CN108411308A - 新型埋地管道阴极保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种新型埋地管道阴极保护装置，属于电力技术领域。本发明的目的是针对传统的阴极保护在长输管道方面存在的不足进行分析，在牺牲阳极和外加电流阴极保护技术的基础上进行创新，研发出牺牲阳极联合外加电流阴极保护的新型埋地管道阴极保护装置及方法。本发明包括新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源、恒电位仪、辅助阳极、参比电极、阴极保护连接触点、准固态电解质。本发明装置简便，利用太阳能发电系统作为阴极保护电源，不需要建阴极保护站和铺设电缆，随时可以投入到野外无电源的阴极保护工程中，降低了工程成本。

Description

新型埋地管道阴极保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力技术领域。

背景技术

国内火电厂埋地管道多为碳钢材质，管道输送距离长，所处土壤环境复杂多变，内壁无防腐措施，外壁涂刷石油沥青防腐涂层。由于管内水质对内壁不断腐蚀，外部土壤对外壁不断腐蚀，部分管道防腐层质量达不到设计标准，施工也不规范，防腐措施不到位等因素，在长期运行过程中，各腐蚀因子与埋地管道长期作用，造成埋地管道腐蚀严重。

目前常用的埋地管道防腐措施有投加缓蚀剂、内涂层和衬里保护、外涂层保护、杂散电流排流保护和阴极保护。阴极保护技术通过向管道金属提供阴极电流，使管道电位发生负向极化，从而阻止管道的腐蚀。阴极保护方法包括强制外加电流法和牺牲阳极法，两种方法原理相同，只是阴极保护电流来源不同。

埋地管道的牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，并处于同一土壤中，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护管道。综合国内外相关报道，存在很多关于使用牺牲阳极失败的例子教训，认为牺牲阳极的应用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护法的失败主要是因为在阳极的表面生成了一层不导电的氧化物，该氧化物限制了阳极电流的输出。造成这种问题的原因是阳极的成份没有达到规范中的要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此在设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，还要选择土壤电阻率低的阳极床位置。牺牲阳极法不用施加外加电源电压，电流分布均匀，具有自动调节能力，不会产生过保护现象，并且实施的工程也比较简便，但是保护范围小，消耗一定量的有色金属，广泛应用于小型金属设备的阴极保护工程。

埋地管道的外加电流阴极保护法是它是由外加的直流电源直接向被保护金属构筑物施加阴极电流使其发生阴极极化。它由辅助电极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。外加电流法利用恒电位仪，将电流通过阳极地床输入到土壤中，电流在土壤中流动到金属管道，从管道上连接的阴极电缆汇流至恒电位仪，相应地增大或减小输出，把变化的电位稳定在预设的控制电位上，使通电点电位保持不变。外加电流法有保护范围大、适用范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点，适合用于长输管线的防腐。由于管道施工工期长，阴极保护工程不能与主体工程同时进行，埋地管道工程结束后阴极保护工程才能开始，增大了施工量和周期；针对漏点频发的老旧管道，增加阴极保护工程更加困难。

传统阴极保护工艺繁琐，需要建立阴极保护站，限制了阴极保护工程的应用；辅助阳极和管道之间靠土壤作为电解质，受环境影响大，土壤电阻不稳定，造成阴极保护电位波动大，阴极保护电流密度难以控制；故障难排查，测试桩和阳极接地床损坏后，从地表看不到，不能判断受损管段的具体位置；该工程需要在埋地管道附近铺设长距离电缆，为阴极保护各部件供电，电缆损坏后不能准确判断损坏位置，也不能准确发现故障出在测试桩上还是电缆上，增加了故障排除的难度，给设备维护带来了困难。

发明内容

本发明的目的是针对传统的阴极保护在长输管道方面存在的不足进行分析，在牺牲阳极和外加电流阴极保护技术的基础上进行创新，研发出牺牲阳极联合外加电流阴极保护的新型埋地管道阴极保护装置及方法。

本发明包括以下步骤：

(1)外加电流保护系统

a.新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源：太阳能电池板吸收太阳的功率输送给蓄电池贮存，构成新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源，蓄电池接线柱和恒电位仪连接，太阳能电池板在野外将太阳能转化为电能，储存在蓄电池内，为恒电位仪提供直流电；

b.恒电位仪：是外加电流的核心部件，为阴极保护系统输出目标电位和电流；

c.辅助阳极：恒电位仪阳极接口连接辅助阳极；

d.参比电极：恒电位仪参比接口连接参比电极；

e.阴极保护连接触点：作为阴极电位的输出通道，镶嵌在装置壳体底部，外部连接埋地管道，内部连接恒电位恒负极和牺牲阳极；恒电位仪阴极接口同时和牺牲阳极和阴极保护连接触点连接；

f.准固态电解质：作为阴极保护系统的导电介质；

(2)牺牲阳极阴极保护系统

a.牺牲阳极：该牺牲阳极可以在短时间内产生阴极电流；

b.电解质：作为阴极保护系统的导电介质；

c.挡板：通过挡板将辅助阳极和牺牲阳极隔开；通过调整挡板与壳体底面的间隙调整通路电阻；

d.参比电极：与恒电位仪连接；

e.隔板：通过隔断牺牲阳极和阴极保护连结触点，防止电化学短路；

(3)准固态电解质制备

向30％～50％氢氧化钠溶液中滴加30％～50％的硫酸锌溶液，在水浴温度为40℃的环境下混合，形成絮状准固态电解质；

(4)壳体：由聚四氟乙烯板制成，顶部打三个穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔；

(5)埋地管道阴极联合保护装置构建：

包括：太阳能电池板、蓄电池、恒电位仪、辅助阳极、牺牲阳极、阴极保护连接触点、参比电极、挡板、隔板、电解质、壳体；所述装置的供电电源由太阳能电池板的输出孔由导线与蓄电池连接，太阳能电池板将发出的电能储存在蓄电池中，用导线将蓄电池输出端连接恒电位仪电源线接线柱，恒电位仪固定在壳体顶部，恒电位仪阳极接线柱连接辅助阳极，恒电位仪阴极接线柱连接牺牲阳极和阴极保护连接触点，恒电位仪参比电极线连接参比电极；所述壳体内辅助阳极安装在挡板和壳体侧壁之间，牺牲阳极安装在挡板和隔板之间，参比电极安装在阴极保护连接触点附近，阴极保护连接触点镶嵌在壳体底部，壳体为密封容器，内部充满电解质，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在需要保护的埋地管道上；顶部打三个穿线孔用于恒电位仪和辅助阳极、牺牲阳极和参比电极的连接导线的穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔，壳体内充满准固态电解质。

本发明联合保护安装方法是：

步骤一：按要求组装阴极保护装置；

步骤二：将装置焊接在埋地管道上，壳体和蓄电池埋地，恒电位仪固定在地面上；

步骤三：打开恒电位仪电源开关，调电压输出按钮，将电位显示屏上数值调节在-850～-1200mV之间，观察电流显示屏数值是否在10mA左右，如果不在，上下调整装置挡板(5)与装置底部间隙，直至电流稳定在10mA左右；

步骤四：调试期间每2h记录一次电位和电流，直至数值稳定，稳定后每天记录一次数据。

本发明阴极保护方法是：

①构建土壤模型：埋地管道模型和阴极保护系统模型，设定采用阴极保护装置的数量为m，埋地管道长度为x km，平均每x/m km管道安装一台阴极保护装置；从笫一段管道编号x₁，给每段管道依次编号，共有x/m+1段，分别编号x₁,x₂,x₃,...x_x/m+1；

②获取所述初始管地电位差：即x₁管段至所有管段管地电位差；确定各管段管地电位差中最小电位差E₁，选出最大电位差E₀作为目标电位差，并与阴极保护电位进行比较；当所述目标电位差被阴极装置消除后，调整阴极保护装置输出电位，看最小电位差处管段电位是否在负电位上；

③消除各管段阴极电位差后，调整阴极保护装置输出电位，使阴极电位稳定在-0.8V～-1.2V范围内；调整输出电流，使电流稳定在-10mA左右，测试此时管地电位差E；

④记录阴极电位始终低于-0.8V的管段，记为x_i，测试该管段地电位差E₃，通过计算得数，得出第x_i段还需安装n台阴极保护装置；n为结果需要进1法的整数；

⑤装置正常工作时，以外加电流阴极保护为主，装置的电源为太阳能发电系统。

本发明首次采用外加电流和牺牲阳极联合保护的工艺，恒电位仪在工作的时候既保护金属设备，又保护牺牲阳极，延长了牺牲阳极的使用寿命；金属设备发生阴极极化后，只需要很少的阴极电流就能维持其极化状态，在夜晚或长期阴雨天气，太阳能不能提供足够的阴极保护电流，此时牺牲阳极开始发挥作用，产生阴极保护电流，使金属设备继续保持阴极极化状态，免遭腐蚀；

本发明装置简便，利用太阳能发电系统作为阴极保护电源，不需要建阴极保护站和铺设电缆，随时可以投入到野外无电源的阴极保护工程中，降低了工程成本；

本发明将准固态电解质固定在壳体容器内，电解质的电阻率保持恒定，一方面不受天气和季节变化影响，解决了传统阴极保护工艺中电解质因降雨或干旱造成的电阻率剧烈变化的问题，维持阴极保护电流在设计范围之内；另一方面，电解质处于封闭的环境，物理性质维持稳定，不会因挥发、流失等方式减少，延长了电解质的使用寿命。

附图说明

图1为本发明工艺设计图；图中：1.太阳能电池板，2.蓄电池，3.恒电位仪，4.辅助阳极，5.挡板，6.牺牲阳极，7.电解质，8.壳体，9.参比电极，10.隔板，11.阴极保护连接触点

图2为本发明装置等效电路图；

图3为本发明新型阴极保护装置工程施工图；

图4为本发明实施实例1对埋地管道保护效果图；

图5为本发明实施实例2对埋地管道保护效果图；其中a为实验前，b为试验后；

图6为本发明实施实例3对埋地管道保护效果图；其中a为实验前，b为试验后；

图7为电解准固态电解质效果图。

具体实施方式

本发明以下步骤：

(1)外加电流保护系统

a.新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源：一般型号为WDY-3000s功率为3000w太阳能电池板与蓄电池电连接。蓄电池型号为D-铅蓄电池，电容量为30AH，在光照充足条件下工作6h，蓄电池储存电量18kw，太阳能电池板吸收太阳的功率输送给蓄电池贮存，构成新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源，蓄电池接线柱和恒电位仪连接，太阳能电池板在野外将太阳能转化为电能，储存在蓄电池内，为恒电位仪提供直流电；完全克服了传统阴极保护系统依赖阴极保护站的技术难题。

b.恒电位仪：是外加电流的核心部件，为阴极保护系统输出目标电位和电流；一般型号为DJS-2000，输出电位为-15v～15V可调，输出电流为-100mA～100mA可调。

c.辅助阳极：恒电位仪阳极接口连接辅助阳极；取长×宽×厚为300×100×5mm的石墨为辅助电极，使用过程中基本无消耗。

d.参比电极：恒电位仪参比接口连接参比电极；取铜/饱和硫酸铜为参比电极。

e.阴极保护连接触点：作为阴极电位的输出通道，镶嵌在装置壳体底部，外部连接埋地管道，内部连接恒电位恒负极和牺牲阳极；恒电位仪阴极接口同时和牺牲阳极和阴极保护连接触点连接；由316L不锈钢制成，规格为50×50×60mm的长方体。

f.准固态电解质：作为阴极保护系统的导电介质；优选准固态电解质。

(2)牺牲阳极阴极保护系统

a.牺牲阳极：该牺牲阳极可以在短时间内产生阴极电流；取材质为高纯镁规格为400×400×50m的长方体为牺牲阳极，当其形状为长宽高1:1:0.125时的长方体时，发电速率最快。

b.电解质：作为阴极保护系统的导电介质；优选准固态电解质。

c.挡板：通过挡板将辅助阳极和牺牲阳极隔开；通过调整挡板与壳体底面的间隙调整通路电阻；取规格长×宽500×500板厚10mm材质为聚四氟乙烯为挡板。

d.参比电极：与恒电位仪连接；饱和氯化钾甘汞电极。

e.隔板：通过隔断牺牲阳极和阴极保护连结触点，防止电化学短路；材料为聚四氟乙烯。

(3)准固态电解质制备

向30％～50％氢氧化钠溶液中滴加30％～50％的硫酸锌溶液，在水浴温度为40℃的环境下混合，形成絮状准固态电解质；所形成的准固态电解质pH值均大于7，电解质处于碱性环境；电阻率稳定在360Ω·cm左右。将电解质进行电解实验，发现电解后的电解质中有金属锌的存在。金属锌从电解质中被电解析出，附着在准固态电解质中，以微小颗粒存在。在这种情况下，金属锌的比表面积远大于锌块的，发电效率和腐蚀速率极大程度的提高，在无外加电流和牺牲阳极存在的情况下，金属锌可以迅速的腐蚀溶解到电解质中，为阴极保护提供电流。该电解质不仅提高了牺牲阳极材料的电流效率，还可以循环利用锌电解质，进而提高电解质的利用效率。

(4)壳体：由聚四氟乙烯板制成，顶部打三个穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔；板厚10mm，壳体的长宽高为500×500×600mm。

(5)埋地管道阴极联合保护装置构建：

包括：太阳能电池板、蓄电池、恒电位仪、辅助阳极、牺牲阳极、阴极保护连接触点、参比电极、挡板、隔板、电解质、壳体；所述装置的供电电源由太阳能电池板的输出孔由导线与蓄电池连接，太阳能电池板将发出的电能储存在蓄电池中，用导线将蓄电池输出端连接恒电位仪电源线接线柱，恒电位仪固定在壳体顶部，恒电位仪阳极接线柱连接辅助阳极，恒电位仪阴极接线柱连接牺牲阳极和阴极保护连接触点，恒电位仪参比电极线连接参比电极；所述壳体内辅助阳极安装在挡板和壳体侧壁之间，牺牲阳极安装在挡板和隔板之间，参比电极安装在阴极保护连接触点附近，阴极保护连接触点镶嵌在壳体底部，壳体为密封容器，内部充满电解质，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在需要保护的埋地管道上，就可实现阴极保护功能；所述装置的壳体为由聚四氟乙烯板制成，板厚10mm，壳体的长×宽×高为500×500×600mm；顶部打三个穿线孔用于恒电位仪和辅助阳极、牺牲阳极和参比电极的连接导线的穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔，壳体内充满准固态电解质，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在埋地管道上，就可实现阴极保护功能。

本发明联合保护安装方法是：

步骤一：按要求组装阴极保护装置；具体是按图1制成新型阴极保护装置。

步骤二：按图2将装置焊接在埋地管道上，壳体和蓄电池埋地，恒电位仪固定在地面上。

步骤三：打开恒电位仪电源开关，调电压输出按钮，将电位显示屏上数值调节在-850～-1200mV之间，观察电流显示屏数值是否在10mA左右，如果不在，上下调整装置挡板(5)与装置底部间隙，直至电流稳定在10mA左右。

步骤四：调试期间每2h记录一次电位和电流，直至数值稳定，稳定后每天记录一次数据。数据异常，分析原因，根据实际情况进行处理。

装置正常工作时，以外加电流阴极保护为主，装置的电源为太阳能发电系统，在光照充足条件下工作6h，蓄电池储存电量18kw·h；新型埋地管道阴极联合保护装置正常运行输入电压为150V，输入电流约为1A，在蓄电池充电完成状态下，可以正常运行约100个小时，完全克服传统阴极保护系统依赖阴极保护站的技术难题；阴极保护系统正常运行时，既保护埋地管道又保护牺牲阳极，使牺牲阳极在联合保护中延长使用寿命。当外界环境变化，例如连续阴雨天气或太阳能发电系统故障，外加电流阴极保护系统无法正常工作时，埋地管道还处于极化状态，只需要较小的阴极电流就可维持阴极保护电位正常，此时牺牲阳极就可快速发生腐蚀溶解，产生阴极电流继续维护阴极保护系统正常运行，直至太阳能发电系统恢复正常，外加电流阴极保护系统再次投入运行，牺牲阳极转化为被保护对象，埋地管道始终处于被保护状态。

本发明阴极保护方法是：

①构建土壤模型：埋地管道模型和阴极保护系统模型，设定采用阴极保护装置的数量为m，埋地管道长度为x km，平均每x/m km管道安装一台阴极保护装置；从笫一段管道编号x₁，给每段管道依次编号，共有x/m+1段，分别编号x₁,x₂,x₃,...x_x/m+1。

②获取所述初始管地电位差：即x₁管段至所有管段管地电位差；确定各管段管地电位差中最小电位差E₁，选出最大电位差E₀作为目标电位差，并与阴极保护电位进行比较；当所述目标电位差被阴极装置消除后，调整阴极保护装置输出电位，看最小电位差处管段电位是否在负电位上。

③消除各管段阴极电位差后，调整阴极保护装置输出电位，使阴极电位稳定在-0.8V～-1.2V范围内；调整输出电流，使电流稳定在-10mA左右，测试此时管地电位差E。

④记录阴极电位始终低于-0.8V的管段，记为x_i，测试该管段地电位差E₃，通过计算得数，得出第x_i段还需安装n台阴极保护装置；n为结果需要进1法的整数。

⑤装置正常工作时，以外加电流阴极保护为主，装置的电源为太阳能发电系统。太阳能电池板型号为WDY-3000s，功率为3000W，蓄电池型号为D-铅蓄电池，电容量为30AH，在光照充足条件下工作6h，蓄电池储存电量18kw·h；装置正常运行输入电压为150V，输入电流约为1A，在蓄电池充电完成状态下，可以正常运行约100个小时，完全克服传统阴极保护系统依赖阴极保护站的技术难题；阴极保护系统正常运行时，既保护埋地管道又保护牺牲阳极，使牺牲阳极在联合保护中延长使用寿命。当外界环境变化，例如连续阴雨天气或太阳能发电系统故障，外加电流阴极保护系统无法正常工作时，埋地管道还处于极化状态，只需要较小的阴极电流就可维持阴极保护电位正常，此时牺牲阳极就可快速发生腐蚀溶解，产生阴极电流继续维护阴极保护系统正常运行，直至太阳能发电系统恢复正常，外加电流阴极保护系统再次投入运行，牺牲阳极转化为被保护对象，埋地管道始终处于被保护状态。

基于上述埋地管道阴极保护法的技术方案，本发明的第二方面提供新型阴极保护装置，用于上述埋地管道的阴极保护。该装置由外加电流系统和牺牲阳极系统两部分组成。外加电流系统包括：1.太阳能电池板，型号为WDY-3000s，功率为3000w，正常正作6h，可产生18KW·h的电能。2.蓄电池：型号为D-铅蓄电池，电容量为30AH，太阳能发的电能可以储存在于电池中。3.恒电位仪，型号为DJS-2000，输出电位为-15v～15V可调，输出电流为-100mA～100mA可调，是外加电流的核心部件，为阴极保护系统输出目标电位和电流。4.辅助阳极：长宽厚为300×100×5mm的石墨电极，使用过程中基本无消耗。9.参比电极：饱和氯化钾甘汞电极。11.阴极保护连结触点，作为阴极电位的输出通道，镶嵌在装置壳体底部，外部连接埋地管道，内部连结恒电位恒负极和牺牲阳极，为50×50×60mm的长方体，由316L不锈钢制成。7.电解质：由准固态电解质填充在装置壳体内部，提供导电环境；牺牲阳极阴极保护系统包括：6.牺牲阳极：材质为高纯镁的牺牲阳极，该阳极可以在短时间内产生阴极电流，当其形状为长宽高1:1:0.125时的长方体时，发电速率最快，因此本装置牺牲阳极形状为400×400×50m的长方体阳极。7.电解质：作为阴极保护系统的导电介质，可选液态电解质或准固态电解质。5.挡板，材质为聚四氟乙烯，绝缘体，通过调整挡板与壳体底面的间隙调整通路电阻。9.参比电极：饱和氯化钾甘汞电极，与恒电位仪连接。牺牲阳极连结阴极保护触点和恒电位仪负极。该装置还设置10.隔板，材料为聚四氟乙烯，通过隔断牺牲阳极和阴极保护连结触点，防止电化学短路；8.壳体：由聚四氟乙烯板制成，板厚10mm，壳体的长宽高为500×500×600mm，顶部打三个穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔。

装置连接：太阳能电池板的输出孔连接恒电位仪电源线，恒电位固定在壳体顶部，阳极线连接辅助阳极，阴极线连结牺牲阳极和阴极保护连结触点，参比电极线连接参比电极，辅助阳极安装在挡板和壳体壁之间，牺牲阳极安装在挡板和隔板之间，参比电极安装在阴极保护连结触点附近，阴极保护镶嵌在壳体底部，壳体为密封容器，内部充满电解质，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在埋地管道上，就可实现阴极保护功能。

以下对本发明详细的说明、验证：

实施例1：实施例1的一种新型埋地管道阴极保护方法及装置，包括以下步骤：

(1)外加电流保护系统

a.新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源：型号为WDY-3000s功率为3000w太阳能电池板与蓄电池电连接。蓄电池型号为D-铅蓄电池，电容量为30AH，在光照充足条件下工作6h，蓄电池储存电量18kw，太阳能电池板吸收太阳的功率输送给蓄电池贮存，构成新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源，蓄电池接线柱和恒电位仪连接，太阳能电池板在野外将太阳能转化为电能，储存在蓄电池内，为恒电位仪提供直流电，完全克服了传统阴极保护系统依赖阴极保护站的技术难题。

b.恒电位仪，型号为DJS-2000，输出电位为-15v～15V可调，输出电流为-100mA～100mA可调，是外加电流的核心部件，为阴极保护系统输出目标电位和电流。

c.辅助阳极：取长×宽×厚为300×100×5mm的石墨为辅助电极，使用过程中基本无消耗，恒电位仪阳极接口连接辅助阳极。

d.参比电极：取铜/饱和硫酸铜为参比电极，恒电位仪参比接口连接参比电极。

e.阴极保护连接触点：由316L不锈钢制成，规格为50×50×60mm的长方体，作为阴极电位的输出通道，镶嵌在装置壳体底部，外部连接埋地管道，内部连接恒电位恒负极和牺牲阳极。恒电位仪阴极接口同时和牺牲阳极和阴极保护连接触点连接。

f.准固态电解质：作为阴极保护系统的导电介质，优选准固态电解质。

(2)牺牲阳极阴极保护系统

a.牺牲阳极：取材质为高纯镁规格为400×400×50m的长方体为牺牲阳极，该牺牲阳极可以在短时间内产生阴极电流，当其形状为长宽高1:1:0.125时的长方体时，发电速率最快。

b.电解质：作为阴极保护系统的导电介质，优选准固态电解质。

c.挡板：取规格长×宽500×500板厚10mm材质为聚四氟乙烯为挡板，通过挡板将辅助阳极和牺牲阳极隔开。通过调整挡板与壳体底面的间隙调整通路电阻。

d.参比电极：饱和氯化钾甘汞电极，与恒电位仪连接。

e.隔板，材料为聚四氟乙烯，通过隔断牺牲阳极和阴极保护连结触点，防止电化学短路。

(3)准固态电解质制备

向30％氢氧化钠溶液中滴加40％的硫酸锌溶液，在水浴温度为40℃的环境下混合，形成絮状准固态电解质。所形成的准固态电解质pH值为8.5，所制备的电解质电阻率为362Ω·cm，所制备的电解质的挥发速率为0.085g·(kg·d)^-1。将电解质进行电解实验，发现电解后的电解质中有金属锌的存在。金属锌从电解质中被电解析出，附着在准固态电解质中，以微小颗粒存在。在这种情况下，金属锌的比表面积远大于锌块的，发电效率和腐蚀速率极大程度的提高，在无外加电流和牺牲阳极存在的情况下，金属锌可以迅速的腐蚀溶解到电解质中，为阴极保护提供电流。该电解质不仅提高了牺牲阳极材料的电流效率，还可以循环利用锌电解质，进而提高电解质的利用效率。

(4)壳体：由聚四氟乙烯板制成，板厚10mm，壳体的长宽高为500×500×600mm，顶部打三个穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔。

(5)新型埋地管道阴极联合保护装置构建与运行

a.新型埋地管道阴极联合保护装置构建

一种新型埋地管道阴极保护装置包括：太阳能电池板1、蓄电池2、恒电位仪3、辅助阳极4、挡板5、牺牲阳极6、准固态电解质7、壳体8、参比电极9、隔板10、阴极保护连接触点11；所述装置的供电电源由太阳能电池板1的输出孔由导线与蓄电池2连接，太阳能电池板1发出的电能储存在蓄电池2中，用导线将蓄电池2输出端连接恒电位仪3电源线接线柱，恒电位仪3固定在壳体8顶部，恒电位仪3阳极接线柱连接辅助阳极4，恒电位仪3阴极接线柱连接牺牲阳极6和阴极保护连接触点11，恒电位仪3参比电极线连接参比电极9；所述壳体8内辅助阳极4安装在挡板5和壳体8侧壁之间，牺牲阳极6安装在挡板5和隔10板之间，参比电极9安装在阴极保护连接触点11附近，阴极保护连接触点11镶嵌在壳体8底部，壳体8为密封容器，内部充满准固态电解质7；所述装置的壳体8为由聚四氟乙烯板制成，板厚10mm，壳体的长×宽×高为500×500×600mm，顶部打三个穿线孔用于恒电位仪3和辅助阳极4、牺牲阳极6和参比电极9的连接导线的穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点11的孔，壳体内充满准固态电解质7，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在埋地管道上，就可实现阴极保护功能。

b.新型埋地管道阴极联合保护方法

步骤(1)：按图1制成新型阴极保护装置。

步骤(2)：按图2将装置焊接在埋地管道上，壳体和蓄电池埋地，恒电位仪固定在地面上；

步骤(3)：打开恒电位仪电源开关，调电压输出按钮，将电位显示屏上数值调节在-850～-1200mV之间，观察电流显示屏数值是否在10mA左右，如果不在，上下调整装置挡板5与装置底部间隙，直至电流稳定在10mA左右。

步骤(4)：调试期间每2h记录一次电位和电流，直至数值稳定，稳定后每天记录一次数据，数据异常，分析原因，根据实际情况进行处理。

c.新型埋地管道阴极联合保护装置运行

本实验以Q235碳钢管模拟输水管道进行试验，探究新型阴极保护装置对管道的保护效果。取两段Q235碳钢管，管径均为25mm，管长100mm，分别标号#1、#2，以#1管段作为空白对照试验，对#2管段进行阴极保护；为了较快的出现对比效果，本实验将两段管道串联起来，浸泡在腐蚀性较强的质量分数为10％的NaCl溶液中，管道内部循环流动自来水；实验过程中，恒电位仪工作时间为每天08:00-18:00，输出电压为5.0V，输出电流为100mA，其余时间为镁牺牲阳极工作时间，严格按照野外工作条件下，模拟外加电流和牺牲阳极联合保护输水管道实验。

实验进行一周后，对照管段和试验管段有了明显的差别，管道保护效果见图5。

由图5可以看出，#1对照组管段在没有阴极保护的情况下，腐蚀严重；#2在阴极保护下，虽然也有轻微腐蚀，但腐蚀程度远小于#1管段，这说明新型阴极保护装置具有良好的防腐蚀能力，可以达到预期效果。

实施例2：实施例2的一种新型埋地管道阴极保护方法及装置的步骤中(1)(2)(4)(5)步骤与实施例1相同，其中步骤(3)有不同，具体步骤是：

(3)准固态电解质制备

向40％氢氧化钠溶液中滴加30％的硫酸锌溶液，在水浴温度为40℃的环境下混合，形成絮状准固态电解质。所形成的准固态电解质pH值为9.2，所制备的电解质电阻率为361Ω·cm，所制备的电解质的挥发速率为0.035g·(kg·d)^-1。将电解质进行电解实验，发现电解后的电解质中有金属锌的存在。金属锌从电解质中被电解析出，附着在准固态电解质中，以微小颗粒存在。在这种情况下，金属锌的比表面积远大于锌块的，发电效率和腐蚀速率极大程度的提高，在无外加电流和牺牲阳极存在的情况下，金属锌可以迅速的腐蚀溶解到电解质中，为阴极保护提供电流。该电解质不仅提高了牺牲阳极材料的电流效率，还可以循环利用锌电解质，进而提高电解质的利用效率。

实验进行一周后，对照管段和试验管段有了明显的差别，管道保护效果见图6。

由图6可以看出，#2对照组管段在没有阴极保护的情况下，腐蚀严重；#1在阴极保护下，虽然也有轻微腐蚀，但腐蚀程度远小于#2管段，这说明新型阴极保护装置具有良好的防腐蚀能力，可以达到预期效果。

实施例3：实施例3的一种新型埋地管道阴极保护方法及装置的步骤中(1)(2)(3)(4)(5)a、b步骤与实施例2相同，其中步骤(5)c有不同，具体步骤是：

(5)新型埋地管道阴极联合保护装置构建与运行

c.新型埋地管道阴极联合保护装置运行

本实验为了探究新型阴极保护装置对埋地管道的保护效果，以Q235碳钢管模拟埋地输水管道进行试验。取两段Q235碳钢管，管径均为25mm，管长500mm，分别标号#1、#2，以#2管段作为空白对照试验，对#1管段进行阴极保护；本实验将两段管道串联起来，埋在土壤中，埋深为800mm，土壤电阻率为21.94Ω·m，含水率为19.07％，氯离子含量为12.0g/kg，硫酸盐含量为53.2g/kg，管道内部循环流动电厂水源地来水；恒电位仪输出电压为15.0V，输出电流为78mA，整套装置放在野外，实验时间为2017年2月15日至2017年8月23日，实验前后腐蚀情况如图7。

由图7可以看出，#1对照组管段在没有阴极保护的情况下，腐蚀严重；#2在阴极保护下，虽然也有腐蚀，但腐蚀程度远小于#1管段，这说明新型阴极保护装置对埋地输水管道也有良好的防腐蚀能力，可以达到预期效果。

Claims (3)

1.一种新型埋地管道阴极保护装置，其特征在于：包括以下步骤：

(1)外加电流保护系统

a.新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源：太阳能电池板吸收太阳的功率输送给蓄电池贮存，构成新型埋地管道阴极联合保护装置的供电电源，蓄电池接线柱和恒电位仪连接，太阳能电池板在野外将太阳能转化为电能，储存在蓄电池内，为恒电位仪提供直流电；

b.恒电位仪：是外加电流的核心部件，为阴极保护系统输出目标电位和电流；

c.辅助阳极：恒电位仪阳极接口连接辅助阳极；

d.参比电极：恒电位仪参比接口连接参比电极；

e.阴极保护连接触点：作为阴极电位的输出通道，镶嵌在装置壳体底部，外部连接埋地管道，内部连接恒电位恒负极和牺牲阳极；恒电位仪阴极接口同时和牺牲阳极和阴极保护连接触点连接；

f.准固态电解质：作为阴极保护系统的导电介质；

(2)牺牲阳极阴极保护系统

a.牺牲阳极：该牺牲阳极可以在短时间内产生阴极电流；

b.电解质：作为阴极保护系统的导电介质；

c.挡板：通过挡板将辅助阳极和牺牲阳极隔开；通过调整挡板与壳体底面的间隙调整通路电阻；

d.参比电极：与恒电位仪连接；

e.隔板：通过隔断牺牲阳极和阴极保护连结触点，防止电化学短路；

(3)准固态电解质制备

向30％～50％氢氧化钠溶液中滴加30％～50％的硫酸锌溶液，在水浴温度为40℃的环境下混合，形成絮状准固态电解质；

(4)壳体：由聚四氟乙烯板制成，顶部打三个穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔；

(5)埋地管道阴极联合保护装置构建：

包括：太阳能电池板、蓄电池、恒电位仪、辅助阳极、牺牲阳极、阴极保护连接触点、参比电极、挡板、隔板、电解质、壳体；所述装置的供电电源由太阳能电池板的输出孔由导线与蓄电池连接，太阳能电池板将发出的电能储存在蓄电池中，用导线将蓄电池输出端连接恒电位仪电源线接线柱，恒电位仪固定在壳体顶部，恒电位仪阳极接线柱连接辅助阳极，恒电位仪阴极接线柱连接牺牲阳极和阴极保护连接触点，恒电位仪参比电极线连接参比电极；所述壳体内辅助阳极安装在挡板和壳体侧壁之间，牺牲阳极安装在挡板和隔板之间，参比电极安装在阴极保护连接触点附近，阴极保护连接触点镶嵌在壳体底部，壳体为密封容器，内部充满电解质，施工时只需将阴极保护连结触点焊接在需要保护的埋地管道上；顶部打三个穿线孔用于恒电位仪和辅助阳极、牺牲阳极和参比电极的连接导线的穿线孔，底部留出镶嵌阴极保护连线接触点的孔，壳体内充满准固态电解质。

2.权利要求1所述的新型埋地管道阴极保护装置，其特征在于：其联合保护安装方法是：

步骤一：按要求组装阴极保护装置；

步骤二：将装置焊接在埋地管道上，壳体和蓄电池埋地，恒电位仪固定在地面上；

步骤三：打开恒电位仪电源开关，调电压输出按钮，将电位显示屏上数值调节在-850～-1200mV之间，观察电流显示屏数值是否在10mA左右，如果不在，上下调整装置挡板(5)与装置底部间隙，直至电流稳定在10mA左右；

步骤四：调试期间每2h记录一次电位和电流，直至数值稳定，稳定后每天记录一次数据。

3.权利要求1所述的新型埋地管道阴极保护装置，其特征在于：其阴极保护方法是：

①构建土壤模型：埋地管道模型和阴极保护系统模型，设定采用阴极保护装置的数量为m，埋地管道长度为x km，平均每x/m km管道安装一台阴极保护装置；从笫一段管道编号x₁，给每段管道依次编号，共有x/m+1段，分别编号x₁,x₂,x₃,...x_x/m+1；

②获取所述初始管地电位差：即x₁管段至所有管段管地电位差；确定各管段管地电位差中最小电位差E₁，选出最大电位差E₀作为目标电位差，并与阴极保护电位进行比较；当所述目标电位差被阴极装置消除后，调整阴极保护装置输出电位，看最小电位差处管段电位是否在负电位上；

③消除各管段阴极电位差后，调整阴极保护装置输出电位，使阴极电位稳定在-0.8V～-1.2V范围内；调整输出电流，使电流稳定在-10mA左右，测试此时管地电位差E；

④记录阴极电位始终低于-0.8V的管段，记为x_i，测试该管段地电位差E₃，通过计算得数，得出第x_i段还需安装n台阴极保护装置；n为结果需要进1法的整数；

⑤装置正常工作时，以外加电流阴极保护为主，装置的电源为太阳能发电系统。