阴极保护规范.docx
《阴极保护规范.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阴极保护规范.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
阴极保护规范
阴极保护规范
美国腐蚀工程师协会美国腐蚀工程师协会标准RP0100-2000
国际腐蚀协会第21090号条款
标准
推荐规范
预应力混凝土圆筒管线的阴极保护
本NACE国际标准代表了那些已经评阅过本文件及其范围和条款的个体会员的一致意见。
本标准的接受范围决不排斥那些与本标准不一致的加工制造、市场营销、采购或产品应用、工艺或流程，不论其采用本标准与否。
本标准没有任何内容可被解释为通过暗示或其它方式对于涉及由专利保护的方法、仪器或产品的加工制造、销售或使用进行授权，或对于任何侵犯专利特许权责任的行为进行赔偿和保护。
本标准陈述的是最低要求，但决不可以解释为限制使用更好的工艺和材料。
本标准也并非适用于与此类问题相关的所有情况。
在某些特殊实例不可预见的情况下，本标准可能是无效的。
国际NACE不对非本机构对本标准的解释说明及应用承担责任，仅对依据国际NACE管理程序和政策出版发行的国际NACE官方解释说明资料承担责任，且不包括个人诠释的出版发行物。
所有使用本标准的用户在应用本标准之前，必须对有关健康、安全、环境和规范性的文献进行认真阅读，从而确定本标准的可适用性。
NACE国际标准没有必要对涉及到关于应用本标准中推荐或提及的材料、设备和（或）操作中潜在的健康问题、安全问题和环境危害进行详述。
所以，使用NACE国际标准的用户，在应用本标准之前有责任采取适当的健康、安全和环境保护措施；在必要的情况下，可以向相关领域的权威专家进行咨询，以满足遵守已有的相关规范制度的要求。
注意事项：
NACE国际标准属于定期更新性资料，有时会在没有事先通知的情况下可能对标准中的内容进行必要的修订或撤销。
NACE国际标准通常要求，自本标准最初出版发行日期起不超过五年，要对标准的有关内容进行重新审定、修订或撤销；因此，用户应当及时获取本标准的最新版本资料。
购买使用本标准的用户，可以通过与美国防腐工程师协会会员服务部联系来获取所有标准的最新信息和其它NACE国际出版发行资料。
联系方式：
美国腐蚀工程师协会国际会员服务部，邮政信箱218340，休斯顿,德克萨斯州77218-8340（电话+1〔281〕228-6200）。
批准2000-01-14
NACE国际
邮政信箱218340
休斯顿,德克萨斯州72218-8340
+1281/228—6200
ISBN1-57590-096-3
2000,国际NACE
前言
本标准给出了关于预应力混凝土圆筒管（PCCP）防腐控制的阴极保护技术的推荐规范，目的在于为从事该领域的工程设计技术人员提供指南。
本标准中推荐的规范适用于有或没有充分防护涂层的新建或已建埋地管线。
本标准中所推荐的规范应在有资格从事埋地或水下金属管线腐蚀控制的专业人员指导下应用。
这些人员可以是通过NACE注册的专业工程师，或被NACE确认的腐蚀专家或阴极保护专家，上述人员的专业活动应包括有足够预应力混凝土结构阴极保护工作的经验。
本标准由美国腐蚀工程师协会T-10A-28任务组编订完成，该组为T-10A专业委员会的一个专业从事阴极保护的部门。
为了提供本主题各个方面的专家意见和吸取所有对此感性趣的团体的建议，T-10A-28任务组由以下人员组成：
防腐顾问、咨询工程师、建筑师、阴极保护工程师、研究员、管线业主以及来自工业和政府机构的代表。
本标准是在T-10地下腐蚀控制委员会的赞助下，由美国腐蚀工程师协会出版发行。
NACE国际
标准
推荐规范
预应力混凝土圆筒管线（PCCP）的阴极保护
1.总则……………………………………………………………………………………………1
2.定义……………………………………………………………………………………………2
3.阴极保护要求的确定…………………………………………………………………………3
4.阴极保护标准…………………………………………………………………………………4
5.阴极保护系统的设计…………………………………………………………………………5
6.阴极保护系统的安装…………………………………………………………………………11
7.阴极保护系统的启动与调节…………………………………………………………………13
8.阴极保护系统的运行与维护…………………………………………………………………14
9.阴极保护纪录…………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………………………17
引用文献…………………………………………………………………………………………17
图表目录
图1：
极化作用图……………………………………………………………………………1
图2：
100毫伏极化衰减……………………………………………………………………4
图3：
典型接头跨接
图3A：
内部跨接电缆…………………………………………………………………8
图3B：
跨接夹………………………………………………………………………8
图3C：
用钢片在外部跨接电缆………………………………………………………9
图3D：
用改造后的锚块在外部跨接电缆………………………………………………9
图3E：
跨接夹……………………………………………………………………10
图3F：
跨接条……………………………………………………………………10
图3G：
跨接电缆……………………………………………………………………10
第一章总则
1.1引言
1.1.1由于混凝土和预应力钢丝具有相似的热力学膨胀系数，而且混凝土通常对钢材有良好的防腐保护功能，所以通常认为它们是可兼容的材料。
由于硅酸盐水泥的强碱性，使包裹在混凝土中的钢筋表面形成了一层稳定的、可减缓腐蚀的钝化氧化膜。
如果钢筋表面没有这层的钝化氧化膜、或者钝化氧化膜遭到削弱或破坏的话，钢筋则容易遭到腐蚀。
1.1.2当存在如下情况时，如钢筋没有完全被包裹在混凝土中、由于混凝土与侵蚀性气体（或液体）发生了化学反应而丧失强碱性、存在其他侵蚀性离子或过量的氯化物等，混凝土中钢筋表面的这种保护性的氧化膜将难以形成或会遭到破坏。
如果出现了上述一种或多种情况，钢筋将会由于与湿气和氧发生接触而发生腐蚀现象。
1.1.3电化学腐蚀电池是造成金属构筑物腐蚀的基本原因。
一个电化学腐蚀电池包括四个组元,即:
阳极，发生氧化反应的电极；阴极，发生还原反应的电极；金属路径，由
电子流动所形成电流的通道；电解质（如混凝土空隙中的溶液），作为离子流动形成电流的水介质。
只要消除上述四个组元当中一个，就能够防止腐蚀现象的发生。
1.1.4在电化学腐蚀电池反应中，可以通过测量电位（电压）方式来确定阴极区和阳极区的相对位置。
这可以通过测量浸入电解液中的金属和一个稳定的参比电极间的电位（电压）来实现。
这项技术也可以用于衡量阴极保护的效能。
1.2阴极保护
1.2.1阴极保护理论可由腐蚀的电化学基本原理进行完整的解释。
阴极保护就是将被保护的金属表面作为电化学腐蚀电池的阴极来减缓金属表面腐蚀的一项技术（见图1）。
E0a：
阳极区域的平衡或开路电位
E0c：
阴极极区的平衡或开路电位
Ea,p：
阳极区极化电位（实际结构中可观测到的电位）
Ec,p：
阴极区极化电位（实际结构中可观测到的电位）
图1极化图
摘自NACE标准RP0290（最新版）“增强空气暴露钢筋混凝土结构的阴极保护”（休斯顿，德克萨斯州：
美国腐蚀工程师协会）。
1.2.2对于已经出现了腐蚀现象的预应力混凝土圆筒管线，可以采用阴极保护的方法来控制腐蚀的进一步加剧。
然而，阴极保护并不能代替已经损失的钢材或者将已腐蚀的钢材恢复到原横断面上。
1.2.3为达到充分阴极保护目的，要求单节PCCP内部和相邻PCCP之间的金属元件电连续。
注：
有关详细信息可以查阅本书后所附的相关参考文献。
1.3本标准的目的是为建立阴极保护系统最低要求提供指南，可适用于如下情况：
1.3.1新管线：
由于包裹在混凝土中钢筋的表面形成了一层惰性保护膜，通常不需要采取阴极保护措施。
但是，应对管线进行定期监测以确定是否有腐蚀现象的发生。
1.3.2已有管线：
应该对其进行详细研究，以确定已有管线遭受剧烈腐蚀的范围。
当这些研究表明，腐蚀将影响管线的安全运行或经济运行时，应采取适当的腐蚀控制措施，其中也可包括阴极保护措施。
1.3.3阴极保护措施的实施和维护只有在调查表明正在发生腐蚀，且能够确定足够的电连续已经存在或可被建立的状况时进行。
1.4有时存在阴极保护无效或部分有效的特殊条件，比如在受到临近结构的屏蔽作用的情况下。
只要负责腐蚀控制的人员能够充分证明本标准中强调的目标已经达到，在一些待殊情况下与本标准有所不符是允许的。
1.5只有保持本标准内容的完整性，才能精确而又正确的应用本标准。
如果仅使用或参考本标准中特定的段落或章节，将会导致对本标准中的建议和规范的曲解和误用。
由于埋地或水下管线暴露后的情况复杂，本标准不能为每种情况都规定出专门的规程。
第二部分定义
阳极：
电化学电池的电极，在此电极上发生氧化反应。
在外电路中电子从阳极流出，通常在此电极发生腐蚀并有金属离子进人溶液。
衰减：
电流在导体中流动引起的电量损失。
阴极：
电化学电池的电极，在该极上以发生还原反应为主，在外电路中电子流向阴极。
阴极保护：
是一项通过将金属表面作为电化学电池中的阴极来减小金属表面腐蚀的技术。
连续性跨接：
是指提供可导电结构（构筑物）间电连续性的金属连接。
去极化：
在电化学电池中，电流阻力因素的去除。
电连续：
与其他金属元件或结构电连接状况。
电绝缘：
与其他金属构筑物或环境呈电气隔离的状态。
电调查：
为得到用来推断与腐蚀或腐蚀控制相关的特定电化学条件的基础信息所采用的电测量措施。
电解质：
含有在电场中可迁移离子的化学物质。
启动（开）：
是指阴极保护系统的开始通电运行的初始过程。
外部构筑物：
除被指定为目标系统一部分以外的任何金属结构。
牺牲阳极：
一种金属，由于其在电偶序中的相对位置，当其在电解质中与比其在电偶序中更惰性的金属或金属组偶接时能提供保护。
这种阳极是阴极保护中电子来源。
氢脆：
金属由于吸收氢而导致的韧性损失。
强制电流：
由供电设备强加于阴极保护装置电极系统的电流（如阴极保护中使用的直流电（DC））。
瞬断电位：
当外加电流停止后电极的瞬间极化电位；非常接近于当电流存在时的理想电位降值。
干扰：
电流流经非预期的结构时产生的作用。
IR降：
依据欧姆法则，电流通过电阻时的电压降。
极化：
因电流流过电极与电解质界面而导致的电极电位与开路电位的偏差。
极化衰减：
由于施加电流的中断而引起的电极电位随时间的下降。
极化电位：
通过构筑物电解质界面的电位，等于腐蚀电位与阴极极化电位之和。
预应力混凝土：
内部具有一定大小和分布的应力的混凝土，该应力产生于设备加载到预期度；在PCCP中，预应力是通过张拉以螺旋形式缠绕在混凝土芯或钢筒上的预应力钢丝产生的。
整流器：
将交流电流转换成直流电流的电气装置。
参比电极：
在相似的测量条件下开路电位是可认为是恒定不变的电极，常用来测量其它电极的相对电位。
反向电流开关：
防止金属导体中直流电流发生反向的装置。
跨步和可触电位：
存在于电介质表面距离为一步或一米的两点间的电位坡降，或接地金属物体与距人通常可触及距离（一米）的电介质表面一点间的电位梯度降。
杂散电流：
在非预期回路中通过的电流。
杂散电流腐蚀：
由非指定回路电流而引起的腐蚀。
比如外来土壤电流引起的腐蚀。
第三章阴极保护需求的确定
3.1本章推荐了确定埋地或水下预应力混凝土圆筒管线的阴极保护法腐蚀控制必要性的判断准则。
3.2确定阴极保护措施实施的必要性，可由下列的一组或多组基础数据来决定：
腐蚀检测、运行和维护纪录、目视检查、类似管线类似环境条件下的测试结果、紧密时间间隔的电位测量、在线检测、工程和设计规范、以及运行、安全和经济上的要求。
3.2.1影响阴极保护必要性的环境和物理因素包括如下几点：
3.2.1.1管线的腐蚀速率；
3.2.1.2与设计规范相关的管道工作压力和土壤覆盖；
3.2.1.3相对于其它有关设施的管线位置；
3.2.1.4系统以外的杂散电流源；
3.2.1.5土壤的电阻系数、pH、氯和硫的浓度。
3.2.2影响阴极保护需求的经济因素包括如下几点：
3.2.2.1在管线预期的使用期限内管道系统的维护费用；
3.2.2.2腐蚀事故的意外费用，比如公共责任索赔要求、财产损坏索赔要求、自然设施的损坏、清理场地环境的费用、由于使用的中断而造成收入的损失、管道系统的更换费用的损失；
3.2.2.3腐蚀控制的费用，比如为避免已知的腐蚀条件而使管道移位、管道系统的重新修补、应用其它腐蚀控制方法、应用选择的或禁止的回填、为限制可能的电偶作用而采用的电绝缘。
3.2.3在某些条件下，施用阴极保护并不可取，比如：
当施用的是预应力Ⅳ类线时。
Ⅳ类线是指预应力线拉伸力高于ASTM
（1）A648中给定的Ⅲ类线的最大拉伸力。
在ASTM
（1）A648中并没有提及Ⅳ类线。
第四章阴极保护的标准
4.1本章中列出了作为阴极保护和PCCP管线腐蚀控制指南的标准。
本章中的准则是通过实验室经验论证和（或）通过成功运行的阴极保护系统中得到的数据评价所证实的。
应采用可靠的工程实践确定满足这些准则所需要的测试方法和次数。
4.1.1100mv的极化建立/衰减：
预应力线和任何其它需要保护的金属预埋件在腐蚀区域的阴极极化电位值最小为100mv。
4.1.1.1极化建立可以通过对比测量应用电
流之前基线电位和已经应用电流一段时间之后的极化电位（无IR降或瞬断）来确定。
IR降是指中断阴极保护电流时瞬时产生的电位转换。
钢筋的瞬时转换电位就作为极化电位。
图2将IR降描述为开路电流和瞬时断开电流之间的电位差。
极化建立则是基线电位与极化电位之间的差。
结合实践来考虑，极化建立准则的满足可能经过在应用电流之后的数秒、数分钟、几小时、几天、几周、或几个月的时间。
4.1.2以铜－铜硫酸盐作参比电极（CSE）时，极化电位负于-1000毫伏将可以防止氢的生成和高强度预应力线可能出现的氢脆现象。
在pH值为12.4的坚硬灰浆中，如果极化电位超过-1044mv（CSE）的话，将会在金属表面有氢产生。
和任何其它来源（包括腐蚀反应）的在管线上流动阴极电流一样，阴极保护电流也能够产生氢。
产生的原子氢能进入金属线，从而导致金属的韧性下降。
当暴露在低pH值环境中，金属表面在正电位更高时就能够生成氢。
当出现这种情况时，最大容许极化电位应当降低。
然而，当pH随着阴极电流的流动而升高时，-1000mv的最大极化电位也可以应用。
4.1.3极化电位建立或衰减少于4.1.1节中的100mv标准时，就可能足以提供充分的阴极保护。
4.1.4可以通过长时间的目视检查来证实阴极保护的有效性。
而这些方法有时并不实用，所以满足本章中一条或几条准则，即可证明已经达到了充分的阴极保护。
当出于因某些原因挖出管道时，应检查管道腐蚀情况和防护层状况。
第五章阴极保护系统的设计
5.1本章推荐了能满足第4章所列的一项或几项准则，提供有效腐蚀控制的阴极保护系统的设计步骤；并将对超过预期运行寿命的阴极保护系统运行的最大可靠性进行分析。
5.2在阴极保护系统的设计过程中，必须充分考虑到下列问题：
5.2.1识别主要的建议安装位置、材料的规格和选择、安装运行的危害条件，以确保阴极保护系统能够可靠、安全、经济的安装和在预期寿命运行期内运行，并提供阳极系统定期更换。
5.2.2材料及安装操作要求符合适用的标准，如由NFPA
（2）发布的国家电气规程（NEC），由NEMA（3）和NACE发布的相关标准，还有其他适用的规程和标准。
5.2.3阴极保护系统安装位置的选择应当保证埋地或水下金属构筑物产生有害影响的电流或大地电位梯度最小，以免造成对其它埋地或水下金属结构的有害影响。
5.2.4通过与附近管线、电气输送线路以及其它系统操作人员进行联合调查，以认定彼此均满意的干扰问题解决方案。
钢材的杂散电流腐蚀有别于其它由直流引起的腐蚀破坏，它对管线而言属于外源引起的腐蚀。
对怀疑有干扰电流存在的区域，应当进行检测，并对阴极保护系统进行相应的修改。
5.2.5避免过高的电压和电流，以免析氢而危害预应力线。
上述所需要考虑的因素以及保护性电流的配给能力决定了电源的必需间隔。
5.2.6限制整流器输出以提供安全的跨步和接触电压。
5.2.7准备设计或施工图、详细资料、定量的罗列出每个阴极保护安装的方案、详细的阳极布局、有关的典型截面、材料和尺寸公差、以及元件在预应力混凝土圆筒管线上的位置。
5.2.8所有经过、穿过或临近保护管线的金属的绝缘情况。
在阴极保护系统设计中，应当充分考虑电气绝缘或其它措施以避免杂散电流腐蚀。
（2）国际电气制造业协会（NFPA），1BatterymarchPark,Quincy,MA02269-9101。
（3）国家电子顾问委员会（NEMA）,1300N.17thSt.,Ste.1847,Rosslyn,VA22209。
5.2.9对供给管线的电流，要求有足够的随时间变化的容限和充分的电流分布，以便于可以有效地达到所选用阴极保护标准的要求。
5.2.10在干扰或损伤可能性最小的位置安装阳极和整流器。
5.2.11为测试和评价系统性能提供充分的监测设施。
通常应用便携式参比电极来测量可能存在的电位，除了某些受实际条件限制的情况。
例如沥青或其它非导电性材料的公路，或接近阴极保护的表面非常困难而受到限制的情况。
在这些情况下，可以考虑在可接近测试点安装永久性参比电极。
5.3有关设计所用的信息资料：
5.3.1下列有关管线的详细说明、图纸和操作规范的资料：
（a）线路图和地图集；
（b）建筑日期；
（c）管子、配件和其它附件；
（d）砂浆涂层、保护层和薄膜；
（e）外部覆盖层；
（f）腐蚀控制测试站点；
（g）电气绝缘装置；
（h）管线断面内部或管线断面之间的电跨接；
（i）架空、管桥和水下穿越。
5.3.2与管道系统现场条件有关的资料如下：
（a）已有的和规划的阴极保护系统；
（b）可能存在的干扰来源；
（c）特殊环境条件，如地下水位置；
（d）相邻的埋地金属构筑物（包括位置、所有权和腐蚀控制方法）；
（e）管线的可接近性；
（f）电源的可利用性；
（g）与外部构筑物电绝缘的可行性。
5.3.3现场调查、腐蚀测试数据和运行经验所获得的有用的资料如下：
：
（a）满足适用准则的保护电流需要量；
（b）电解质的电阻率；
（c）电连续性；
（d）电绝缘情况；
（e）外覆盖层的完整性；
（f）累计的泄漏历史；
（g）干扰电流；
（h）与施工技术要求不同之处；
（i）其它维护和运行数据。
5.3.4如果先前的经验和测试数据可用来评估电流需要量、电解质电阻率和其他设计因素，就不必在实际使用阴极保护之前非进行现场调查不可。
一些物理空间的可利用性、可接近性、维护的通行权、安全和其它建筑和维护方面的因素也应当予以考虑。
5.4阴极保护系统的类型：
5.4.1牺牲阳极系统
5.4.1.1牺牲阳极是用镁、锌和铝的合金材料制造。
阳极既可单独也可成组与管道连接。
牺牲阳极的电流输出受阳极对管道的驱动电压和电解质电阻率的限制。
5.4.2外加电流阳极系统
5.4.2.1强制电流用辅助阳极可以是石墨、高硅铸铁、贵金属、混合金属氧化物或钢等材料。
通过绝缘电缆把它们单独或成组地与直流电源（如整流器或发电机）的正极相连。
管道连到直流电源的负极。
5.5关于影响阴极保护系统类型选择因素主要有如下几点：
（a）保护性电流需要量；
（b）避免持续极化作用电位小于-1000mv（CSE）；
（c）对杂散电流导致管道和大地间明显的电位波动区不宜使用牺牲阳极；
（d）对邻近构筑物造成阴极保护干扰电流影响的地区不宜使用强制电流阴极保护系统；
（e）电源的可利用性；
（f）实际可利用的空间，与外部构筑物的靠近程度，获得通行权，地表条件，街道和建筑物的存在．穿越河流及其他安装和维护方面的因素；
（g）通行区域未来的发展和今后管道系统的扩大；
（h）安装、运行和维护的费用；
（i）环境的电阻率；
5.6影响阴极保护系统设计的因素：
5.6.1系统的设计将避免持续极化电位高于-1000mv（CSE）。
阳极的布置（深度和/或距离）必须达到一个平衡在被保护管线断面上的最少100mv的极化变换的情况下，极化作用电位不超过-1000mv（CSE）。
持续运行的极化电位高于-1000mv的话，可能会引起预应力管线的氢脆和保护失败。
5.6.2在给定环境中，从阳极表面输出同样的电流密度时，不同的阳极材料具有不同的消耗速率。
因此，针对给定的电流输出，阳极的寿命取决于环境条件、阳极材料、阴极保护系统中的单个阳极表面积、质量和阳极数量。
已有的阳极性能数据可用来计算大致的消耗率。
5.6.3阳极的尺寸、埋深、排列及电解质电阻率可用来计算阳极系统对电解质的电阻。
有关这些因素的公式和图表，可以从文献中或制造商处得到。
5.6.4牺牲阳极系统的设计应考虑阳极对管道电位、电解质电阻率、输出电流，以及特殊情况下的导线电阻。
不必对每个阳极或阳极系统单独设计。
5.6.5在大多数土壤中通过使用专门的回填料，可使牺牲阳极的性能得到改善。
最常用的是石膏、膨润土、和无水硫酸钠的混合物。
5.6.6通过在辅助阳极周围使用专用回填料，可以减少所需的阳极数量，延长使用寿命，最常用的材料是煤焦炭、燃烧石油焦炭及天然或人造石墨。
5.6.7在设计大范围的分布式阳极的强制电流系统时，应考虑沿阳极连接电缆（汇流电缆）的电压和电流的衰减。
在这种情况下，阳极系统的设计，应是使阴极保护的末端达到充分的腐蚀控制目标下的最佳的阳极系统长度、阳极间距和尺寸，以及电缆尺寸。
5.6.8在阳极反应生成的气体滞留可能削弱强制电流阳极地床释放电流能力的地方，应采取适当的阳极排气的措施。
对于系统同等的电流输出，增加专用回填料的表面积或增加阳极的数量可降低气阻。
5.7设计图和技术说明书
5.7.1应绘制足够的图纸，标明被保护管道的总体布置及结构构件、腐蚀控制测试站导电跨接、电绝缘装置和相邻的地下或水下金属构筑物等主要项目的所处位置。
5.7.2应绘制每个强制电流阴极保护设施的布置图，表示出阴极保护系统的各个部分
相对被保护管线和主要实际地标的细节和位置。
这些图纸应包括有关通行权的资料。
5.7.3牺牲阳极安装的位置应标记在图纸上，或记录在表格中，同时适当记载出阳极类型、重量、间距、埋深和回填。
5.7.4应制订阴极保护系统施工中所涉及的各种材料和安装作法的技术说明书。
5.8电连续性
5.8.1必须保证预应力线、钢圆柱面和临近管线断面的电连续性。
大多数情况下，预应力线与钢圆柱面在加工制造过程中是电连接的。
非焊接的管线衬垫装配接头通常不是电连续的。
管线接头处的电连续性可以通过以下两种方法来实现，穿越接头处的跨接或在预应力线上应用改造后的预应力线锚块进行连接。
典型的联接处理见图3。
管线的设计和加工图纸可用来确定是否在加工制造过程中预应力线与钢圆柱面的连接和是否在安装过程中管线接头进行连接。
凿除砂浆内衬
厚厚度＝0.340±cm（0.134±in.）
宽＝3.18±
升级会员 