第七章 腐蝕控制

Vol.7.5 選材、腐蝕試驗及腐蝕控制

7.5.3  覆蓋層保護

7.5.3.7 壓力容器陰極保護體系的設計

容器內的陰極保護可用來彌補防腐涂層的局部缺欠，有效地抑制浸水表面的腐蝕，從而控制腐蝕的發生，而不能修復已產生的腐蝕破壞。應根據投資額、維護、覆蓋層的類型和狀況、有無經濟可靠的電源及系統的使用和檢修年限和檢修周期，進行陰極保護體系的系統設計。

陰極保護設計取決于容器的內部結構和覆蓋層的質量。犧牲陽極系統的設計應確保陽極在設計壽命內陰極保護的有效性和可靠性。良好的防腐涂層質量是保證犧牲陽極正常工作和正常壽命的關鍵。陽極的設計壽命應與設備的檢驗周期相匹配，一般為大于6年。采用犧牲陽極保護時，被保護的容器內壁應具有良好的絕緣性覆蓋層，新的覆蓋層的電阻不小于10000Ω?m2，否則（如采用了導靜電涂層或無覆蓋層）不宜采用犧牲陽極。舊覆蓋層根據需要決定。

當容器內有裸露的金屬填、無內防腐涂層的壓力容器中不宜采用陰極保護。

如被保護設備接管外部采用了陰極保護，則接管與設備本體應根據需要設置絕緣接頭或絕緣法蘭。在有分隔室或擋板、隔板、煙管的容器中，每個與腐蝕液體接觸的分隔室至少要安裝1個陽極。若容器無法裝設對整體有效的陰極保護系統時，必須改進或重新設計容器的內部結構，讓陽極到達需要陰極保護的部位。

01 保護準則

正常情況下的陰極保護效果應達到下列指標之一或全部。

i.碳鋼被保護金屬表面相對于飽和Cu/CuSO4（CSE）參比電極的陰極極化電位應低于-850mV（或，飽和甘汞電極（-780mV）、銀/氯化銀電極（-800mV）、鋅電極（+250mV））。測量時，必須考慮“IR”降的影響，以便對測量結果做出準確評價?？梢圆捎媒鼌⒈入姌O法（距測試表面距離小于30mm）或瞬時斷電法等其他方法消除IR降；

ii.被保護金屬表面對于CSE的陰極極化電位差最小為-100mV，這一參數可以是極化建立或衰減過程中的數據；

iii.對于有應力腐蝕開裂傾向的介質材質組合，此時的陰極保護極化電位應比-850mV（Vs.CSE）更負。含硫化物介質（如H2S），保護電位應負于-950mV（Vs.CSE）；

iv.帶有內覆蓋層的容器的保護電位應盡可能保持在最小電位附近。為避免被保護體覆蓋層產生陰極剝離，陰極保護的電位不應過負，低于-1100 mV（Vs.CSE）時可能引起覆蓋層破壞；

v.內壁陰極保護的測點應設在容器內中心及罐壁的上、中、下處?？刹捎脪炱囼瀬肀O測陰極保護的效果，試樣必須與容器材質相同并與容器電連通，用掛片試驗的失重來評價保護效果；

vi.陰極保護效果要求達到保護率100％、保護度大于85％，強制電流保護的運行率大于98％。

02 陰極保護的設計

i.陰極保護系統的選擇。如果保護電流大或介質電阻高，一般選用強制電流保護。強制電流保護系統通常比犧牲陽極系統需要更多的檢測和維護，使用恒電位儀系統可以減少欠保護或電力消耗過多，以及過保護引起覆蓋層剝離的現象。為控制每個陽極的輸出電流，各陽極應單獨與直流電源聯接。

當無電源或不能獲得經濟的電源、保護電流較小時，應采用犧牲陽極陰極保護系統。無論采用哪種形式的保護，都必須保證介質與陽極的化學性質相匹配，并考慮罐內構件的復雜性對保護電流分布的影響。

ii.陰極保護系統設計時應考慮下列因素：

-容器的設計（可接近性、縫隙、屏蔽區域）；

-覆蓋層的類型、現狀和將來狀況；

-不同犧牲陽極的驅動電位、材料及規格、陽極的壽命及更換方法；

-輔助設備；

-參比電極的位置；

-遭受破壞的可能；

-水質分析報告。

iii.犧牲陽極陰極保護系統設計之前，應獲取下列有關資料：

-容器的尺寸，包括進出口、內構件、各獨立區域；

-連續或間歇浸水表面積和表面狀況，包括罐內構件與腐蝕介質接觸的所有面積；

-保護電流密度；

-水質分析變化范圍、電導率和pH值。

-介質流速；

-覆蓋層的類型、狀況和壽命，覆蓋層表面電阻；

-介質溫度范圍，極端溫度；

-其他有關資料，包括容器的壽命和使用情況及連接方式。

iv.設計保護電流密度不宜低于10mA?m-2；其中，涂裝的鋼表面保護電流密度范圍應為10～30mA?m-2；含有去極化劑（如H2S和O2）和較高溫度的環境下，需要較高的電流密度和較低的保護電位；

v.參比電極宜為長效CSE電極。參比電極的引入口必須與陽極入口同時安裝，在每個分隔室，參比電極應盡可能遠離陽極，以求盡可能確保測得的鋼表面電位具有代表性。這些引入口一般焊在每個分隔室容器壁上，并裝配1個全開式專用閥門，以方便參比電極的插入和取出。參比電極也可通過取樣口放入，也可使用能承受相應溫度和壓力的參比電極永久安裝在容器中。

vi.罐內陽極的分布應符合下列規定：

-陽極塊應均勻分布；

-陽極塊的下表面與罐底板的距離應不小于50mm；

-在水相接管出口部位應適當增加犧牲陽極。

-犧牲陽極設計應采用專業廠提供的定型產品。

vii.一般情況下，應進行現場腐蝕評價和前期設計勘測；

viii.犧牲陽極設計應綜合考慮材料費、安裝費、維修費，達到技術上、經濟上最優。

03 犧牲陽極陰極保護系統的設計

犧牲陽極陰極保護系統的輸出電流設計應符合下列要求：

i.犧牲陽極陰極保護系統必須能夠提供足夠的電流，滿足系統設計壽命內保護容器的最低標準，包括預期的覆蓋層失效；

ii.保護電流密度應根據裸露表面在實際介質中的試驗實測值計算，犧牲陽極輸出的總電流應按覆蓋層破損20％時達到完全保護所需的電流密度計算。要注意介質成分、流速、溫度和pH值等對保護電流密度的影響；

iii.輸出電流是由驅動電位與回路電阻計算得出；

iv.應考慮介質的溫度和電導率的改變而引起的回路電阻的變化。最大回路電阻應根據犧牲陽極消耗85％時的結構形狀進行計算。

04 犧牲陽極選擇應符合下列要求:

i.犧牲陽極由鎂及鎂合金、鋅及鋅合金或專用鋁合金制造。

當介質電阻率大于100Ω?cm時，適合采用鎂及鎂合金犧牲陽極。當介質電阻率小于100Ω?cm時，適合采用鋁合金犧牲陽極，使用鋁合金犧牲陽極時，應考慮鋁合金犧牲陽極產生的腐蝕產物可能在容器內沉積，造成堵塞。鋅陽極一般不用于容器中，因為鋅陽極的驅動電位隨溫度的上升而降低，并在溫度高于54℃時可能發生極性逆轉，成為鋼的陰極；

ii.陽極材料不影響介質的用途；

iii.犧牲陽極應有一鋼芯貫穿整個長度，用以固定陽極。

iv.犧牲陽極的技術條件應符合GB/T 21448的技術要求。

v.犧牲陽極的布置及安裝應符合下列要求：

-犧牲陽極的布置應能保證提供均勻的電流分布；

-犧牲陽極的安裝，應防止其在高流速、排污時受到損壞，并應注意結冰對犧牲陽極的影響。

05 犧牲陽極陰極保護系統的監測和測試應符合下列要求:

i.被保護的設備，宜在外部安裝固定測試箱，并配有連接長效參比電極和罐體的接線端子；

ii.犧牲陽極與罐體應在接線盒內電連通。

iii.如犧牲陽極直接與罐體連接，參比電極應置于已知的涂層漏點（約5cm2）附近，遠離最近的陽極，使IR降影響最小。

目前，國內鋼質容器內壁多采用犧牲陽極陰極保護方法，且多是把陽極直接固定在罐體上，無測試系統。因此，犧牲陽極陰極保護的效果也無法測量。

06 犧牲陽極壽命設計時應符合下列要求:

i.用額定的運行電流密度和消耗率計算犧牲陽極的壽命；

ii.計算犧牲陽極的壽命時，犧牲陽極的利用系數不超過85％。

07 犧牲陽極陰極保護用電纜及焊接應符合下列要求：

i.與犧牲陽極連接的電纜，應用焊接方法連接，焊接處應絕緣密封；

ii.電纜與容器應用焊接連接；

iii.電纜接頭應使用高壓連接器或焊接方式連接；

iv.容器內的測試電纜應適用于介質的侵蝕。

08 犧牲陽極的安裝

i.犧牲陽極陰極保護系統的施工應按施工圖和相關規范進行，如需變更，必須經設計方書面認可，所有變更均應記錄在案；

ii.陰極保護系統安裝前應按下列要求進行檢查和處理：

-檢查陽極材料、規格、導線長度及連接方式是否符合設計規范，確保陽極無損壞。電纜連接牢固，導線絕緣層無損壞；

-長效參比電極應按產品說明書進行測試和驗收，并用標準參比電極進行校準。如有差異，應記錄差值；

iii.犧牲陽極的安裝應符合下列要求：

-接線盒應安裝在安全易接近處；

-嚴防電纜磨損或割傷，確保電纜與儲罐或護管之間不短路；

-犧牲陽極直接固定在罐體時，不得使用銅螺栓。焊接或螺栓連接時，焊縫和螺栓處必須采取可靠的絕緣密封。

09 運行及維護

i.犧牲陽極陰極保護系統應進行測試和調整，使其連續工作并提供有效的罐-水電位。

ii.犧牲陽極陰極保護系統應進行測試和維護，包括：

-通常情況下，犧牲陽極陰極保護系統應進行年度測試；

-應對系統進行測試確定是否滿足保護準則，如不滿足應調整回路電阻值；

-長效參比電極在斷電條件下進行校核，如電位差值顯著，應更換。

iii.當開罐檢修時，應對陽極進行檢查，更換損壞的陽極，同時檢查陽極的消耗，當陽極消耗接近85％或不能工作到下一個檢修周期時，應更換；

iv.應記錄容器全部資料及使用情況，包括：

-容器設計、制造、安裝標準和設計、制造、安裝單位和日期；

-容器材質、尺寸、簡圖及容量；

-裝置名稱、容器位號；

-投用日期；

-覆蓋層體系、表面處理及材料，覆蓋層修補及更換記錄；

-容器檢修記錄；

-容器的建造及相關維護費用；

-覆蓋層和陰極保護的有效性。

v.應記錄介質的全部數據，包括：

-水位的變化情況；

-水質分析報告（pH、溫度、電導率、礦化度、Cl-、溶解氧、二氧化碳、硫化氫等）；

-水腐蝕性測試報告；

-緩蝕劑等藥劑的使用情況；

-介質流量；

-清罐情況。

iv.應記錄陰極保護系統安裝及設計的全部資料，包括：

-犧牲陽極的規格和數量；

-犧牲陽極的成分、型號和制造商；

-長效參比電極的種類、型號和制造商；

-導線和陽極支撐；

-電路示意圖；

-單個犧牲陽極電阻和并聯電阻；

-帶開關的接線箱；

-陽極投用日期、初始電流和電位。

vii.應保存所有的維修記錄，包括：

-犧牲陽極輸出電壓、電流和罐-水電位月測及水面高度；

-年檢報告；

-維修費用（含覆蓋層費用、陰極保護檢修費用）。

10 強制電流陰極保護系統

i.電源

強制電流陰極保護對直流電源的要求能滿足長期不間斷供電。一般情況下應采用整流器或恒電位儀供電。

直流電源設備應配置適當的保護和監測設備，電源設備應在全電壓范圍內既可手動又可自動控制。有覆蓋層的容器內壁應采用自動強制電流系統，用恒電位儀施加陰極保護，調節罐-水電位在給定的電位值，電源輸出的電流應能在額定值的0～100％之間連續可調，電源應能自動調節電流輸出，使罐-水電位維持在給定值的±25mV之內。參比電極的電位漂移應在±10mV之內。

直流電源設備的輸出電流可根據保護面積和保護電流密度計算。有覆蓋層時，輸出電流密度可按覆蓋層破損20％時達到完全保護所需的電流密度計算。

直流電源設備的輸出電壓取決于電流密度和回路電阻，應考慮系統壽命期內導線壓降和陽極對水產生的壓降。

ii.輔助陽極設計時應考慮下列因素：

-輔助陽極宜均布在罐內，數量、直徑及長度的選擇應滿足設計電路的電阻和電流要求；

-設計中應防止輔助陽極與罐體表面短路；

-防止陽極及罐內結冰。

輔助陽極材料有高硅鑄鐵、石墨、陶瓷或鈦鍍鉑、鈦涂氧化物等不溶性陽極材料，材料的選擇應適合其使用的環境。消耗的陽極材料不能污染介質。

輔助陽極壽命取決于所用材料的消耗速率、重量以及系統輸出的電流，設計應明確陽極的使用壽命。

iii.強制電流陰極保護系統的設計應考慮長效參比電極的布置

iv.強制電流陰極保護輔助陽極的支撐及連接導線應有最佳的經濟壽命。對于懸掛的輔助陽極系統，應提供檢修孔或安裝相應的設備，檢修孔應設防護罩。

水平安裝的輔助陽極系統一般置于水面以下，不需提供檢修孔，但要有放水裝置。

容器外面的所有導線均應加裝保護管，罐內輔助陽極導線可設成明線。

v.強制電流陰極保護系統的安裝

強制電流陰極保護系統的施工安裝應依據施工圖和相關規范進行，如需變更，必須經設計方書面認可。所有變更均應記錄在案；

vi.陰極保護系統安裝前應進行下列檢查和處理：

-檢查直流電源，確保內部構件連接牢固，無損壞。直流電源參數應滿足設計要求及相關規范；

-檢查陽極材料、規格、導線長度及連接方式是否與設計規范一致。在檢查和安裝期間應避免損壞陽極。所有導線應確保絕緣層無損傷；

vi.陽極系統安裝時應按下列要求進行

-安裝電源時應將損壞的可能性降至最??；

-在交流回路中應安裝1個外部斷路開關，電源箱應接地；

-在無其他因素制約時，電源都宜安裝于地上適當的高度，以便于維護保養；

-陽極電纜必須確保絕緣層無破損，所有電纜和接頭必須防水。嚴防電纜割傷，確保電纜與容器或護管間無短路；

-陽極電纜應避免在水中接頭，陽極主導線之間必須牢固連接且有良好的導電性，連接處必須做好防水密封。

vii.強制電流陰極保護系統的運行及維護

強制電流陰極保護系統必須保持連續運行，并根據保護準則調整到所需的罐-水電位。陰極保護系統應進行月檢和年檢。

月檢應符合下列規定：

-每月檢查一次電源設備；

-對手動控制體系，應測量電源的電壓和電流及罐-水電位，如電位超出了正常范圍，應查明原因并做相應調整；

-對于自控體系，應測量罐-水電位，如電位超出了正常范圍，應查明原因并做相應調整；

-當腐蝕條件苛刻時應增加檢查次數；

-參比電極必須定期校核，如偏差超過了±10mV，應更換。

年檢應符合下列要求：

-每年對強制電流陰極保護系統的部件進行1次徹底的檢查，應按要求對電源、陽極、導線及參比電極進行檢測和更換；

-電源設備月檢出的任何缺陷都要維護和更換。年檢應包括檢查所有的導線是否牢固，不受腐蝕的影響，如果需要，應對箱體和外殼進行涂漆，并定期清理灰塵；

-根據輔助陽極的設計壽命，更換輔助陽極。當罐內有結冰時，應在冰化后，更換陽極。如開罐檢查，必須檢查輔助陽極和導線的狀況，記錄覆蓋層狀況和腐蝕、結垢的情況；

-檢查參比電極和連接導線，確定是否能連續運行到下次年檢。所有導線和參比電極的連接點都應完全絕緣。

viii.應記錄罐體的全部資料

容器全部資料及使用情況，包括：

-容器設計、制造、安裝標準和設計、制造、安裝單位和日期；

-容器材質、尺寸、簡圖及容量；

-裝置名稱、容器位號；

-投用日期；

-覆蓋層體系、表面處理及材料，覆蓋層修補及更換記錄；

-容器檢修記錄；

-容器的建造及相關維護費用；

-覆蓋層和陰極保護的有效性。

介質的全部數據，包括：

-水位的變化情況；

-水質分析報告（pH、溫度、電導率、礦化度、Cl-、溶解氧、二氧化碳、硫化氫等）；

-水腐蝕性測試報告；

-緩蝕劑等藥劑的使用情況；

-介質流量；

-清罐情況。

陰極保護系統安裝及設計的全部資料，包括：

-電源容量（直流、交流）；

-輔助陽極數量及分布，陽極的成分、型號和制造商，陽極的設計壽命；

-長效參比電極的種類、型號和制造商；

-導線和陽極的安裝方式；

-電路示意圖；

-帶開關的接線箱；

-陽極通電日期、初始電流和電位；

所有的維修記錄，包括：

-每個陽極的陰極保護輸出電壓、電流和罐-水電位月測及水面高度；

-年檢報告；

-所有修補及新增部件、維修費用（含覆蓋層費用、陰極保護檢修費用）。

ix. 陰極保護的安全

-在原油處理容器周圍可能存在易燃易爆氣體，必須采取措施避免產生電火花;

-在直流電源運行時，嚴禁將外加電流系統中的電纜與陽極接頭斷開，或者把陽極移開;

-在安裝或維護含有油氣的容器陰極保護系統前，必須按常規預防措施防火防爆;

-在含硫化氫的容器中進行陰極保護系統監測或維修時，必須采取預防措施;

-直流電源外殼、外部交流電接線盒及所有相關的金屬設備都必須安全接地;

-根據場所分類，確定是否采用防爆直流電源和電氣設備;

-在用火焰加熱的容器中，宜使用耐高溫的密封墊來固定陽極。