CN104060279B - 牺牲阳极阴极保护系统的有效性判据及剩余寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牺牲阳极阴极保护系统有效性判据以及剩余寿命预测方法。该有效性判据以牺牲阳极临界接地电阻作为评价指标，对牺牲阳极阴极保护系统中整组牺牲阳极进行有效性评价，若有效，则计算其剩余寿命。该剩余寿命预测方法通过测量及计算获得阳极允许最小质量，服役阳极剩余质量，平均输出电流，从而得出牺牲阳极剩余寿命。与传统的阴保有效性评价方法相比，该有效性判据首次引入牺牲阳极临界接地电阻作为阴保有效性评价指标，使阴保有效性评价方法更加系统全面；同时，该发明也为阴极保护工程提供了一种简单有效的剩余寿命预测方法。

Description

牺牲阳极阴极保护系统的有效性判据及剩余寿命预测方法

发明领域

本发明涉及牺牲阳极阴极保护技术领域，特别涉及埋地金属管道牺牲阳极阴极保护系统的有效性以及牺牲阳极剩余寿命，主要用于全面系统地判断牺牲阳极阴极保护系统有效性，准确评估实际服役阴保系统中牺牲阳极剩余寿命，提高管道安全性。

背景技术

牺牲阳极阴极保护技术作为一种经济有效的防腐方法已经广泛用于城镇埋地金属管道防腐之中。而自对埋地管道采用牺牲阴极保护以来，最早使用的牺牲阳极已经接近阴保系统设计寿命，这些牺牲阳极是否能够继续保护管道，阴保系统是否仍然有效，若有效，其剩余寿命如何成了管道防腐工作者关注的问题。

对于阴保系统有效性判据，目前国内外普遍应用的是美国腐蚀工程师协会制定的NACE RP 0169-96标准中提出的三项判据：（1）阴保系统通电情况下，管道在消除欧姆电压降后等于或负于-850mV（CSE）,（2）被保护管道的瞬间断电电位应等于或负于-850mV（CSE），（3）管道的阴极极化值至少应达到100mV。这些判据均从阴极保护系统中管道保护参数出发，判断了任意阴极保护方式下阴极保护系统的有效性；而针对牺牲阳极阴极保护系统，特别是从牺牲阳极服役参数出发，来判断牺牲阳极阴极保护系统有效性的方法目前尚处于空白。本发明中引入阴保系统中牺牲阳极组及组内单支阳极服役参数，通过现场参数测量与理论计算相结合、管道所需保护距离与阳极服役参数相结合的方式，在无需断开阴保系统的前提下，判断牺牲阳极阴保系统有效性，为全面系统分析阴保系统有效性提供了一种合理有效的方法。而对于已经服役的阴保系统，能否有效运行至其设计寿命，如果可以，服役中阴保系统剩余寿命如何判断，国内尚未有人提出。因此，全面合理的阴保系统有效性判据以及用简单可行的方法准确预测阴保系统剩余寿命对保证阴保系统正常运行，确保管道安全性具有至关重要的意义。

发明内容

本发明要解决的问题在于完善现有埋地管道牺牲阳极阴保系统有效性评价方法，弥补阴保系统剩余寿命预测的空白，提供一种全面系统的阴保系统有效性判据，以及一种简单可行的未失效牺牲阳极阴极保护系统的剩余寿命预测方法。通过对牺牲阳极阴保系统中牺牲阳极服役性能、管道保护距离等服役参数的测量，评价阴保系统是否有效，预测其剩余寿命，从而判断阴保系统安全可靠性。

为了实现上述目的，提出了牺牲阳极阴极保护系统有效性判据以及剩余寿命预测方法。该有效性判据以阴保系统中牺牲阳极组及组内单支牺牲阳极临界接地电阻R_{z max}和R_{d max}为评价指标。根据阴极保护系统设计中管道所需最小保护距离L，管道外径D，以及管道涂层等因素确定的管道所需保护电流密度i，计算出牺牲阳极阴保系统整个阳极组临界接地电阻R_{z max}，由R_{z max}求得阳极组内单支阳极临界接地电阻R_{d max}。欲判据这一阴保系统中牺牲阳极是否有效，需先测量服役中阴极保护系统整组阳极接地电阻R_z，若R_z< R_{d max}，则阳极组有效；若R_z >R_{z max}，则阳极组失效。此时，需对组内单支阳极进行接地电阻R_d测量，若R_d <R_{d max}，则此支阳极有效；若R_d > R_{d max}，则此支阳极失效，需对该支阳极进行更换处理以保证阴保系统正常运行。

具体步骤如下：

步骤1.有效性判断：

1.1)测得测试牺牲阳极阴极保护系统的保护管道长L，内径d_p，外径D，管道埋深为t，所需保护电流密度i，管道最正极化电位值-0.85mV（CSE），土壤电阻率为；

1.2)选取合金牺牲阳极，长度为l，直径为d，构成阳极组，将阳极组铺设在管道中点处，组内共有n支阳极，n=1-10； 通过公式（1）计算可得管道所需最小保护电流I₀，

式中，D为保护钢管的外径，L为保护钢管长度，i为所需保护电流密度；

1.3根据公式（2）可得出阳极组临界接地电阻值R_zmax，

式中，I_{z min}为组内单支阳极最小输出电流， I_{z min}=I₀；ΔE 为阳极对管道驱动电压，ΔE=阳极失效前最正开路电位值（由标准SY/T 0019-97规定）-管道最正极化电位值,

单支阳极临界接地电阻R_{d max}=nR_{z max}；

步骤4：判据这一阴保系统中牺牲阳极是否有效，需先测量服役中阴极保护系统整组阳极接地电阻R_z，若R_z< R_{z max} ，则阳极组有效，并组内的所有单支阳极进行剩余寿命预测；

若R_z>R_{z max}，则阳极组失效，此时，需对组内单支阳极进行接地电阻R_d测量，若R_d<R_{d max}，则此支阳极有效，并进行剩余寿命预测，若R_d> R_{d max}，则此支阳极失效，需对该支阳极进行更换处理以保证阴保系统正常运行；

步骤2. 剩余寿命预测:

2.1)根据公式（3）可以算出阳极允许最小等效直径d_min，

其中，式中R_{d max}为单支阳极临界接地电阻值，l为阳极长度 ，t为管道埋深 ，为土壤电阻率，

根据公式（4）计算阳极此时等效直径d₀，

式中，l为阳极长度，R_d为单支阳极接地电阻测量值，d₀为此时阳极等效值，为土壤电阻率,t为管道埋深；

2.2根据公式（5）可求得阳极允许最小质量m_min：

式中：l为阳极长度, d_min为阳极允许最小直径, 为阳极材料的密度；

根据公式（6）求出此时阳极质量m₀，如下所示

式中：l为阳极长度, d₀为此时阳极等效值, 为阳极材料的密度；

根据阴保系统设计中单支阳极允许最小输出电流I_{d min} ，I_{d min}=I_{z min}/n,与此时输出电流测量值I_输出，得出阳极失效前平均输出电流I_a=（I_{d min}+I_输出）/2；

2.4)对于此阴保系统，将步骤2.3中求出的m_min、 m₀、I_a带入剩余寿命求解公式（7）中得出阴保系统剩余寿命T：

(7)

其中，式中U为阳极利用系数U =0.9，e为阳极消耗率，此时阳极质量m₀，阳极允许最小质量m_min。

进一步，所述合金牺牲阳极为镁合金、锌合金或铝合金。

本发明的有益效果是：该方法中阴极保护系统有效性判据方法首次引入牺牲阳极材料服役性能参数作为评价依据，可以根据整组及单支牺牲阳极的接地电阻值判断其有效性，在整组牺牲阳极失效的情况下，可分别判断组内阳极有效性，对阳极进行针对性更换，使阴保系统更加合理有效，避免资源浪费。本发明中提供的剩余寿命预测模型充分考虑了阳极失效前最小允许质量，消除了传统阴保设计中假定牺牲阳极全部消耗殆尽所用寿命作为使用寿命的误差。

具体实施方式

下面将结合具体实施例为例详细描述本发明。但是，这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的阴保系统有效性判据适用于埋地管道牺牲阳极阴保系统中，若想评价阴保系统的有效性同时进行阴保系统剩余寿命预测，牺牲阳极临界接地电阻计算方法为：根据此阴保系统运行前设计参数，计算此阳极组失效前临界接地电阻R_{z max}和组内单支阳极临界接地电阻R_{d max}，分别测量此牺牲阳极组及组内单支阳极实际接地电阻R_z及R_d，比较临界电阻与实际接地电阻值，若R_z<R_{z max}临界，则阳极组有效；若R_z>R_{z max}临界，则阳极组失效。此时，需对组内单支阳极进行接地电阻R_d测量，若R_d<R_{d max}临界，则此支阳极有效；若R_d>R_{d max}临界，则此支阳极失效，需此时需根据牺牲阳极实际服役情况进行更换，以保证阴保系统的正常运行。若实际测量接地电阻值仍满足要求，但已接近临界接地电阻值，此时需按照本发明中给出的剩余寿命预测方法对其剩余寿命进行预测，降低阴保系统运行风险。

实例：

（1）设计一个埋地管道牺牲阳极阴保系统，被保护钢管长L为2000m，内径d_p为10.16cm，外径D为51cm，管道埋深为t为1m，防腐涂层为沥青玻璃布，所需保护电流密度i为0.03mA/m2，管道最正极化电位为-850mV（CSE），土壤电阻率为40Ω·m；

（2）选取镁合金牺牲阳极，阳极组铺设在管道中点处，组内共有2支阳极，镁阳极规格：质量m为14.5kg，长l为70cm，等效直径d为13.4cm；并在此处设立阴保测试桩；

（3）运用公式（1）计算可得管道所需最小保护电流I₀为48.04mA，牺牲阳极组最小输出电流I_{z min}=I₀，组内单支阳极最小输出电流I_{d min}=I_{z min}/2=24.02mA。阳极失效前最正开路电位为-1480mV（CSE），此时阳极对管道驱动电压ΔE=-1480mV-（-850mV）=-630mV。由公式（2）可得出阳极组临界接地电阻值Rz max为13.11Ω，单支阳极临界接地电阻R_{d max}=R_{z max}·2=26.22Ω；

（4）测量阳极组接地电阻R_z值为8Ω，比较阳极组临界电阻与实际接地电阻值，R_z<R_{z max}，证明整组牺牲阳极有效；分别测量组内牺牲阳极接地电阻值，得R_{d 1}= 23Ω，R_{d 2}= 21Ω，接地电阻R_{d 1}和 R_{d 2}均小于临界电阻R_{d max}，证明组内单支牺牲阳极均有效。

（5）计算组内单支牺牲阳极的剩余寿命，以其中一支阳极为例，另外一支的计算采用相同的技术方法，根据公式（4）计算阳极此时等效直径d₀₁（假设阳极服役过程中长l不变），d₀₁=3.91cm；

（6）根据（2）中所求单支阳极临界接地电阻R_{d max}，根据公式（3）可求得阳极允许最小等效直径d_min1，d_min1=2.75cm；

（7）利用剩余寿命方法进行剩余寿命预测。由公式（5）和（6）分别求得阳极允许最小质量m_min=0.732kg和此时阳极质量m₀=1.462kg；根据阴保系统设计中单支阳极允许最小输出电流I_{d min}（24.02mA）与此时输出电流测量值I_输出(50mA)，得出阳极失效前平均输出电流I_a；

（8）对于此阴保系统，阳极利用系数U=0.9，阳极消耗率e=3.98 kg/A·a，将m_min、m₀、I_a带入剩余寿命求解公式（7）中得出阴保系统剩余寿命T=4.46year。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但本发明并不限于此，在不脱离本发明精神和实质的前提下，本领域的普通技术人员可以对本发明进行各种等效的变形和改动，而这些变形与改动都在本发明的涵盖范围内。

Claims (1)

1.一种牺牲阳极阴极保护系统的有效性判据及剩余寿命预测方法，其特征在于，该方法用于评价服役中牺牲阳极阴极保护系统中牺牲阳极组及组内单支牺牲阳极的有效性，从而保证阴极保护系统运行质量，降低埋地管道腐蚀风险，具体步骤如下：

步骤1.有效性判据：

1.1)测得测试牺牲阳极阴极保护系统的保护钢管长L，内径d_p，外径D，管道埋深为t，所需保护电流密度i，管道最正极化电位值-0.85mV（CSE），土壤电阻率为 ；阳极组内共有n支阳极，n=1-10，每支阳极长度为l，

通过公式（1）计算可得管道所需最小保护电流I₀，

式中，D为保护钢管的外径，L为保护钢管长度，i为所需保护电流密度；

1.2）根据公式（2）可得出阳极组临界接地电阻值R_{z max}，

式中，I_{z min}为组内单支阳极最小输出电流， I_{z min}=I₀；ΔE 为阳极对管道驱动电压，ΔE=阳极失效前最正开路电位值-管道最正极化电位值,

单支阳极临界接地电阻R_{d max}=nR_{z max}；

1.3）判据这一阴保系统中牺牲阳极是否有效，需先测量服役中阴极保护系统整组阳极接地电阻R_z，若R_z< R_{z max} ，则阳极组有效，并组内的所有单支阳极进行剩余寿命预测；

若R_z>R_{z max}，则阳极组失效，此时，需对组内单支阳极进行接地电阻R_d测量，若R_d<R_{d max}，则此支阳极有效，并进行剩余寿命预测，若R_d> R_{d max}，则此支阳极失效，需对该支阳极进行更换处理以保证阴保系统正常运行；

步骤2. 剩余寿命预测:

2.1)根据公式（3）可以算出阳极允许最小等效直径d_min，

其中，式中R_{d max}为单支阳极临界接地电阻值，l为阳极长度 ，t为管道埋深 ，为土壤电阻率

根据公式（4）计算阳极此时等效直径d₀，

式中，l为阳极长度，R_d为单支阳极接地电阻测量值，d₀为此时阳极等效值，为土壤电阻率,t为管道埋深；

2.2根据公式（5）可求得阳极允许最小质量m_min：

式中：l为阳极长度, d_min为阳极允许最小直径, 为阳极材料的密度；

根据公式（6）求出此时阳极质量m₀，如下所示

式中：l为阳极长度, d₀为此时阳极等效值, 为阳极材料的密度；

根据阴保系统设计中单支阳极允许最小输出电流I_{d min} ，I_{d min}=I_{z min}/n,与此时输出电流测量值I_输出，得出阳极失效前平均输出电流I_a=（I_{d min+}I_输出）/2；

2.3)对于此阴保系统，将步骤2.2中求出的m_min、 m₀、I_a带入剩余寿命求解公式（7）中得出阴保系统剩余寿命T：

其中，式中U为阳极利用系数，e为阳极消耗率，此时阳极质量m₀，阳极允许最小质量m_min。