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阴极保护应用技术
Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level.
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文件编号：KG-AO-8120-87 阴极保护应用技术
使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体、周密的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。

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(1) 阴极保护的基本参数
最小保护电流密度和最小保护电位是衡量阴极保护是否达到完全保护的两个基本参数。

外加阴极电流强度越大，被保护金属的腐蚀速度就越小，使金属停止腐蚀。

亦即达到完全保护时所需的最小电流值称为最小保护电流密度，此时的电位称为最小保护电位。

由于在实际工作条件下，往往很难直接测量被保护金属表面的电流密度，因此常以测定金属在所处介质中的电位值来评定其保护程度。

最小保护电流密度和最小保护电位都通过实验确定。

它们与被保护金属的种类、表面状态以及腐蚀介质的性质、浓度、温度、运动状况等因素有关。

(2) 阴极保护设计要点及原则
设计要点：
①确定合理的保护度。

阴极保护的保护效果以保护度Z表示：
式中Z——保护度；
V₁——未保护前金属的腐蚀速率；
V₂一—保护后金属的腐蚀速率。

一般阴极保护的效果随外加阴极电流的增大而增高，但并非按比例提高；当电流密度增大到一定程度后，再继续增加电流密度还会降低保护度。

如图5-3-7，碳钢在静止海水中，当i保=2mA/dm²时，已接近完全保护，如果将保护电流密度增大到62mA/dm²以上，则保护度
反而有所下降，这种现象称为“过保护”。

产生“过保护”不仅浪费电，而且还会使被保护金属表面因发生析氢，导致钢材“氢脆”；所以采用阴极保护时，并非任何场合都要求达到完全保护，其保护度应根据被
保护设备使用寿命与经常性消耗费(电能或护屏的消耗)等进行综合经济核算后确定。

②阳极材料的选择。

就护屏保护来说，阳极材料对保护效果的影响往往是起决定性作用的因素。

为了使被保护构件的表面获得足够的电流密度，要求护屏必须具有足够负的电位，并且极化性能愈小愈好；在使用过程中表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。

③护屏或辅助阳极的合理配置。

阳极配置是否恰当，对阴极保护效果影响很大，特别对于结构形状比较复杂的设备以及介质导电率不太高的场合尤为突出。

如果阳极配置不合理，则会发生电流的“遮蔽作用”。

遮蔽作用是由于电流有选择电阻最小的途径流动的特性，被保护设备上距离阳极最近的部位，电阻最小，将集聚很高的电流密度。

而离阳极较远的部位，往往不能获得足够的电流密度，致
使保护度降低，甚至完全得不到保护。

所以采用阴极保护的设备，其结构形状不宜太复杂，尤其要避免伸得较长的突出结构。

阳极的数量和配置应尽量做到与被保护结构的各部位的距离大致相等，使电流的分散均匀。

④要预留保护参数的监测点。

在实际保护条件下，金属表面的保护电流密度往往受各种因素的影响会有较大波动。

为了便于对保护参数进行测量和监控，在被保护设备上应预留保护参数的监测点，以便可测控设备上的保护电位。

设计原则：
①阴极保护应用条件：
a. 被保护的对象其整个长度上应是导电的，且导电性应足够的好。

b. 被保护的对象应处于同一电解质体系中。

c. 被保护的对象不应与有低接地电阻的设备电连通。

d. 被保护管道或容器应具有绝缘防腐层。

②阴吸保护系统设计的主要目标：
a. 对被保护金属提供足够的保护电流，并使保护电流的分布达到理想的保护效果。

b. 尽可能降低对邻近地下金属构筑物的干扰影响。

c. 设计的阴极保护系统，其寿命应与被保护金属的寿命相一致。

d. 阴极装置应设置在不易受干扰与损伤的地方。

③外加电流阴极保护的设计原则：
a. 在金属构筑物的外加电流阴极保护系统的设计中，对其保护范围要留有10%的余量，阳极的设计寿命应与被保护金属的设计要求相匹配，一般不宜小于20年。

b. 设计外加电流阴极保护时，应注意保护系统与外部金属构筑物之间的干扰影响，应采取必要的防护措施。

其直流电源的额定功率应留有50%的余量，其输出与回路的电阻相匹配。

④牺牲阳极阴极保护的设计原则：
a. 镁阳极适用于电阻率较高的土壤，当土壤(或水)电阻率小于10Ω·m，pH不大时不宜采用，在交流干扰地区应用镁阳极时应注意其电位的稳定性，防止极性逆转。

b. 铝阳极一般不在土壤中使用，但当土壤中氯离子浓度较高或在油田污水环境中可使用。

c. 锌阳极一般应用于土壤电阻率在15nΩ·m以下的环境。

当技术经济合理时，锌阳极的应用范围可扩大到土壤电阻率约30Ω·m的地点，当环境温度高于65%时严禁应用锌阳极，以免发生极性逆转。

d. 牺牲阳极在土壤中的应用应采用适合阳极工作的填包料，填包料厚度一般不小于1Omm，填包料的电阻率不大于1.5Ω·m，并宜选用袋装法埋设。

e. 阳极宜埋在潮湿的土壤中，深度不宜小于1m，在冻土地区应埋在冻土层以下。

f. 在阳极与被保护金属之间不得有其他金属体。

g. 牺牲阳极阴极保护法适应于有良好电绝缘覆盖层的金属体。

h. 牺牲阳极阴极保护法适应于金属容器的阴极保护。

保护金属容器内壁时，阳极应全部浸在腐蚀介质中，并尽量设置在每个分隔室的中心位置，以获得保护电流的均匀分布。

(3 )阴极保护的应用典型实例
①油气井套管保护中的应用。

某油田近年来对丛式井组多口油水井的套管进行阴极保护实践，取得了一定的经验。

其地面电器布置如图5-3-8所示，为减少对地面集输管线的影响，设计一个井组对应一口深阳极井，每个井组安装硅整流仪，配备电流控制分配器，各井阴阳极电缆线全部采用穿管埋深方式以保证安全，各井加装绝缘法兰实现套管的高保护电位，地面管线附近附加安装了接地排流装置以免造成地面干扰。

应用电位平衡方法以获取均衡的套管电位，采用E-lgI法，结合井口电位指标确定阴极保护所需电流，对井下套管实施阴极保护，取得了很好的保护效果，降低了开发成本。

阴极保护在油气井套管防腐蚀中还存在一定的问题，
其中最突出的问题是如何延长套管的保护深度，使深井和超深井的套管能得到全线有效的保护。

赵健等人对3000多米深的王59井套管的阴极保护电位的分布进行计算表明，即使增大阴极保护电流，仍然无法使该井套管的保护电位完全达到最小保护电位的标准。

⑦油气集输管线的应用。

外加电流阴极保护往往应用于油气输送管道上，在输送管线上选择适合的地点设计阴极保护站，其安装示意图见图5-3-9。

电源设备的选择用于强制电流的电源设备有整流设备、热电发生器、发电机、太阳能等，由于埋地金属管线处于构筑物/电解质的电位环境经常波动(杂散电流、介质流速、季节等多种因素影响)，应对比各类电源设备的适用性，选择适合的电源设备。

辅助阳极的选择辅助阳极的电化学性能、机械性
能、工艺性能以及阳极的形状布置方法等均对阴极保护的效果有重要的影响，必须合理地选用阳极材料。

辅助阳极的品种众多，基本上可分为难溶性阳极和可溶性阳极两大类。

可溶性阳极材料包括废钢铁、铝及其合金，难熔性阳极材料包括石墨、高硅铸铁、磁性氧化铁、铅银合金、铂系、钛基金属化合物。

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