第七章 腐蚀控制

Vol.7.5 选材、腐蚀试验及腐蚀控制

7.5.3  覆盖层保护

7.5.3.7 压力容器阴极保护体系的设计

容器内的阴极保护可用来弥补防腐涂层的局部缺欠，有效地抑制浸水表面的腐蚀，从而控制腐蚀的发生，而不能修复已产生的腐蚀破坏。应根据投资额、维护、覆盖层的类型和状况、有无经济可靠的电源及系统的使用和检修年限和检修周期，进行阴极保护体系的系统设计。

阴极保护设计取决于容器的内部结构和覆盖层的质量。牺牲阳极系统的设计应确保阳极在设计寿命内阴极保护的有效性和可靠性。良好的防腐涂层质量是保证牺牲阳极正常工作和正常寿命的关键。阳极的设计寿命应与设备的检验周期相匹配，一般为大于6年。采用牺牲阳极保护时，被保护的容器内壁应具有良好的绝缘性覆盖层，新的覆盖层的电阻不小于10000Ω?m2，否则（如采用了导静电涂层或无覆盖层）不宜采用牺牲阳极。旧覆盖层根据需要决定。

当容器内有裸露的金属填、无内防腐涂层的压力容器中不宜采用阴极保护。

如被保护设备接管外部采用了阴极保护，则接管与设备本体应根据需要设置绝缘接头或绝缘法兰。在有分隔室或挡板、隔板、烟管的容器中，每个与腐蚀液体接触的分隔室至少要安装1个阳极。若容器无法装设对整体有效的阴极保护系统时，必须改进或重新设计容器的内部结构，让阳极到达需要阴极保护的部位。

01 保护准则

正常情况下的阴极保护效果应达到下列指标之一或全部。

i.碳钢被保护金属表面相对于饱和Cu/CuSO4（CSE）参比电极的阴极极化电位应低于-850mV（或，饱和甘汞电极（-780mV）、银/氯化银电极（-800mV）、锌电极（+250mV））。测量时，必须考虑“IR”降的影响，以便对测量结果做出准确评价。可以采用近参比电极法（距测试表面距离小于30mm）或瞬时断电法等其他方法消除IR降；

ii.被保护金属表面对于CSE的阴极极化电位差最小为-100mV，这一参数可以是极化建立或衰减过程中的数据；

iii.对于有应力腐蚀开裂倾向的介质材质组合，此时的阴极保护极化电位应比-850mV（Vs.CSE）更负。含硫化物介质（如H2S），保护电位应负于-950mV（Vs.CSE）；

iv.带有内覆盖层的容器的保护电位应尽可能保持在最小电位附近。为避免被保护体覆盖层产生阴极剥离，阴极保护的电位不应过负，低于-1100 mV（Vs.CSE）时可能引起覆盖层破坏；

v.内壁阴极保护的测点应设在容器内中心及罐壁的上、中、下处。可采用挂片试验来监测阴极保护的效果，试样必须与容器材质相同并与容器电连通，用挂片试验的失重来评价保护效果；

vi.阴极保护效果要求达到保护率100％、保护度大于85％，强制电流保护的运行率大于98％。

02 阴极保护的设计

i.阴极保护系统的选择。如果保护电流大或介质电阻高，一般选用强制电流保护。强制电流保护系统通常比牺牲阳极系统需要更多的检测和维护，使用恒电位仪系统可以减少欠保护或电力消耗过多，以及过保护引起覆盖层剥离的现象。为控制每个阳极的输出电流，各阳极应单独与直流电源联接。

当无电源或不能获得经济的电源、保护电流较小时，应采用牺牲阳极阴极保护系统。无论采用哪种形式的保护，都必须保证介质与阳极的化学性质相匹配，并考虑罐内构件的复杂性对保护电流分布的影响。

ii.阴极保护系统设计时应考虑下列因素：

-容器的设计（可接近性、缝隙、屏蔽区域）；

-覆盖层的类型、现状和将来状况；

-不同牺牲阳极的驱动电位、材料及规格、阳极的寿命及更换方法；

-辅助设备；

-参比电极的位置；

-遭受破坏的可能；

-水质分析报告。

iii.牺牲阳极阴极保护系统设计之前，应获取下列有关资料：

-容器的尺寸，包括进出口、内构件、各独立区域；

-连续或间歇浸水表面积和表面状况，包括罐内构件与腐蚀介质接触的所有面积；

-保护电流密度；

-水质分析变化范围、电导率和pH值。

-介质流速；

-覆盖层的类型、状况和寿命，覆盖层表面电阻；

-介质温度范围，极端温度；

-其他有关资料，包括容器的寿命和使用情况及连接方式。

iv.设计保护电流密度不宜低于10mA?m-2；其中，涂装的钢表面保护电流密度范围应为10～30mA?m-2；含有去极化剂（如H2S和O2）和较高温度的环境下，需要较高的电流密度和较低的保护电位；

v.参比电极宜为长效CSE电极。参比电极的引入口必须与阳极入口同时安装，在每个分隔室，参比电极应尽可能远离阳极，以求尽可能确保测得的钢表面电位具有代表性。这些引入口一般焊在每个分隔室容器壁上，并装配1个全开式专用阀门，以方便参比电极的插入和取出。参比电极也可通过取样口放入，也可使用能承受相应温度和压力的参比电极永久安装在容器中。

vi.罐内阳极的分布应符合下列规定：

-阳极块应均匀分布；

-阳极块的下表面与罐底板的距离应不小于50mm；

-在水相接管出口部位应适当增加牺牲阳极。

-牺牲阳极设计应采用专业厂提供的定型产品。

vii.一般情况下，应进行现场腐蚀评价和前期设计勘测；

viii.牺牲阳极设计应综合考虑材料费、安装费、维修费，达到技术上、经济上最优。

03 牺牲阳极阴极保护系统的设计

牺牲阳极阴极保护系统的输出电流设计应符合下列要求：

i.牺牲阳极阴极保护系统必须能够提供足够的电流，满足系统设计寿命内保护容器的最低标准，包括预期的覆盖层失效；

ii.保护电流密度应根据裸露表面在实际介质中的试验实测值计算，牺牲阳极输出的总电流应按覆盖层破损20％时达到完全保护所需的电流密度计算。要注意介质成分、流速、温度和pH值等对保护电流密度的影响；

iii.输出电流是由驱动电位与回路电阻计算得出；

iv.应考虑介质的温度和电导率的改变而引起的回路电阻的变化。最大回路电阻应根据牺牲阳极消耗85％时的结构形状进行计算。

04 牺牲阳极选择应符合下列要求:

i.牺牲阳极由镁及镁合金、锌及锌合金或专用铝合金制造。

当介质电阻率大于100Ω?cm时，适合采用镁及镁合金牺牲阳极。当介质电阻率小于100Ω?cm时，适合采用铝合金牺牲阳极，使用铝合金牺牲阳极时，应考虑铝合金牺牲阳极产生的腐蚀产物可能在容器内沉积，造成堵塞。锌阳极一般不用于容器中，因为锌阳极的驱动电位随温度的上升而降低，并在温度高于54℃时可能发生极性逆转，成为钢的阴极；

ii.阳极材料不影响介质的用途；

iii.牺牲阳极应有一钢芯贯穿整个长度，用以固定阳极。

iv.牺牲阳极的技术条件应符合GB/T 21448的技术要求。

v.牺牲阳极的布置及安装应符合下列要求：

-牺牲阳极的布置应能保证提供均匀的电流分布；

-牺牲阳极的安装，应防止其在高流速、排污时受到损坏，并应注意结冰对牺牲阳极的影响。

05 牺牲阳极阴极保护系统的监测和测试应符合下列要求:

i.被保护的设备，宜在外部安装固定测试箱，并配有连接长效参比电极和罐体的接线端子；

ii.牺牲阳极与罐体应在接线盒内电连通。

iii.如牺牲阳极直接与罐体连接，参比电极应置于已知的涂层漏点（约5cm2）附近，远离最近的阳极，使IR降影响最小。

目前，国内钢质容器内壁多采用牺牲阳极阴极保护方法，且多是把阳极直接固定在罐体上，无测试系统。因此，牺牲阳极阴极保护的效果也无法测量。

06 牺牲阳极寿命设计时应符合下列要求:

i.用额定的运行电流密度和消耗率计算牺牲阳极的寿命；

ii.计算牺牲阳极的寿命时，牺牲阳极的利用系数不超过85％。

07 牺牲阳极阴极保护用电缆及焊接应符合下列要求：

i.与牺牲阳极连接的电缆，应用焊接方法连接，焊接处应绝缘密封；

ii.电缆与容器应用焊接连接；

iii.电缆接头应使用高压连接器或焊接方式连接；

iv.容器内的测试电缆应适用于介质的侵蚀。

08 牺牲阳极的安装

i.牺牲阳极阴极保护系统的施工应按施工图和相关规范进行，如需变更，必须经设计方书面认可，所有变更均应记录在案；

ii.阴极保护系统安装前应按下列要求进行检查和处理：

-检查阳极材料、规格、导线长度及连接方式是否符合设计规范，确保阳极无损坏。电缆连接牢固，导线绝缘层无损坏；

-长效参比电极应按产品说明书进行测试和验收，并用标准参比电极进行校准。如有差异，应记录差值；

iii.牺牲阳极的安装应符合下列要求：

-接线盒应安装在安全易接近处；

-严防电缆磨损或割伤，确保电缆与储罐或护管之间不短路；

-牺牲阳极直接固定在罐体时，不得使用铜螺栓。焊接或螺栓连接时，焊缝和螺栓处必须采取可靠的绝缘密封。

09 运行及维护

i.牺牲阳极阴极保护系统应进行测试和调整，使其连续工作并提供有效的罐-水电位。

ii.牺牲阳极阴极保护系统应进行测试和维护，包括：

-通常情况下，牺牲阳极阴极保护系统应进行年度测试；

-应对系统进行测试确定是否满足保护准则，如不满足应调整回路电阻值；

-长效参比电极在断电条件下进行校核，如电位差值显著，应更换。

iii.当开罐检修时，应对阳极进行检查，更换损坏的阳极，同时检查阳极的消耗，当阳极消耗接近85％或不能工作到下一个检修周期时，应更换；

iv.应记录容器全部资料及使用情况，包括：

-容器设计、制造、安装标准和设计、制造、安装单位和日期；

-容器材质、尺寸、简图及容量；

-装置名称、容器位号；

-投用日期；

-覆盖层体系、表面处理及材料，覆盖层修补及更换记录；

-容器检修记录；

-容器的建造及相关维护费用；

-覆盖层和阴极保护的有效性。

v.应记录介质的全部数据，包括：

-水位的变化情况；

-水质分析报告（pH、温度、电导率、矿化度、Cl-、溶解氧、二氧化碳、硫化氢等）；

-水腐蚀性测试报告；

-缓蚀剂等药剂的使用情况；

-介质流量；

-清罐情况。

iv.应记录阴极保护系统安装及设计的全部资料，包括：

-牺牲阳极的规格和数量；

-牺牲阳极的成分、型号和制造商；

-长效参比电极的种类、型号和制造商；

-导线和阳极支撑；

-电路示意图；

-单个牺牲阳极电阻和并联电阻；

-带开关的接线箱；

-阳极投用日期、初始电流和电位。

vii.应保存所有的维修记录，包括：

-牺牲阳极输出电压、电流和罐-水电位月测及水面高度；

-年检报告；

-维修费用（含覆盖层费用、阴极保护检修费用）。

10 强制电流阴极保护系统

i.电源

强制电流阴极保护对直流电源的要求能满足长期不间断供电。一般情况下应采用整流器或恒电位仪供电。

直流电源设备应配置适当的保护和监测设备，电源设备应在全电压范围内既可手动又可自动控制。有覆盖层的容器内壁应采用自动强制电流系统，用恒电位仪施加阴极保护，调节罐-水电位在给定的电位值，电源输出的电流应能在额定值的0～100％之间连续可调，电源应能自动调节电流输出，使罐-水电位维持在给定值的±25mV之内。参比电极的电位漂移应在±10mV之内。

直流电源设备的输出电流可根据保护面积和保护电流密度计算。有覆盖层时，输出电流密度可按覆盖层破损20％时达到完全保护所需的电流密度计算。

直流电源设备的输出电压取决于电流密度和回路电阻，应考虑系统寿命期内导线压降和阳极对水产生的压降。

ii.辅助阳极设计时应考虑下列因素：

-辅助阳极宜均布在罐内，数量、直径及长度的选择应满足设计电路的电阻和电流要求；

-设计中应防止辅助阳极与罐体表面短路；

-防止阳极及罐内结冰。

辅助阳极材料有高硅铸铁、石墨、陶瓷或钛镀铂、钛涂氧化物等不溶性阳极材料，材料的选择应适合其使用的环境。消耗的阳极材料不能污染介质。

辅助阳极寿命取决于所用材料的消耗速率、重量以及系统输出的电流，设计应明确阳极的使用寿命。

iii.强制电流阴极保护系统的设计应考虑长效参比电极的布置

iv.强制电流阴极保护辅助阳极的支撑及连接导线应有最佳的经济寿命。对于悬挂的辅助阳极系统，应提供检修孔或安装相应的设备，检修孔应设防护罩。

水平安装的辅助阳极系统一般置于水面以下，不需提供检修孔，但要有放水装置。

容器外面的所有导线均应加装保护管，罐内辅助阳极导线可设成明线。

v.强制电流阴极保护系统的安装

强制电流阴极保护系统的施工安装应依据施工图和相关规范进行，如需变更，必须经设计方书面认可。所有变更均应记录在案；

vi.阴极保护系统安装前应进行下列检查和处理：

-检查直流电源，确保内部构件连接牢固，无损坏。直流电源参数应满足设计要求及相关规范；

-检查阳极材料、规格、导线长度及连接方式是否与设计规范一致。在检查和安装期间应避免损坏阳极。所有导线应确保绝缘层无损伤；

vi.阳极系统安装时应按下列要求进行

-安装电源时应将损坏的可能性降至最小；

-在交流回路中应安装1个外部断路开关，电源箱应接地；

-在无其他因素制约时，电源都宜安装于地上适当的高度，以便于维护保养；

-阳极电缆必须确保绝缘层无破损，所有电缆和接头必须防水。严防电缆割伤，确保电缆与容器或护管间无短路；

-阳极电缆应避免在水中接头，阳极主导线之间必须牢固连接且有良好的导电性，连接处必须做好防水密封。

vii.强制电流阴极保护系统的运行及维护

强制电流阴极保护系统必须保持连续运行，并根据保护准则调整到所需的罐-水电位。阴极保护系统应进行月检和年检。

月检应符合下列规定：

-每月检查一次电源设备；

-对手动控制体系，应测量电源的电压和电流及罐-水电位，如电位超出了正常范围，应查明原因并做相应调整；

-对于自控体系，应测量罐-水电位，如电位超出了正常范围，应查明原因并做相应调整；

-当腐蚀条件苛刻时应增加检查次数；

-参比电极必须定期校核，如偏差超过了±10mV，应更换。

年检应符合下列要求：

-每年对强制电流阴极保护系统的部件进行1次彻底的检查，应按要求对电源、阳极、导线及参比电极进行检测和更换；

-电源设备月检出的任何缺陷都要维护和更换。年检应包括检查所有的导线是否牢固，不受腐蚀的影响，如果需要，应对箱体和外壳进行涂漆，并定期清理灰尘；

-根据辅助阳极的设计寿命，更换辅助阳极。当罐内有结冰时，应在冰化后，更换阳极。如开罐检查，必须检查辅助阳极和导线的状况，记录覆盖层状况和腐蚀、结垢的情况；

-检查参比电极和连接导线，确定是否能连续运行到下次年检。所有导线和参比电极的连接点都应完全绝缘。

viii.应记录罐体的全部资料

容器全部资料及使用情况，包括：

-容器设计、制造、安装标准和设计、制造、安装单位和日期；

-容器材质、尺寸、简图及容量；

-装置名称、容器位号；

-投用日期；

-覆盖层体系、表面处理及材料，覆盖层修补及更换记录；

-容器检修记录；

-容器的建造及相关维护费用；

-覆盖层和阴极保护的有效性。

介质的全部数据，包括：

-水位的变化情况；

-水质分析报告（pH、温度、电导率、矿化度、Cl-、溶解氧、二氧化碳、硫化氢等）；

-水腐蚀性测试报告；

-缓蚀剂等药剂的使用情况；

-介质流量；

-清罐情况。

阴极保护系统安装及设计的全部资料，包括：

-电源容量（直流、交流）；

-辅助阳极数量及分布，阳极的成分、型号和制造商，阳极的设计寿命；

-长效参比电极的种类、型号和制造商；

-导线和阳极的安装方式；

-电路示意图；

-带开关的接线箱；

-阳极通电日期、初始电流和电位；

所有的维修记录，包括：

-每个阳极的阴极保护输出电压、电流和罐-水电位月测及水面高度；

-年检报告；

-所有修补及新增部件、维修费用（含覆盖层费用、阴极保护检修费用）。

ix. 阴极保护的安全

-在原油处理容器周围可能存在易燃易爆气体，必须采取措施避免产生电火花;

-在直流电源运行时，严禁将外加电流系统中的电缆与阳极接头断开，或者把阳极移开;

-在安装或维护含有油气的容器阴极保护系统前，必须按常规预防措施防火防爆;

-在含硫化氢的容器中进行阴极保护系统监测或维修时，必须采取预防措施;

-直流电源外壳、外部交流电接线盒及所有相关的金属设备都必须安全接地;

-根据场所分类，确定是否采用防爆直流电源和电气设备;

-在用火焰加热的容器中，宜使用耐高温的密封垫来固定阳极。