CN203419988U - 一种自动控温的长效参比电极 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种用于低温环境下输油气站场及沿线分输阀室阴极保护系统中的自动控温的长效参比电极。它是参比电极（5）通过阴极输出电缆（4）连接恒电位仪（1）的参比电极端子；恒电位仪（1）阳极输出端子通过阳极电缆（3）与埋地阳极地床（2）连接，恒电位仪（1）阴极输出端子通过零位接阴电缆（9）和外端管道（6）连接，恒电位仪（1）零位接阴端子通过阴极输出电缆（10）与外端管道（6）连接；外端管道（6）和站内管道（8）通过绝缘接头（7）进行电绝缘。本实用新型用于低温环境下输油气站场及沿线分输阀室阴极保护系统中，其性能稳定，环境友好，便于温度控制。

Description

一种自动控温的长效参比电极

技术领域

本实用新型是一种用于低温环境下输油气站场及沿线分输阀室阴极保护系统中的自动控温的长效参比电极，涉及一般金属材料的防蚀和管道系统技术领域。 

背景技术

管道运输凭借其运输量大、连续、经济和安全系数高等优点，一直作为石油、天然气等能源物资的主要运输途径。为了减少管道的腐蚀速率，通常采用防腐层和外加阴极保护的联合保护方法。长效参比电极，主要为管道电位测量和恒电位仪输出提供基准电位。其工作状态稳定与否，直接关系管道沿线阴极保护电位是否正常。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。在安装有恒电位仪的油气管道分输站、RTU阀室等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。 

通用技术的Cu/CuSO₄参比电极是纯铜电极置于纯净的饱和硫酸铜溶液中，发生如下电极反应： 

Cu—Cu^2＋+2e 

铜电极带正电，溶液带负电，界面形成电位差，当反应过程达到平衡状态时,即为的Cu/CuSO₄的电极电位。电极电位量值由能斯特公式计算： 

$E=E^0+\frac{\mathrm{RT}}{2F}\ln \mathrm{\α}{\mathrm{Cu}}^{2+}$

式中：E⁰为铜的标准电位，V；αCu²⁺为溶液中铜离子活度R为气体常数，8.31J/℃；T为绝对温度，K；F为法拉弟常数，96500C。 

反应过程平衡后的计算结果： 

E=0.337+0.03logαCu²⁺   （1） 

由公式可以计算，稳定后Cu/CuSO₄电极电位为+0.33V（相对于标准氢电极，25℃）， 

由公式（1）可知，Cu/CuSO₄电极电位与Cu²⁺活性紧密相关，只有当饱和CuSO₄

溶液保持纯净时，才能满足技术指标要求和保证基准电位稳定。 

参比电极的测量过程是通过参比电极内电解质溶液微量渗出形成的离子交换通道实现的，参比电极与测量环境的电解质交换取决于电极内外的渗透压，可用下式说明： 

V=k(P1－P2)   （2） 

式中：V为渗透量（质量或体积）；k为渗透系数，由陶瓷材料和结构（孔隙率0决定；P1为电极内渗透；P2为电极外渗透压 

由公式（2）可见，一般陆地测量过程中，P1>P2，即电极内渗透压高于电极外渗透压，电极内电解质溶液只有微量渗出，电极外电解质溶液不会渗入电极，参比电极不受污染，使用可靠；在水中测量时，可能发生测量过程参比电极淹没水中，致使P1<P2，即环境渗透压高于参比电极内渗透压，环境电解质溶液可微渗入参比电极，参比电极可能受到污染。 

目前现有的长效Cu/CuSO₄参比电极主要针对常温环境下埋地长输管道阴极保护需要而研制的，在低温环境下使用受到一定局限，这是因为温度较低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⁺、M_g ²⁺、Cl^—、OH^—等）进行离子交换，使得长效参比电极电解质环境受到污染，造成电极电位发生偏离，给电位测量带来一定的误差。通常而言，降低电解液冷凝点的途径有两种：添加难电离得防冻液以及对参比周围环境进行温度控制。徐承伟等申请的专利（一种新型防冻型长效参比电极系统，专利申请号：201220447247.4）中曾设计一种新型参比电极，该电极采用补水导管向参比电极内定期添加防冻液来保证参比内外电解质的交换。该参比电极简单实用，但随着防冻液的减少，需要人员定期维护，在无人值守的站场（阀室）使用，管理成本较高。 

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种用于低温环境下输油气站场及沿线分输阀室阴极保护系统中性能稳定、环境友好、便于温度控制的自动控温的长效参比电极。 

本实用新型提出的自动控温的长效参比电极，是一种温控型长效Cu/CuSO₄参比电极。该参比电极可为阴极保护系统的主要部分，为测量管道保护电位提供稳定的参考电位信号，可应用于寒区无人值守的站场（阀室）的阴极保护。 

自动控温的长效参比电极安装示意如图1所示。它包括恒电位仪1、阳极地床2、阳极输出电缆3、阴极输出电缆4、参比电极5、外端管道6、绝缘接头7、站内管道8、零位接阴电缆9和阴极输出电缆10。参比电极5通过阴极输出电缆4连接恒电位仪1的参比电极端子；恒电位仪1阳极输出端子通过阳极电缆3与埋地阳极地床2连接，恒电位仪1阴极输出端子通过零位接阴电缆9和外端管道6连接，恒电位仪1零位接阴端子通过阴极输出电缆10与外端管道6连接。外端管道6和站内管道8通过绝缘接头7进行电绝缘，所述绝缘接头7采用绝缘法兰，因避免阴极保护电流在站内通过接地网流失。 

自动控温的长效参比电极结构如图2所示。本参比电极由上端盖11、电极外壳12、下端盖13、Cu电极14、渗透陶瓷模块15、加热线圈16，温度传感器17、高分子树脂吸水层18、PVA蓄水层19、过滤隔离层20、固体CuSO₄₄·5H₂O晶体21、补水导管22、注液孔23、屏蔽导线24、电极封端25和温度控制器26组成。 

上端盖11、电极外壳12和下端盖13构成的密封的电极体内表面由外向内依次覆盖高分子树脂吸水层18、PVA蓄水层19和过滤隔离层20，密闭空间内装满CuSO₄·5H₂O晶体21；高分子树脂吸水层18与PVA蓄水层19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；Cu电极14沿电极体轴线固定于上端盖电极封端25的中心孔；Cu电极14的下端连有陶瓷渗透模块15，陶瓷渗透模块15露在电极体外壳外，Cu电极14的上端连有屏蔽导线24，屏蔽导线24经接线封端密封引出；在电极体外壳的上端盖11上预留注液孔23，预留的注液孔23外端连有补水导管22，在干燥的环境下，可以通过储水箱或者人工通过补水导管22向参比电极5内部补水，以保证参比电极与环境间的润湿。 

所述参比电极主体结构由上端盖11、电极外壳12、下端盖13组成，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；上下端盖和绝缘材料之间采用环氧树脂进行密封，确保溶液不渗漏，外界杂质不进入电极体内部； 

所述参比电极5为温控性长效参比电极； 

所述高分子树脂吸水层18由吸水性高分子树脂制作，主要成分为聚丙烯酸钠； 

所述PVA蓄水层19用高性能PVA吸水海绵制作； 

所述过滤隔离层20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； 

所述Cu电极14为铜含量大于99.9%的高纯Cu； 

所述屏蔽导线24采用RVP型或者RVVP型屏蔽线，为方便抑制测量信号传输中受电磁干扰。 

为了精确控制参比电极工作温度，特安装一温度控制器26，温度控制器分为三个部分，温度控制模块、加热模块（加热线圈16）和温度采集模块（温度传感器17）组成。加热线圈16位于电极体的底部，用于对电极体内进行加热。温度采集模块位于电极体中部，用于监测电极体内的温度。温度控制模块位于上端盖11的顶部，引出的导线分别连接温度加热线圈16和温度传感器17。 

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 

综上所述，新型温控型参比电极性能稳定，适合低温及干燥环境，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，也可以解决现有技术温度无法精确控制的问题，同是避免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为自动控温的长效参比电极安装示意图 

图2为自动控温的长效参比电极结构半剖面视图 

其中1—恒电位仪         2—阳极地床 

    3—阳极输出电缆     4—阴极输出电缆 

    5—参比电极         6—外端管道 

    7—绝缘接头         8—站内管道 

    9—零位接阴电缆     10—阴极输出电缆 

11—上端盖           12—电极外壳 

13—下端盖           14—Cu电极 

15—陶瓷渗透模块     16—加热线圈 

17—温度传感器       18—高分子树脂吸水层 

19—PVA储水层        20—过滤层 

21—CuSO₄·5H₂O晶体  22—补水导管 

23—注液孔           24—屏蔽导线 

25—电极封端         26—温度控制器 

具体实施方式

实施例.图1为一种自动控温的长效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-53℃,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5放置于站场（阀室）通电点正上方，并尽可能靠近通电点处放置，以减小管道电位测量过程中土壤IR引出的测量误差。 

本自动控温的长效参比电极包括恒电位仪1、阳极地床2、阳极输出电缆3、阴极输出电缆4、参比电极5、外端管道6、绝缘接头7、站内管道8、零位接阴电缆9和阴极输出电缆10。具体安装步骤为：参比电极5通过阴极输出电缆4连接恒电位仪1的参比电极端子；恒电位仪1阳极输出端子通过阳极电缆3与埋地阳极地床2连接，恒电位仪1阴极输出端子通过零位接阴电缆9和外端管道6连接，恒电位仪1零位接阴端子通过阴极输出电缆10与外端管道6连接。外端管道6和站内管道8通过绝缘接头7进行电绝缘，所述绝缘接头7采用绝缘法兰，因避免阴极保护电流在站内通过接地网流失。如参比电极5埋设位置环境较干燥，可以采用参比电极导管接口23与储液箱之间通过补液导管22相连。补液导管与参比电极、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。 

本自动控温的长效参比电极结构如图2所示。本参比电极由上端盖11、电极外壳12、下端盖13、Cu电极14、渗透陶瓷模块15、加热线圈16，温度传感器17、高分子树脂吸水层18、PVA蓄水层19、过滤隔离层20、固体CuSO₄₄·5H₂O晶体21、补水导管22、注液孔23、屏蔽导线24、电极封端25和温度控制器26组成。 

上端盖11、电极外壳12和下端盖13构成的密封的电极体内表面由外向内依 次覆盖高分子树脂吸水层18、PVA蓄水层19和过滤隔离层20，密闭空间内装满CuSO₄·5H₂O晶体21；高分子树脂吸水层18与PVA蓄水层19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；Cu电极14沿电极体轴线固定于上端盖电极封端25的中心孔；Cu电极14的下端连有陶瓷渗透模块15，陶瓷渗透模块15露在电极体外壳外，Cu电极14的上端连有屏蔽导线24，屏蔽导线24经接线封端密封引出；在电极体外壳的上端盖11上预留注液孔23，预留的注液孔23外端连有补水导管22，在干燥的环境下，可以通过储水箱或者人工通过补水导管22向参比电极5内部补水，以保证参比电极与环境间的润湿。 

为了精确控制参比电极工作温度，特安装一由温度控制模块、加热线圈16和温度传感器17组成得温度控制器26。加热线圈16位于电极体的底部，温度传感器17位于电极体中部，温度控制模块位于上端盖11的顶部，引出的导线分别连接温度加热线圈16和温度传感器17。 

其中： 

参比电极主体结构由上端盖11、绝缘材料外壳12、下端盖13组成，所用材料是高强度工程塑料ABS；绝缘材料外壳12的外形尺寸为φ120×250mm，壁厚8mm；遮光膜采用黑色PET薄膜，厚度为0.05mm；上下端盖和绝缘材料外壳之间采用环氧树脂进行密封，确保溶液不渗漏的同时外界杂质不进入电极体内部； 

陶瓷渗透模块15主要由Al₂O₃粉末在压实后于1150℃温度下烧制30h后所得，底端为圆柱形，规格为φ25×10mm，顶端为圆锥体，底面直径为25mm，锥顶角为60°; 

Cu电极14(纯度大于99.9%)的直径为φ5mm，长度为225mm； 

高分子树脂吸水层18由吸水性聚丙烯酸钠高分子树脂制作，厚度为1mm； 

PVA蓄水层19用高性能PVA吸水海绵制作,厚度为3mm； 

过滤隔离层20用细目涤纶纱网制作,孔径为800目，约15μm; 

屏蔽导线24采用RVVP300/300V型屏蔽铜导线。 

为了精确控制参比电极工作温度，特安装一由温度控制模块、加热线圈16和温度传感器17组成得温度控制器26。加热线圈16位于电极体的底部，温度传感器17位于电极体中部，温度控制模块位于上端盖11的顶部，引出的导线分别连接温度加热线圈16和温度传感器17。通常情况下，参比电极5周围环境温度在5℃-25℃为宜，在东北某管线站场，将参比电极控制温度设为10℃，当温度 传感器17探测到电极周围温度低于设定温度时，温度控制器26给加热线圈反馈信号，控制温度加热线圈16对周围环境加热，直至设定温度。 

本例经试验，电极结构牢固，接头耐腐蚀，微孔膜渗漏速度合宜，性能稳定，电极电位不易被极化，结构合理，适用于冻土等低温环境。电极设计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，适合测量被保护构筑物的准确电位。 

Claims (10)

1.一种自动控温的长效参比电极，其特征是它包括恒电位仪（1）、阳极地床（2）、阳极输出电缆（3）、阴极输出电缆(4)、参比电极（5）、外端管道（6）、绝缘接头（7)、站内管道（8）、零位接阴电缆（9）和阴极输出电缆（10）；参比电极（5）通过阴极输出电缆（4）连接恒电位仪（1）的参比电极端子；恒电位仪（1）阳极输出端子通过阳极电缆（3）与埋地阳极地床（2）连接，恒电位仪（1）阴极输出端子通过零位接阴电缆（9）和外端管道（6）连接，恒电位仪（1）零位接阴端子通过阴极输出电缆（10）与外端管道（6）连接；外端管道（6）和站内管道（8）通过绝缘接头（7）进行电绝缘。

2.根据权利要求1所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述参比电极（5)由上端盖（11）、电极外壳（12）、下端盖（13）、Cu电极（14）、渗透陶瓷模块（15）、加热线圈（16），温度传感器(17)、高分子树脂吸水层(18)、PVA蓄水层(19)、过滤隔离层(20)、固体CuSO₄₄·5H₂O晶体(21)、补水导管(22)、注液孔(23)、屏蔽导线(24)、电极封端(25)和温度控制器(26)组成；

上端盖(11)、电极外壳(12)和下端盖(13)构成的密封的电极体内表面由外向内依次覆盖高分子树脂吸水层(18)、PVA蓄水层(19)和过滤隔离层(20)，密闭空间内装满CuSO₄·5H₂O晶体(21)；高分子树脂吸水层(18)与PVA蓄水层(19)共同组成吸取聚集电解质水溶液的系统；Cu电极(14)沿电极体轴线固定于上端盖电极封端(25)的中心孔；Cu电极(14)的下端连有陶瓷渗透模块(15)，陶瓷渗透模块(15)露在电极体外壳外，Cu电极(14)的上端连有屏蔽导线(24)，屏蔽导线(24)经接线封端密封引出；在电极体外壳的上端盖(11)上预留注液孔(23)，预留的注液孔(23)外端连有补水导管(22)。

3.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述参比电极（5)中还安装有温度控制器（26），温度控制器（26）分为三个部分，温度控制模块、加热线圈（16）和温度传感器（17）；加热线圈（16）位于电极体的底部，温度传感器（17）位于电极体中部，温度控制模块位于上端盖（11）的顶部，引出的导线分别连接温度加热线圈（16）和温度传感器（17）。

4.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述参比电极主体结构由上端盖（11）、电极外壳（12）、下端盖(13)组成，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；上下端盖和绝缘材料之间采用环氧树脂进行密封。

5.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述参比电极(5)为温控性长效参比电极。

6.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述高分子树脂吸水层（18）由吸水性高分子树脂制作，主要成分为聚丙烯酸钠。

7.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述PVA蓄水层（19）用高性能PVA吸水海绵制作。

8.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述过滤隔离层（20）用细目涤纶纱网制作。

9.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述Cu电极（14）为铜含量大于99.9%的高纯Cu。

10.根据权利要求2所述的自动控温的长效参比电极，其特征是所述屏蔽导线(24)采用RVP型或者RVVP型屏蔽线。

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