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燃氣管道強制電流陰極保護

  
評論: 更新日期:2013年08月10日


二、輔助陽極地床

  輔助陽極是在陰極保護裝置中,將保護電流從外加直流電源引入土壤中的導電體,外加電流通過輔助陽極輸送到埋地的被保護金屬管道的表面,金屬體陰極極化。
  (一)輔助陽極
  強制電流用輔助陽極多選用電子型導體材料。選用輔助陽極主要應考慮成本、電化學性能和機械性能等因素。這些因素是相互關聯(lián)的。具
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圖10-36 太陽能陰極保護系統(tǒng)
1—太陽能電池方陣 2—充電控制器 3—蓄電池組 4—陰極保護控制裝置 5—連接電纜


  體材料的選擇不只是涉及到總費用,而且還必須考慮陰極保護系統(tǒng)的初期費用和被保護設備及陰極保護裝置在設計壽命期間的維護、運行及更新費用。
  適合作輔助陽極材料的導電體應具備以下條件:
  1.具有良好的導是性能,能通過較大的電流量,極化小。
  2.與土壤或地下水接觸時具有穩(wěn)定的接觸電阻。
  3.化學穩(wěn)定性好,陽極本身的消耗低。
  4.機械性能了,便于加工和安裝。
  5.來源廣、價格低廉。
  輔助陽極材料分為如下幾大類:
  稀有金屬在:以鉑為主,其基材可分為鉭、鈦、鈮等。
  黑色金屬類:以廢鋼鐵、高硅鑄鐵為主要代表。
  鉛系材料:以鉛銀合金、鉛鉑為主要代表。
  碳素材料:以石墨為主要代表。
  有色金屬材料:以鋁、鋅為主、也可當作輔助陽極用。
  另外還有復合式陽極。
  在土壤和淡水中,應用最多是廢鋼鐵、石墨及高硅鑄鐵材料。
  廢鋼鐵是用于強制電流輔助陽極最早的陽極材料。其優(yōu)點是來源廣,價格便宜,常使用報廢的舊裝置;其缺點是消耗率高,可達9~10kg/A·a。鋼鐵陽極的工作電流密度不必限制,在運行時以鐵的電解腐蝕為主要陽極反應,所以在電極上析出氣體很少,沒有“氣阻”問題。
  高硅鑄鐵材料問世于1912年,長期以來作為化學工業(yè)的耐蝕材料應用。其主要成分為:14%Si,0.7%Mn,0.95%C,余量為鐵。在陽極條件下工作的硅鑄鐵,表面生成二氧化硅膜,滲透性很好,是良好的電子導體。但高硅鑄鐵耐鹵素的性能很差,所以它的使用應限制在含C1-小于萬分之二的環(huán)境中。為了改善耐C1-的能力,可在高硅鑄鐵中添加1%~3%的鉻,稱之為高硅鉻鐵。自1959年以來,它已廣泛應用于海水或含氯化物的土壤環(huán)境中。其典型成分為:14.4%Si,0.7GMn,1.0%C,4.25%Cr,余量為鐵。高硅鑄鐵在應用中,應注意“氣阻”和搬運中的脆斷。
  高硅鑄鐵陽極一般為圓柱形,可使陽極的腐蝕均勻。它又有空心與實心之分,空心陽極的利用率比較高。
  對陽極引出線有限制的原因,是為了減小接線的電阻。因此也對引出導線的截面有16mm2的要求,以便在陰極保護進行中,使電能的消耗大部分用于被保護金屬的防護。根據規(guī)范,陽極引出線的接觸電阻應小于0.01Ω,其拉脫力值應大于陽極自身重量的1.5倍。接頭應密封可靠,陽極表面應無明顯的缺陷。
  高硅鑄鐵陽極使用性能與常用規(guī)格見表10-53和表10-54。
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表10-53 高硅鑄鐵陽極使用性能
種類允許電流密度/(A/m2)消耗率/(kg/A·a)使用環(huán)境
高硅鑄鐵陽極50~80<0.5土壤、淡水
高硅鉻鐵陽極50~80<0.5含氯離子土壤、海水

表10-54 常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格
序號陽極規(guī)格陽極引出線規(guī)格參考質量/kg
直徑/mm長度/mm截面積/mm2長度/mm
150150016>100022
275150016>100035
3100150016>100080


  石墨陽極是公認的耐蝕材料,也是微溶性材料。尤其是耐氯性能好,因此可應用于海水和含氯化物的土壤中。但由于它質脆。安裝不方便,在使用上頗受限制。近年來多用樹脂浸漬石墨以增強其機械性能,這種石墨稱為不透性石墨。但不透性石墨電阻較大,陽極表面電流分布不均勻,在電流集中處易斷裂。
  我國在地下電纜和長輸管道的防護中,均使用了石墨陽極。石墨陽極在加拿大、美國等應用較廣泛。從1927年使用起,至今已有較長的歷史。
  石墨陽極的石墨化程度應大于或等于81%、灰分應小于0.5%。石墨陽極宜經亞麻油或石蠟浸漬處理。石墨陽極的主要性能指標見表10-55,常用規(guī)格見表10-56。
  石墨陽極的陽極引出線接觸電阻應小于0.01Ω,拉脫力數值應大于陽極自身重量的1.5倍。且接頭應密封可靠。
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表10-55 石墨陽極的主要性能
密度/(g/cm3)電阻率/(Ω·mm2/m)氣孔率(%)消耗率/(kg/A·a)允許電流密度/(A/m2)
1.7~2.29.5~11.025~30<0.65~10

表10-56 常用石墨陽極規(guī)格
序號陽極規(guī)格陽極引出線規(guī)格參考質量/kg
直徑/mm長度/mm截面積/mm2長度/mm
175100016>100010
2100145016>100023
3150145016>100051


  為提高耐蝕性,可用樹脂浸漬。用亞麻油浸漬則可降低氣孔,抑制可能引盧的陽極脹裂或過早失效、表面氣體的析出及碳的氧化。浸漬后的陽極壽命可延長約 50%。
  石墨陽極不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸鹽離子較高的地方長期使用。如厙拿大薩斯喀溫省東南,20年期間已有數百個陽極地床被損壞,經過土壤分析確認,是硫酸鹽的浸蝕性所致,使陽極使用的壽命僅為2~3年。
  磁性氧化鐵陽極是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型難溶性陽極材料。主要是用磁鐵礦和鐵氧體經高溫燒結制成磁性氧化鐵粉末。再采用專門的鑄造技術,將磁性氧化鐵粉末鑄成中空有底的圓柱陽極。
  磁性氧化鐵具有消耗低、使用壽命長、受溫度變化影響小的優(yōu)點。
  磁性氧化鐵的主要成分(質量分數)是:Fe3O492%~93%(FeO約占30%,Fe2O約占 62%~63%),SiO24%~6%。CaO、MgO、Al2O3分別占0.1%~1%。
  為了在整個陽極表面得到盡量均勻的電流密度,整個內表面鍍一層銅。
  陽極長度約800mm,外徑60mm,壁厚5~10mm。磁性氧化鐵陽極的電阻率很低,反允許通過的電流密度約20~50A/h·m2,消耗率為0.02~0.15kg/A·a。其機械性能與高硅鐵相似,也具有硬、脆的特點。在日本、加拿大、瑞典都有應用。特別是適用于土壤中,也可用于海水和淡水中。因此,被認為是今后外加電流陰極保護中最具前途的陽極材料。
  常用的陽極材料特性見表10-57。
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表10-57 輔助陽極材料及性能
陽極材料主要成分消耗率/(kg/A·a)允許電流密度(A/m2)
高硅鑄鐵Si14.5%,Dr4.5%0.1~1.05~80
石墨C0.4~1.35~10
磁性氧化鐵Fe3O40.003~0.008100~1000
鋼鐵Fe9.1~1.0?


  上述陽極材料是在陰極保護中技術成熟、使用普遍的輔助陽極材料,在我國也廣泛應用(除磁性氧化鐵外)。各國均根據本國資源及技術條件來選用陽極材料。如在海水中金屬構筑物的防護,美國過去用石墨陽極,后來用鍍鉑鈦陽極,近年來開始采用鉑鈀合金陽極;英國采用鍍鉑鈦、鉛銀合金,近年來在試驗鍍鉑鉭;日本則采用鉛銀合金和鉛鉑復合電極。
  (二)參比電極
  陰極保護中經常需要測量和控制設備的電位,使其處于保護電位之內。要測量電位,就需要一個已知電位的相對標準的電極,將待測電位與之比較。這種電極稱為參比電極,即參比電極是一種電位恒定的基準電極。在測量中,用這個電極的電位差來表示被測物的電位值。參比電極除電位穩(wěn)定外,還應具有易于制作、便于攜帶、電位精確、重復性好、測量方便、壽命較長及價格便宜的特點。
  在陰極保護中常選擇可逆電極來做參比。如甘汞電極(中性介質中)、硫酸電極(土壤、中性介質)、氯化銀電極(海水、氯離子穩(wěn)定的中性介質中)、氧化汞電極(堿性介質)等。以上幾種電極都是電極材料和帶有特種電解液組成的半電池電極。這種電極較貴,發(fā)裝易損壞,使用不方便。還有一種固體電極,是由電極材料直接與腐蝕介質組成的半電池,常用的是金屬和一些合金材料,如不銹鋼、碳銅、鋅、鎂等。這種固體參比電極牢固耐用,使用、安裝方便,但穩(wěn)定度、精確度都不如可逆電池。使用前,要先講行標定。
  國內陰極保護多采用可逆不極化硫酸銅參比電極,用硫酸銅參比電極和恒電位儀組成自控信號源。但由于液體硫酸銅參比電極的密封性難以保證,且需要經常添加硫酸銅溶液,冬季又容易凍結,影響了恒電位儀的連續(xù)自動控制,所以,國外也采用固體電極作恒電位儀的參比電極。如鎂電極和鋅電極。在固定環(huán)境中使用其極化值可以保證要求的精度,但使用中要有填料來保證電極電位的穩(wěn)定性。
  長壽命埋地型硫酸銅電極由兩部分組成:電極本身與為改善電極工作環(huán)境的填包料。用這種導電填包料來取代便攜式液體CuSO4電極中的飽和硫酸銅溶液,克服了溶液的滲漏問題。
  導電填包料主要成分為石膏粉、硫酸鈉和膨潤土,其作用為:
  石膏粉:微溶可塑性材料??稍诔睗駰l件下長期保證SO-24的濃度,改善了土壤環(huán)境的離子污染程度。
  硫酸鈉:改善填料的導電能力,降低電阻率。
  膨潤土:遇潮膨脹并能長期保持濕度,使電極在工作中長期和土壤結合緊密,永久維持濕潤。
  總之,填包料隔絕了電解液滲漏的渠道,并使電極永遠處于潮濕糊狀,有利于電極的工作,其效力可達10年以上。
  這種參比電極已在少數輸油管道進行了償試,實際壽命還有待進一步探測。長壽命埋地型參比電極,克服了液體便攜式參比電極每1個月,甚至1個星期就要加1次液,每兩年就更換1次電極的缺點。其優(yōu)點是安裝后可用幾年甚至10年再更換,節(jié)約人力物力,同時還使測量精度提高,降低IR降,也為陰極保護在無人地區(qū)的推廣使用提供了前提。
  (三)輔助陽極地床回填料
  焦炭碴主要成分是碳,它是輔助陽極的理想回填料。多孔且導電良好,用于填包高硅鑄鐵陽極、石墨陽極可避免“氣阻”,并起到加大陽極尺寸,減小陽極拉地電阻,延長陽極壽命的作用。
  回填焦炭的顆粒度是應用中的關鍵。顆粒太大,則呈現大的局部接觸電阻,導致不均勻的消耗;顆粒太細,對避免“氣阻”不利。有時可填加一些化合物來改善工作性能,例如加10%的熟石灰來阻止因電滲透造成的濕度損失的趨勢,有時在非常干燥的條件下可使用硫酸鈣。
  由于使用回填焦炭把電解型導電轉化為電子型導電,使得陽極消耗由陽極主體轉到焦炭上,以生成CO和CO2為主要反應,大大降低了陽極體的消耗率。當完全氧化反應時,其焦炭的消耗為1.0kg/A·a,而實際的消耗率只有0.25kg/A·a,這主要取決于環(huán)境條件。
  典型的焦炭回填料見表10-58中。
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表10-58 焦炭回填料特性
顆粒度(過篩)25mm占8%電阻率50Ω·cm-
20~25mm占34%化學成分>85%
16~20mm占39%水分<5%
10~16mm占17%揮發(fā)性物質<1%
10mm占2%灰分<8%
密度約580kg/m3-<1%

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