CN202898548U - 一种防冻型长效参比电极系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是用于高寒环境下站场及干线阴极保护系统中的一种防冻型长效参比电极系统。在由上端盖（2）、下端盖（3）与外壳（1）配合密闭的电极体外壳竖向中心穿有Cu电极（4），Cu电极（4）的下端连有陶瓷渗透模块（6），并陶瓷渗透模块（6）露在电极体外，Cu电极（4）的上端连有电极线（7）伸出电极体外壳外；在电极体外壳的上端盖（2）有注液孔（5），注液孔（5）连有补水导管（12）；电极体内表面和Cu电极（4）表面依次覆盖吸水层（8）、蓄水层（9）和隔离层，电极体内装满固体CuSO₄晶体（11）。本实用新型在高寒冻土区仍能保持电极电位准确，性能稳定，环境适应性好并完全符合相关国家及行业标准。

Description

一种防冻型长效参比电极系统

技术领域

本实用新型是用于高寒环境下站场及干线阴极保护系统中的一种防冻型长效参比电极系统，涉及金属材料的一般防蚀和管道系统技术领域。 

背景技术

管道阴极保护电位是评价管道阴极保护水平和管体防腐层劣化程度的重要指标之一。参比电极作为阴极保护系统，尤其是外加电流阴极保护系统的重要组成部分，为管道电位测量和恒电位仪输出提供基准电位。参比电极电位不稳定或者失效，容易造成管道保护不足或过保护。目前陆上埋地金属管线及地面金属构筑物电位监测通常采用Cu/CuSO₄参比电极，这是因为该电极具有耐腐蚀，不易极化，电位稳定等优点。在工程应用中，此电极主要分为以下两种类型：便携式和长效固态Cu/CuSO₄参比电极。在要求连续采样测试的环境下通常采用长效固态Cu/CuSO₄参比电极，它的工作原理是利用陶瓷外壳的微渗特性与环境进行双向电解质交换实现电位测量。 

目前现有的长效Cu/CuSO₄参比电极主要针对于前期长输管道阴极保护需要而研制的（专利号：CN2116970）。在推广初期，国内管道建设主要集中在东北、华北、华东的沿海和平原一带，从测量角度及地理气候条件大多满足长效Cu/CuSO₄参比电极的使用要求。近年来，我国管道运营里程迅速增加,目前已形成了纵贯南北、横跨东西、连通国外的油气管网格局。不同的环境也为管道运行管理带来了新的挑战，例如在我国东北中高纬度高寒地区新建的管线（如漠大管道等）地面最低气温达-50°C以下，管道埋深处最低也可达-10°C左右，如此低的环境温度造成埋地固体长效参比电极陶瓷外壳微渗孔隙处结冰，阻碍了电解质离子与环境间通过陶瓷外壳进行双向交换，从而直接影响阴极保护系统的电位控制和管地电位的准确测量。此外，现有的长效Cu/CuSO₄参比电极外壳均为陶瓷结构，罐体内Cu²⁺流失过快且易于和周围环境中存在的离子（如Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、OH^-等）进行离子交换，使得长效参比电极受到污染，造成电极电位发生偏离，这也给电位测量带来一定的误差。 

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种在高寒冻土区仍能保持电极电位准确、性能稳 定、环境适应性好并完全符合电化学理论和相关国家及行业标准的新型防冻型长效参比电极系统。 

为了实现上述目的，新型防冻型Cu/CuSO₄参比电极的结构设计具有以下几点创新点： 

（1）针对于现有长效Cu/CuSO₄参比电极内Cu²⁺通过陶瓷罐体微孔流失过快且易于和周围环境中存在的离子交换，造成参比电极容易受到污染而大大降低使用寿命的问题，本实用新型采用绝缘材料（如PVC，高强度玻璃钢）等材料制作电极体外壳；同时借鉴便携式参比电极的优点，将选用孔隙率更小、致密度更高的高性能陶瓷尖头；设计的改进从以下两个方面有效的延长埋地使用的长效固态Cu/CuSO₄参比电极的使用寿命：1）减轻外部环境杂质离子对电极体的污染，显著降低参比电极电解质受外界环境污染而造成电位漂移；2）减小罐体内Cu²⁺流失速率； 

（2）标准铜电极沿参比电极中心轴线放置，与电极内电极空间等长，这样一方面可以充分利用参比电极内腔储存的硫酸铜晶体，尽可能使参比电极寿命尽可能延长，另一方面也可增大离子与铜电极反应的面积，使得基准电位更加稳定； 

（3）为了改善现有长效Cu/CuSO₄参比电极在干旱地区适应性较差，电解液流失速率较快的弊端，本参比电极特别增加与外界储液罐相连通的补液管和补液口，当参比电极内的CuSO₄晶体耗尽或者周围土壤较干燥的时候,可以在地面上为参比电极直接补水； 

（4）通过注液孔向参比电极内加入一定比例的难电离的乙二醇防冻液，降低电解液的凝固点，使得在低温环境下Cu电极/电解质间以及下端渗透膜块/土壤界面处仍能是电解液保持可电离出自由移动离子的液态；所提供的参比电位在较基准电位不发生偏移的基础上，解决了现有长效参比难以适用于低温环境的缺点。 

本参比电极由绝缘材料外壳1、上端盖2、下端盖3、Cu电极4、注液孔5、陶瓷渗透模块6，电极线7、吸水层8、蓄水层9、过滤隔离层10、固体CuSO₄晶体11和补水导管12组成。在由上端盖2、下端盖3与外壳1配合密闭的电极体外壳竖向中心穿有Cu电极4，Cu电极4的下端连有陶瓷渗透模块6，并陶瓷渗透模块6露在电极体外壳外，Cu电极4的上端连有电极线7伸出电极体外壳外；在电极体外壳的上端盖2有两个注液孔5，注液孔5连有补水导管12；电极体外壳内表面和Cu电极4表面依次覆盖吸水层8、蓄水层9和隔离层，电极体内装满固体CuSO₄晶体11。 

其中： 

外壳1和上端盖2、下端盖3共同组成参比电极的主体结构，所用材料是高强度PVC、工程塑料ABS或者有机玻璃等绝缘材料； 

注液孔5带有螺纹，其中一个通过补水导管12与外界储液箱相连，另一个作为出气孔，以平衡参比电极内外的气压；在使用过程中，将水箱装有含一定比例的防冻液的饱和CuSO₄电解液置于参比电极上方，电解液利用自身重力作用源源不断的为电极补充电解质；在干燥的季节，也可以通过往储液箱注入饱和硫酸铜饱和溶液或水，以保证参比电极与环境间的润湿； 

Cu电极4为铜含量大于99.9%的高纯Cu，沿电极体轴线固定于上端盖电极安装孔，其长度与电极体内空间等长，圆柱型侧表面和下表面与吸水层相连，上端表面与电机线进行电连接，电极线7经接线封端密封引出，为方便抑制测量信号传输中受电磁干扰，电极线7采用RVP型或者RVVP型屏蔽电； 

电极外壳内表面和Cu电极4表面依次覆盖吸水层8、蓄水层9和隔离层，密闭空间内装满CuSO₄晶体；吸水层8由高级滤纸制作，蓄水层9用人造海绵制作；吸水层8与蓄水层9共同组成吸取聚集电解质水溶液的系统，形成参比电极内统一的电极反应环境，可以最大程度保持电极电位最大程度的稳定性；隔离层用细目涤纶纱网制作，以良好的通透性、致密性和绝缘性既实现了电极内空间的隔离和防护，又保证了电解质离子的自由运动。 

与常规参比电极相比，防冻型参比电极具有以下优势，见表1 

表1防冻型长效参比电极与常规长效参比电极性能比较 

防冻型长效参比电极系统的安装结构分为储液罐置于地下和储液罐置于地上两种。 

储液罐置于地下的安装结构如图2所示,测试桩17插入地下管道13的上方,由管道测试线16与管道13连接,由参比电极测试线15与埋于管道13侧的参比电极14的Cu电极4电极线7连接,参比电极14的补水导管12往上经垫板21接储液箱20,储液箱20置于露在地面19的密封箱18内。 

储液罐置于地上的安装结构如图3所示,在偏离管道13上方地面19上筑装置台22，装置台22上设置密封箱18，密封箱18内放置垫板21，垫板21上安装储液箱20，储液箱20引出补水导管12往下接参比电极14；测试桩17插入地下管道13的上方,由管道测试线16与管道13连接,由参比电极测试线15与埋于管道13侧的参比电极14的Cu电极4电极线7连接。 

综上所述，新型防冻型参比电极性能稳定，结构合理，符合电化学原理和国家及石油行业阴极保护技术等相关技术规范的要求，并符合既有参比电极的现场施工及应用习惯。在高寒冻土区正确埋设、安装、使用防冻型长效Cu/CuSO₄参比电极可以克服现有长效参比电极无法适用于低温环境的问题，也可以解决现有陶瓷罐体结构的长效参比电极电解质流失速率过快，易于受到环境污染而造成的电极电位不稳定，误差大等不足，对提高冻土区埋地长输油气管道阴极保护管理水平和技术水平，提高维护维修工作的质量和效率起良好作用。 

附图说明

图1防冻型长效Cu/CuSO₄参比电极结构示意图， 

图2防冻型长效Cu/CuSO₄参比电极安装示意图（储液罐置于地下） 

图3防冻型长效Cu/CuSO₄参比电极安装示意图（储液罐置于地上） 

其中1—外壳                 2—上端盖 

3—下端盖                   4—Cu电极 

5—注液孔                   6—陶瓷渗透模块 

7—电极线                   8—吸水层 

9—蓄水层                   10—过滤隔离层 

11—CuSO₄晶体               12—补水导管 

13—管道                    14—参比电极 

15—参比电极测试线          16—管道测试线 

17—测试桩                  18—密封箱 

19—地面                    20—储液箱 

21—垫板                    22—装置台 

具体实施方式

实施例。本例为试验装置，其结构如图1所示，整体具有双层结构。具体来说，本参比电极由绝缘材料外壳1、上端盖2、下端盖3、Cu电极4、注液孔5、陶瓷渗透模块6，电极线7、吸水层8、蓄水层9和过滤隔离层10和固体CuSO₄晶体11以及补水导管12组成。在由上端盖2、下端盖3与外壳1配合密闭的电极体外壳竖向中心穿有Cu电极4，Cu电极4的下端连有陶瓷渗透模块6，并陶瓷渗透模块6露在电极体外，Cu电极4的上端连有电极线7伸出电极体外；在电极体的上端盖2有两个注液孔5，注液孔5连有补水导管12；电极体内表面和Cu电极4表面依次覆盖吸水层8、蓄水层9和隔离层，电极体内装满固体CuSO₄晶体11。 

其中： 

外壳1和上端盖2、下端盖3所用材料是高强度PVC绝缘材料；外壳1的外形尺寸为φ100×200mm，壁厚8mm； 

注液孔5带有M10mm螺纹，其中一个通过补水导管12与外界储液箱相连，另一个作为出气孔； 

Cu电极4为铜含量大于99.9%的高纯Cu，沿电极体轴线固定于上端盖电极安装孔，其长度与电极体内空间等长，为184mm；上端表面与电机线进行电连接，电极线7经接线封端密封引出，电极线7采用RVP型屏蔽电线；电极外壳内表面和Cu电极4表面依次覆盖吸水层8、蓄水层9和隔离层，密闭空间内装满CuSO₄晶体；吸水层8由高级滤纸制作，蓄水层9用人造海绵制作；隔离层用细目涤纶 纱网制作，以良好的通透性、致密性和绝缘性既实现了电极内空间的隔离和防护，又保证了电解质离子的自由运动。 

图2为新型防冻型长效Cu/CuSO₄参比电极安装示意图，以对其使用进行进一步说明。目标管道位于东北高纬度地区，冬季地面最低气温为-47°C,管道材质X65钢，直径为Φ713mm，埋深为2.8m。在现场施工过程中参比电极放置于紧靠管道中心线外侧，距离管道300mm处，以减小管道电位测量过程中土壤IR引出的测量误差，电极电极线和管道测试电缆分别由参比电极和管道引出后，固定于管道测试桩内，便于管道管理人员进行近参比电位测量和参比电极电位校正。参比电极导管接口与储液箱之间通过补液导管相连。补液导管与参比电极和储液箱之间通过封帽进行紧固，防止漏液。储液罐可根据现场情况埋入地下或者置于地面之上（见图3）。 

本例经试验，性能稳定，结构合理，适用于低温环境，符合电化学原理和国家及石油行业阴极保护技术等相关技术规范的要求，并符合既有参比电极的现场施工及应用习惯。 

Claims (5)

1.一种防冻型长效参比电极系统，其特征是它由绝缘材料外壳（1）、上端盖（2）、下端盖（3）、Cu电极（4）、注液孔（5）、陶瓷渗透模块（6），电极线（7）、吸水层（8）、蓄水层（9）和过滤隔离层（10）和固体CuSO₄晶体（11）以及补水导管（12）组成；在由上端盖（2）、下端盖（3）与外壳（1）配合密闭的电极体外壳竖向中心穿有Cu电极（4），Cu电极（4）的下端连有陶瓷渗透模块（6），并陶瓷渗透模块（6）露在电极体外，Cu电极（4）的上端连有电极线（7）伸出电极体外壳外；在电极体外壳的上端盖（2）有注液孔（5），注液孔（5）连有补水导管（12）；电极体内表面和Cu电极（4）表面依次覆盖吸水层（8）、蓄水层（9）和隔离层，电极体内装满固体CuSO₄晶体（11）。 

2.根据权利要求1所述的一种防冻型长效参比电极系统，其特征是所述外壳（1）、上端盖（2）和下端盖（3）所用材料是高强度PVC、工程塑料ABS或者有机玻璃绝缘材料。 

3.根据权利要求1所述的一种防冻型长效参比电极系统，其特征是所述注液孔(5)带有螺纹，其中一个通过补水导管(12)与外界储液箱相连，另一个作为出气孔；所述外界储液箱装有饱和CuSO₄电解液或饱和硫酸铜饱和溶液或水。 

4.根据权利要求1所述的一种防冻型长效参比电极系统，其特征是所述Cu电极(4)为铜含量大于99.9％的高纯Cu，沿电极体轴线固定于上端盖电极安装孔，其长度与电极体内空间等长，圆柱型侧表面和下表面与吸水层相连，上端表面与电机线进行电连接，电极线(7)经接线封端密封引出；所述电极线（7）采用RVP型或者RVVP型屏蔽电线。 

5.根据权利要求1所述的一种防冻型长效参比电极系统，其特征是电极外壳内表面和Cu电极（4）表面依次覆盖吸水层（8）、蓄水层（9）和过滤隔离层（10），密闭空间内装满CuSO₄晶体；吸水层（8）选用高级滤纸，蓄水层（9）选用人造海绵，过滤隔离层（10）选用细目涤纶纱网。 

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