道腐蚀的手段之一。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。2.1.1、牺牲阳极阴极保护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,使该金属上的电子转移到被保护金属上去,使整个被保护金属处于一个较负的,相同的电位下。该方式简便易行,不需要外加电源,很少产生腐蚀干扰,埋设后很少需要专业人员来维护,广泛应用
6、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,如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。但论文认为,产生该问题的主要原因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。 2.1.2、外加电流阴极保护外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极,迫使电流从土壤中流
7、向被保护金属,使被保护金属结构电位低于周围环境,。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:长输埋地钢制管道,大型罐群等。但是外加强制电流阴极保护的需要在管道沿线建设阴极保护站,阴极保护站的恒电位仪等电器设备一般需要专业人员的定期维护。2.2 牺牲阳极与强制电流阴极保护的区别对于具体的保护对象,是采用牺牲阳极阴极保护还是采用强制电流阴极保护,应具体情况具体分析。对此论文作了如下对比(见表1),因此对于杂散电流干扰不大、土壤电阻率较高、保护电流较低的埋地管道采用牺牲阳极阴极保护的方法是既经济又合理的。而短距离埋地管道采用牺牲阳极阴极保护的方法更可以省掉强制电流阴极保护法的固定
8、装置投资费用,是非常经济的。表1牺牲阳极法和强制电流保护法对比序号牺牲阳极法强制电流保护法1费用与管道长度成正比;均匀的电位分布可保护最经济的保护电位调配对需要较小电流的场合,无法减少最低限度的装置费用;降低通电点的电位,方可达到远距离的防护2不需要外部电源必须有外部电源3对外部管道及地下金属构筑物干扰小辅助阳极点附近会对外部管道产生干扰4可埋在管沟里或靠近管沟附近辅助阳极要远离管道5在保护电流密度低时才经济保护电流密度不限6杂散电流干扰大时不能使用杂散电流干扰大时也可任意调节电流、电位7电流输出稳定可按电器原理调节电流、电压8土壤电阻率高时需阳极数最多可通过为数不多的点达到保护9输出电流与土
9、壤电阻率成反比可通过电压调节保护电流10土壤电阻率测试点多土壤电阻率测试点少11调试工作量大,投产调试费时间只需测量电流和为数不多的电位管理12阳极为消耗性阳极,需定期更换阳极不需要更换13建成后维护管理作业很少建成后需固定岗位管理维护2.3国内外阴极保护使用的现状阴极保护技术在国外己有一百多年历史,四十年代开始应用于石油、化工设备的防腐之后又发展用在地下油、气、水的输送管道防腐方面。阴极保护不仅可以防止一般腐蚀,还可以防止金属的小孔腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀裂开、冲击腐蚀和黄铜脱锌等。我国在六十年代初开始研究阴极保护方法,六十年代末期在主要在船舶,闸门等钢铁构筑物上得到应用。我国埋地油气管道的阴极
10、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并且收到明显的效果。由于这项技术可以为国家节约大量资金和节省日益匮乏的金属能源,延长钢质管道的使用寿命,因此我国在钢质管道的保护上,也普遍采用了阴极保护技术。但目前我国的阴极保护在施工方面和管理方面都还不是很规范,我们对阴极保护管理的水平与国外的阴极保护管理水平还有相当大的差距,例如,在德国PLE工程公司阴极保护部只有不到一百人却担负则德国近万公里的760座阴极保护站,4.5万个绝缘接头, 1万多个测试点。而我国的阴极保护管理工作主要是管道所有权的公司进行,所以缺乏统一的管理标准。阴
11、极保护的管理工作应该从头抓起,注重每个环节的工作,这样才能提高阴极保护的管理水平。首先就要了解有关阴极保护的相关的技术规范和标准。第3章 阴极保护相关技术规范与标准只有了解阴极保护的相关的技术规范与标准,才能从根本上抓住阴极保护的管理中的要点,否则无从谈气提高阴极保护的管理水平。现在有关这方面的标准很多,下面就列出以下国内外的主要标准。3.1国外有关阴极保护的标准1DIN EN 13636-2004 Cathodic protection of buried metallic tanks and related piping (地下金属罐和相关管道的阴极保护)。2ISO 15589-1-200
12、3 Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems - Part 1: On-land pipelines(石油和天然气工业.管道运输系统的阴极保护.第1部分:陆地管线)。3DIN EN 13509-2003 Cathodic protection measurement techniques(阴极保护测量技术)。4. BS EN 13509-2003 Cathodic protection measurement techniques(阴极保护测量方法)
13、。5. ASTM B 843-1993(2003) Standard Specification for Magnesium Alloy Anodes for Cathodic Protection(阴极防腐法用镁合金阳极的标准规范)。6.NACE TM0497-2002 Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems Item (埋地或水下金属管道系统阴极保护准则的测试方法)。3.2 国内有关阴极保护的标
14、准1. SY/T0019-1997埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范2. SY/T0023-1997埋地钢质管道阴极保护参数测量方法3. SYJ0007-1999钢质管道及储罐防腐蚀工程设计规范4.在用埋地压力管道定期检验规程(讨论稿);5. SY/T6553-2003管道检验规范在用管道系统检验、修理、改选和再定级6. SYJ 4006-90长输管道阴极保护工程施工及验收规范第4章 阴极保护类型的选择及其经济性的分析阴极保护与涂层的联合保护可取得巨大的经济效益与社会效益,日益被人们所公认,逐渐被人们所接受,并在管道、贮罐的建设中做到了与主体工程同时勘察、设计、施工和投产。实施任何一个工程时
15、都要考察其经济性,阴极保护工程也不例外,下面就介绍一下影响阴极保护工程经济性的因素。41影响强制电流阴极保护的经济性的因素按我国石油行业标准SYJ36-89埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范对辅助阳极接地电阻没有明确规定,只是提出应与所用的仪器设备相匹配。接地电阻是阴极保护电能消耗的主要部位,约占6080%,有人曾做过电能消耗的分配实验见表2。表2阴极保护电能消耗不同部位保护站条件电能消耗分配总电阻0.8输出32连接导线接地电阻管道12.5%62.5%25.0%阳极电能的消耗主要是用在克服接地电阻上,接地电阻越小,则消耗越小。从这点出发,为了达到这一目的,阳极装置必然过于庞大,或要做必要的处
16、理,则经济上是不可取的。究竟取多大为宜,苏联规定该值应小于0.5,事实证明,当阳极埋设处的土壤电阻率小于10时,一般阳极结构可以达到这一标准。如电阻率高,则阳极结构要十分庞大,甚至无法达到这一标准。现在多使用难溶高硅铸铁阳极,要求阳极工作电流密度应控制在580/2范围内,接地电阻可以不受此限制。目前我国生产的阴极保护专用仪器,恒电位仪的规格有限,选用时要注意与阴极保护系统的电阻相匹配。从表1可知,三部分中以阳极接地电阻占主要部分,又是可变部分,如何使它们之间相匹配,主要是看经济的合理性。42影响牺牲阳极阴极保护的经济性的因素目前牺牲阳极多以成组布置,一组45支或更多不等,阳极间距23,从现场测
17、试结果表明,4支一组阳极发出的电流之和远小于单支发生电流的4倍,其原因也是由于阳极电场的相互影响,多支汇流一点与管道相连必然造成电场的屏蔽,影响阳极电流的输出。因此,论文建议采用单支分散布置会消除电场影响,使电位分布非常均匀,这对涂层略差的管道更显示出其优越性,这样设计牺牲阳极块的 位置也是最经济的。43保护电流需要量的确定使被保护金属停止腐蚀所需要电流密度值,一般的确定方法是用被保护物体表面的几何面积与总电流相除求得。最小保护电流密度值主要根据被保护金属的类别、腐蚀介质成分,相对运动速度、温度、表面涂层或阴极沉积膜性质、完整性的接触电阻来决定,由于上述条件不同,最小保护电流密度数值变化幅度很
18、大,从最小几/2到最大几百/2。在上面列举的诸因素中,影响地下管道最小保护电流密度大小的主要因素是管道防腐涂层的性质、结构和完整性、及防腐层的电阻值。从实际工程观测得知:裸钢管所需的最小保护电流密度经验值为550/2,埋入混凝土内钢筋最小保护电流密度经验值2A/2。阴极保护电流密度的选取是设计成败的关键。只有了解不同防腐层所需要的保护电流密度值,才能做到少花钱做好事的要求。第5章 阴极的运行管理5.1阴极保护投用前的管理(一)阴极保护投用前对被保护管道的检查1.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,必须确保管道的各
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