阴极设计论文范文

阴极设计论文范文（精选9篇）

阴极设计论文 第1篇

笔者查阅大量资料发现, 国内对高速流体中的阳极设计尚没有相应的规范和标准。通过本文的研究, 笔者旨在为广大设计人员提供牺牲阳极设计新的思路和方法。

1 PSV牺牲阳极的设计

通常情况下, 海水中钢结构的最小保护电位为-0.85~-0.95V, 最大保护电位不得低于-1.1V, 极化电位与自然电位差不得小于110MV。

1.1 阴极保护设计

1.1.1 阴极保护设计流程

1) 计算和决定阴极保护系统所需的保护电流、保护电位和所需功率。2) 计算被保护钢结构的面积。3) 设计牺牲阳极保护中阳极的材料的选择, 尺寸、数量的计算, 并决定其在结构中的布置。

1.1.2 PSV阴极保护设计实例[3]

上海外高桥造船PSV海洋平台供给船项目。

船号:H1340/H1341。

根据船东要求选取铝-锌-铟牺牲阳极, 根据附录, 保守选取性能参数。

铝阳极开路电位:-1.10 (V) , 工作电位:-1.05 (V)

钢结构的保护电位为:-0.85V

钢结构的保护面积为:S=60m2

驱动电位:ΔE=E1-E0=-0.85- (-1.10) =0.25V

设计保护电流密度:i=100m A*M-2

设计阳极尺寸: (150+100) 80600mm

阳极接水电阻:R=0.25√ (A) =0.204Ω

单个牺牲阳极的初始电流:I0=ΔE/R=0.25/0.204=1.226A

平均保护电流按经验计算:Im=0.55I0=0.674A

计算Al阳极所需数量:N=i*S/Im=9

2 高速流体中阳极设计要点

在高速流体中, 流速会改变钢铁和铝阳极表面的金属离子、H+离子、溶解O2的静态分布。从而产生去极化作用, 改变AlFe系统中的阴极、阳极稳态电位。导致实际的电流密度较静水电流密度增大;随着流速增大, 高速湍流会在金属表面产生附加剪切力, 加速阳极腐蚀产物的迁移, 使阳极表面的致密氧化膜难以形成, 减小了其极化作用。

2.1 极化原理

阳极极化:当阳极Al电子转移的速度大于Al+在海水中的溶解速度, 阳极聚集大量的带正电性的Al3+离子, 使其电极电位向正方向移动, 产生电化学极化。阳极溶解的金属离子会在阳极表面的液层和溶液本体间建立浓度梯度, 产生扩散。如果扩散速率小于金属的溶解速率, 阳极附近金属离子的浓度会升高, 导致电极电位升高, 产生浓度阳极极化。

阴极极化:由于电子进入阴极的速率大于阴极电化学反应放电的速率, 因此电子在阴极发生积累, 结果使阴极的电极电位降低, 发生电化学阴极极化。

2.2 去极化作用

去极化作用的常见形式:氢去极化腐蚀, 氧去极化腐蚀。

Al阳极在海水中的腐蚀, 其电极反应如下:

Fe阴极在海水中的腐蚀, 其电极反应如下:

1) H++e=H原子;H+H=H2 (氢原子复合反应)

在设计的牺牲阳极系统中, 为了保护船体涂层不被大量释放的氢气破坏破坏, 产生脱了和破裂, 需要控制Fe的阴极电位, 使阴极发生吸氧腐蚀。

2.3 流速对氧的去极化效率的影响

在静态水域, 一定的温度和压力下, 氧向金属表面的输送过程可以分为下列三个步骤:1) 氧通过空气和溶液界面溶入溶液, 以补足它在该溶液中的溶解度;2) 以对流和扩散方式通过溶液的主要厚度层;3) 以扩散方式通过金属表面溶液的扩散层而到达金属表面。

在这些步骤中, 通常主要受阻滞而成为控制步骤的是第三个步骤, 即氧的扩散步骤。扩散层厚度一般约为10-2~10-5cm。虽然扩散层的厚度不大, 但由于氧只能以扩散这样一种唯一的传质方式通过它, 所以一般情况下扩散步骤是最慢步骤, 以至使氧向金属表面的输送速度低于氧在金属表面的还原反应速度, 故此步骤成为整个阴极过程的控制步骤。在氧的浓度一定的条件下, 随着介质流速增加, 扩散层厚度减小, 极限扩散电流密度加大。对于PSV阴极保护系统, 当钢结构表面聚集的负电性电子层快速大量流失以后, 其电位将向正方向偏移, 当电位高于-0.85V时, 结构将被腐蚀。故设计中, 应加大对钢结构的电流密度供应。根据USD设计公司的推荐, 高速流体所处的导流管推荐电流密度为100m A*m-2, 是其他部位保护电流密度的3倍多。

2.4 PSV阴极保护系统中设计电流密度验证试验

对于PSV项目, 由于高速流动的海水消除了保护系统中的浓度极化和电阻极化, 只需要考虑阳极和阴极的电化学极化。通过实践分析, 流速的大小对阳极Al3+离子的溶解于扩散影响不大, 主要考虑阴极海水中溶解氧的去极化叠加作用。笔者提出, 可以采用恒定电流的实验测试的方法, 模拟测量在高流搅拌电解液的情况下, 测量阴极Fe的电位与电流密度的关系, 从而确定我们PSV的设计保护电流密度ic。将其代入1.1.2的设计计算中去, 从而得出实际所需的Al阳极尺寸和数量。

3 结论

通过研究, 笔者详细描述了海水流速对阳极电流密度的影响, 在实际的电化学系统中, 电流密度和各电极的电位成某种函数关系, 设计牺牲阳极, 关键在于要选择在不同环境中维持Fe的保护电位-0.85所需的电流密度。为广大设计者设计牺牲阳极提供了新的思路。

参考文献

[1]CB/T3855-1999海船牺牲阳极.阴极保护设计和安装.

阴极保护施工方案 第2篇

兰州某区饮水工程使用的是埋地钢管。全长4200米。为了减缓土壤对钢管的腐蚀，采用了防腐蚀涂料和外加电流法阴极保护联合防护措施。

一、施工法

（一）涂刷环氧煤沥青漆

管道表面喷砂处理后，涂两道环氧煤沥青漆。

（二）阴极保护施工：

1、外加电流法阴极保护的供电部分安装。

供电部分主要包括恒电位仪，电源系统和恒电位仪输出系统三部分，设在保护站内，（1）恒电位仪经调试后即进行固定，并安装电源线和恒电位仪的输出。输出线由仪器通过接线箱引至架空线路，再引至阳极床、阴极通电点及参比电极等处，从而为阴极保护提供电流。

（2）电源系统安装：电源箱打眼固定后，接好电源线和输出电源线，并安装接线板。

（3）恒电位仪输出系统的安装：接线箱引至架空线路的电缆及控制线端头进行焊接线鼻、上锡。阴——阳极电缆线各二根，参比电极讯号线3根、阴极讯号线2根。室内电缆及控制线均穿镀锌钢管，覆放在地面上。室外部分埋入地下。然后引至架空线路的第一根电杆上，与架空线路的电缆线，讯号线相连接。

2、架空线路的架设

架空线路共计1300多米，25根电杆上横担一个，每个横担上按4只瓷瓶。电缆阴极、阳极线分别为两根用瓷瓶固定。控制线则用钢绞线挂吊，电杆要安装避雷器。共安7个避雷器。

3、阳极床的安装：

（1）阳极床是由34只石墨阳极组成，分布在17个阳极井中，每个井内两支阳极。引线并联连接，由地下引至电杆并与架空线路中阳极线相连。

（2）将石墨阳极的引线端头剥皮、打磨与铜接线鼻锡焊待用。

（3）用Φ25PVC管制作排气管。制排气管17根，每根长5米，上面有一串间距20㎜的小孔，导气管共15根，每根长2.9米。放空管3根，长1.5米，上端钻小孔若干。护套管Φ200㎜，长1.5米。

（4）在地面上将阳极用尼龙绳绑在塑料排气管上，使阳极对着排气孔，并将引线固定好。将石墨阳极碎块填料放入井中，使其厚度25㎝。将绑好的石墨阳极及排气管放入井中摆正。在阳极周围填满石墨碎块。阳极顶部填料厚25㎝。

（5）排气管、导气管和放空管通过三通塑料管连接。电缆线和阳极引线的连接严格按图纸设计进行，用铜螺栓及铜螺母连接好。然后用塑料管、环氧沥青漆将结点绝缘密封。导气管与电缆线（双根）平行敷设，周围铺黄砂300㎜。上盖水泥盖板。将34支阳极的接线引至电杆处。回填土，平整并竖标牌。

4、阴极通点及电位测量点处各开挖一个面极1×1.5米，深1.5米的坑，露出管道顶部，然后将涂层清除干净共三点。阴极通电点二条阴

极电缆线及一条阴极电位讯号线。

（1）按图纸设计加工紫铜接线鼻，加强板并截取足够长的电缆线、屏蔽线。

（2）用铜焊法将铜接线鼻焊在加强板上，再将加强板采用四周角焊法焊接在管道上。将接头处用环氧沥青漆或玻璃布进行防腐绝缘。然后用松软土回填。

（3）电位监测点信号线引至地面，接在测试接线板上，阴极通电电缆线引至电杆时，按电缆沟敷设法敷设。

（4）阴极通电点电缆及阴极讯号线与架空线相连，接点用环氧沥青漆封闭绝缘。

5、参比电极井的安装：

管线保护电位的控制及监测采用长效饱和硫酸铜电极和镁电极两种参比电极。

（1）准确找出管线的位置，确定井位，使井的中心靠近钢管，将参比电极用尼龙绳悬挂在井内的钢筋架上，参比电极引线由地下引至电杆与架空线路控制线连接，按电缆沟法敷设，在控制参比电极井附近埋放一支镁电极。其引线有地下引至电杆与架空线路控制线连接。按电缆沟法敷设。

二、阴极保护装置调试及验收

全部安装完毕后，在保护站内开车调试，检查电源、恒电位仪接线无误后，给恒电位仪送电。调节电位为设计指定的保护电位，使阴极保护装置投入运行，调试测量内容如下：

（1）管道的腐蚀电位

（2）镁电极相对硫酸铜参比电极电位。

（3）当恒电位仪恒电位为—1.0V、—1.1V、—1.2V、—1.25V时，记录恒电位仪的输出电压、输出电流、管道监控点、管道保护电位等，确定管道最佳控制电位。

（4）在检查测试桩内测量保护管道与未保护管道的电位，以检查绝缘法兰的绝缘效果。

阴极设计论文 第3篇

整体叶盘是航空发动机结构创新与技术进步的关键零件, 电解加工是该类零件的主要加工方法之一, 美国GE、普惠, 英国RR, 德国MTU等航空发动机制造集团均将该技术作为研究重点[1,2,3]。近年来, 国内专家学者在整体叶盘电解加工领域也开展了许多研究, 取得了大量成果[4,5,6,7,8,9]。

在整体叶盘加工中, 叶片的叶尖区域是短路等加工意外的高发区域。加工中一旦发生短路, 阴极与阳极会在短路点熔融, 毁坏工件与工具。叶盘加工中, 一片叶片加工失败, 整个零件就会报废, 因此必须对上述问题开展研究, 提升加工稳定性。

为了解决上述问题, 本文采用有限元法对加工中的流场进行了分析, 结果表明, 叶尖区域流道过流面积存在突变, 电解液易从叶尖间隙分流, 导致流场随机波动, 诱发短路等加工意外。因此, 笔者设计了一种阴极移动密封结构, 在靠近叶尖处建立封液壁板, 该结构消除了叶尖区域流道的突变, 遏制了电解液分流, 提升了流场稳定性。为验证移动密封结构阴极的有效性, 开展了有限元分析及加工试验。

1 加工流场仿真与意外原因分析

整体叶盘在电解加工中, 叶盘毛坯通常倾斜装夹, 叶盆、叶背工具阴极伸入叶间通道后相互面向进给, 同时加工叶盆、叶背形面。由于叶间通道狭窄、扭曲, 故叶盆、叶背阴极必须设计成薄片。加工方法如图1所示。

整体叶盘形面加工中, 电解液通常采用三向进液、一向出液的三维复合流场方式。如图2所示, 3个进液口分别位于毛坯进气边、叶盆阴极背面、叶背阴极背面, 出液口位于毛坯排气边。位于进气边的进液口为主入口, 位于两阴极背面的进液口为辅助入口, 辅助电解液流经2个阴极背面, 由毛坯叶根与主电解液汇合, 共同由出液口流出。

电解加工中, 当工具阴极进给速度提升至1.3mm/min (单面速度0.65mm/min) 时, 随机性地会在叶片叶尖区域发生短路等加工意外, 导致加工中断, 损伤工件与工具。发生加工意外 (圈内部位) 的工件如图3所示。

电解液流场的稳定性是影响加工稳定性的重要因素, 流场不均会使电解产物在加工间隙中随机分布, 造成间隙内介质的电导率随机变化, 影响加工重复性。流场中出现的漩涡、空穴等流场缺陷, 还会诱发短路等加工意外。加工意外集中发生在相同部位, 很有可能是该区域流场存在缺陷。对加工区流道结构进行分析发现, 在毛坯叶尖外侧, 如图4圈出位置, 过流面积远大于加工间隙的突变区, 电解液易从大间隙流向出液口, 使本应流经加工间隙的电解液分流, 影响加工区电解液流场稳定性。基于上述分析有必要开展流场有限元分析。

在有限元分析中, 依据整体叶盘电解加工中阴极、工件与夹具形成的电解液流道结构, 对流道模型进行网格划分, 如图5所示。

图5中, 标号A的边界为主进液口, 电解液进液压力设为0.8MPa, 标号B、C的边界为辅助进液口, 电解液进液压力均设为0.6MPa, 编号D的边界设为出液口, 电解液出口背压设为0.1MPa。计算中, 湍流模型采用标准k-ε模型。

采用有限元分析方法计算上述模型, 仿真结果如图6所示。由图6a可以看出, 流体在进气边与排气边的流速较高, 在叶根与叶间区域流速较低, 整个形面大部分区域电解液的流速为12~18m/s, 叶间附近存在低流速区域。由图6b可以看出, 流体流速由进气边向排气边逐渐提高, 叶尖处的流速也偏低, 整个形面大部分区域电解液的流速为13~20m/s。电解液在叶尖区域流速较低, 已验证了流道结构分析的假设, 为了提升该区域流场稳定性, 必须从改变流道结构出发进行改进。

2 移动密封阴极设计

由上述分析可知, 若在靠近叶尖区域构建封液壁板 (图7) , 使主电解液、辅助电解液均只能从加工区流向出液口, 则叶尖区域流场稳定性必定能显著提升。因此设计出一种在叶尖区域具有移动密封结构的阴极, 如图8所示, 在叶盆、叶背阴极上分别设计封液块, 封液块相互啮合后在叶尖区域形成封液壁板, 阴极运动过程中可保持密封状态。该结构在整体叶盘电解加工流道消除了叶尖区域的流道突变与电解液分流。

为了掌握移动密封阴极对电解液流场的影响, 采用有限元分析方法进行分析。如图9所示, 具有移动密封流道模型的流道在叶尖处存在啮合封液壁板结构, 使该区域间隙显著减小。

该模型采用与加工流场仿真相同的边界条件参数, 编号A1的边界为主进液口, 电解液进液压力设为0.8MPa, 编号B1、C1的边界为辅助进液口, 电解液进液压力均设为0.6MPa, 编号D1的边界设为出液口, 电解液出口背压设为0.1MPa。

移动密封阴极的流场模型仿真结果如图10所示。与传统加工仿真结果相比, 叶尖区域的电解液流速明显提升, 叶尖区域流体速度约为20m/s, 加工区内流体的整体流速也明显提高, 叶背形面大部分区域电解液的流速为16~24m/s, 叶盆形面大部分区域电解液的流速为14~25m/s。由仿真结果可以看出, 移动密封阴极消除了叶尖区流道突变, 遏制了电解液分流, 显著提升了叶尖区域电解液的流速, 使整体叶盘电解加工流场稳定性进一步提升。为了验证有限元仿真结果的正确性, 开展多叶片扇段零件的连续加工试验。

3 多叶片连续加工试验

电解加工试验在本课题组自行研制的六轴四联动整体叶盘形面电解加工机床上进行。试验采用的移动密封结构阴极如图11所示, 基体材料为不锈钢, 啮合挡块材料为聚四氟乙烯, 靠近加工区的阴极非加工面上附着了一层丙烯酸树脂绝缘涂层, 通过绝缘的啮合挡块及涂层减少阴极非加工面对阳极工件的杂散腐蚀。试验毛坯如图12所示, 其材料为高温合金。

试验采用的工装夹具如图13所示, 在该夹具上设置了3个进液口、1个出液口, 通过夹具内部流道将电解液引流至加工区。

试验采用与前期试验及有限元分析相同的加工参数。电解液为硝酸钠溶液 (质量浓度为228g/L) , 电解液温度为30℃, 主进液口压力为0.8MPa, 辅助进液口压力为0.6MPa, 出液口背压为0.1MPa;加工电源采用大功率脉冲电源, 加工电压为20 V, 脉冲占空比为50%, 频率为1kHz。进给速度为1.3 mm/min (单面0.65mm/min) 。分两组, 连续加工2个扇段 (20个叶片) , 加工过程中未出现加工意外, 加工的扇段试验件如图14所示。加工试验表明, 移动密封阴极显著提升了整体叶盘加工稳定性。

采用三坐标测量机对上述2件扇段样件进行检测, 每片叶片的叶盆与叶背均检测5条受控线。以第2组扇段试验件检测结果中的第4条受控线为例, 11片叶片该受控线的检测统计结果如图15所示, 叶背受控线误差分布在32~93μm之间, 重复误差约为31μm;叶盆受控线误差分布在47~95μm之间, 重复误差约为38μm。因此采用移动密封阴极可以获得较好的加工重复精度。

采用表面粗糙度仪检测加工叶片的表面粗糙度, 检测结果如图16所示, 叶背形面表面粗糙度Ra=0.20μm, 叶盆形面表面粗糙度Ra=0.18μm。由此可知, 采用移动密封阴极可以获得较好的零件表面质量。

上述扇段结构与整体叶盘存在一定差异, 为进一步验证移动密封阴极在整体叶盘加工中的适用性, 开展了整体叶盘扇形模拟件加工, 加工过程稳定, 模拟件如图17所示。试验结果表明, 移动密封阴极加工方式具有较强的可行性。

4 结论

(1) 整体叶盘的电解加工中, 叶尖区域易发生短路等加工意外。对流道结构进行了分析, 并对流场开展了有限元仿真, 分析结果显示, 叶尖区域流道存在过流面积突变, 电解液从大间隙分流是诱发加工意外的主要原因。

(2) 提出了一种移动密封阴极结构, 在叶尖区域通过啮合封液块消除了流道突变, 阻止了电解液分流, 开展有限元分析, 结果表明, 该结构可显著改善电解液流场稳定性。

(3) 为了验证该结构阴极的实际效果, 开展了扇段及模拟件加工试验。试验结果表明, 移动密封阴极显著提升了加工稳定性, 试验件具有较好的加工重复性与表面质量。

参考文献

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[3]Buβmann M, Kraus J, Bayer E.An Integrated Costeffective Approach to Blisk Manufacturing[C]//Proceedings of 17th Symposium on Air Breathing Engines.Munich, Germany, 2005:1-9.

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阴极保护系统调试方案 第4篇

阴极保护系统通电前，应在所有趁热是装置出进行自然腐蚀电位的测量，并做好记录。通电后，应逐步调节通电电流，知道通电点的保护点位大道极限电位（-1.2V），电源设备应保持在此电位值，知道管道被充分极化，达到阴极保护准则的规定值（-0.85——-1.2v）,并记录电源设备输出的电压、电流值。

当通电后管道电位发生正向偏移，应立刻检查极性并纠正；当对周围建、构筑物有干扰影响是，应在接近构筑物上进行同步测量；当存在交、直流干扰影响时，应对干扰阴极保护系统的有效性影响进行测量，测量应在阴极保护系统运行及断电情况下进行。在这两种情况下，应至少保持24小时的连续管地电位数据，按照阴极保护准则指标，评价阴极保护的有效性。

阴极保护站恒电位仪控制电位值的调试确定原则是：管线各处管地电位以沿线各点的断电电位处于‐0.85~‐1.2V的合理范围内，即不处于低于‐0.85V的欠保护状态，又不超过‐1.2V的过保护状态（按绝对值）。必须以断电电位来评价，不能以通电电位来判定。为使控制电位合理，并作为今后管理的基础参数，需及时反馈管线断电电位并多次调试，才能确定合理的控制电位值。

阴极保护测试内容包括：

A、阳极地床接地电阻；

B、C、绝缘接头绝缘性能； 阴极通电点电位（通电电位、断电电位），相对硫酸铜参比电

极；

D、设备输出电流、电压。

阴极设计论文 第5篇

1.1 概述

混凝土中钢筋的腐蚀是一个电化学过程。而电化学防护技术是用于防止钢筋腐蚀问题的最贴切、有效的方法。用于混凝土中钢筋腐蚀的电化学防护技术主要为外加电流阴极保护技术。

1.2 结构原理

外加电流阴极保护技术的结构原理是,在钢筋混凝土内部放置一个永久性的辅助阳极,在辅助阳极与钢筋(阴极)之间连接一个直流电源,电源的负极与钢筋相接,正极与辅助阳极相接,通入的直流电流的大小必须足以迫使钢筋表面的阳极反应[见式(1)]完全停止,即

并使钢筋表面仅发生式(2)所示的阴极反应:

阴极反应式(2)能产生氢氧根离子,使混凝土的碱度增加,这将有助于重新建立被混凝土碳酸化或氯化物侵蚀破坏的钢筋钝化层。在装有外加电流阴极保护系统的混凝土中,带负电的氯离子被阴极(钢筋)排斥,并朝着辅助阳极的方向运动,在辅助阳极表面上失去电子被氧化形成氯气:

有效阴极保护的含义是,向被保护金属注入大量电子,把整个被保护金属的电位降低到其表面阳极区域的电位以下,以使被保护金属表面阳极区域与阴极区域之间的腐蚀电流停正流动。

1.3 经济分析

在技术方面,如高性能混凝土提高了混凝土的耐久性、抗氯离子渗透性、抗冻融破坏性等性能、但同时也容易产生细小的裂缝,从而减少的混凝土防护层的厚度和氯离子渗透路径;有机涂料可以阻隔氯离子渗透、阻锈剂能改善和提高钢筋的防腐蚀能力,但防护期一般在15-25年,防腐保护效果不确定性大。环氧涂层钢筋的防护期较长,但同时也存在着巨大的隐患,就是环氧钢筋施工要求高,在施工过程中很难保证不产生部分破损,一旦产生破损,即使是很细小的破损,也会在其范围内产生电化学反应,加速破损处钢筋的腐蚀,如同坚固的大坝中存在着白蚁洞穴。

外加电流阴极保护技术不是被动防护,而是主动预防,可对钢筋混凝土中钢筋腐蚀环境情况的监测,对钢筋所需的保护电流、保护电位进行24小时远程计算机自动控制和调节,达到主动预防效果;即使混凝土本身存在缺陷、裂缝等,也不会对钢筋的防护效果造成不利影响,仅引起保护电流的变化。并且保护年限根据要求进行设计,可超过100年。因此从实际保护效果来看,外加电流阴极保护技术在防护期限和主动控制等方面具有显著的优势。

2 工程实例

杭州湾大桥采用了圣维可公司的智能型计算机控制外加电流阴极防护技术对其三座主塔受腐蚀威胁最严重的水位变动区及浪溅区的混凝土结构进行保护,被保护的混凝土面积超过7000平方米。这是钢筋混凝土外加电流阴极预防技术在我国跨海大桥工程中应用的第一个实例。

应用外加电流阴极保护的原理对钢筋混凝土进行预防护和修复,是目前世界上最先进,也是唯一能对海洋工程建筑混凝土结构进行有效修复并主动保护的技术。可以从根本上解决钢筋腐蚀问题,使钢筋混凝土结构能够达到更长的设计使用年限。

混凝土阴极保护技术不是被动防护,而是主动预防,有显而易见的优越性。它主要有以下特点:(1)对钢筋的腐蚀进行主动防护:保护系统电流使钢筋混凝土中的钢筋始终处于阴极状态,达到对钢筋的主动防护作用。(2)可实现远程实时监控:通过自动监控系统,可以准确地监控钢筋的腐蚀情况,实时自动地调整钢筋保护电流和保护电位,监控系统与网络技术相结合,可实现远程监控。(3)混凝土表面裂缝对保护效果影响小:即使钢筋混凝土本身存在缺陷或裂缝等,使钢筋周围的氯离子含量升高,保护系统也可通过改变保护电流,使钢筋受到保护。(4)用电量小:EPS系统在正常情况下钢筋所需的防护电流约为3m A/m2,用电省,形象地说,一只100瓦的灯泡用电量可以保护5000平方米的混凝土面积。(5)适用面广:阴极防护防护范围区域可是水下区、潮差区、浪溅区、大气区等各部份的混凝土结构。(6)可设定保护期:保护年限根据要求进行设计,可超过100年。

3 结语

在所有的设计寿命超过50年的新建混凝土结构防腐方案当中,外加电流技术有着最好的表现。另外,唯有外加电流技术易于进行性能监控,并提供给业主受保护结构的监测数据。表面涂层初期投资少,相对经济,但防护期很短;环氧涂层钢筋的缺点是前期投入大,易受机械损坏和施工中容易存在缺陷,因此风险大;阻锈剂的性能很大程度上未经证实,并且在35年以后变得不经济。当建筑物和基础设施耐久性要求得到高度重视时,特别是在侵蚀性的海洋环境中,外加电流防腐技术将显示出其不可比拟的优势。

经过多年的不断研究之后,目前阴极防护技术实际应用钢筋混凝土结构上已经有35年以上的历史。迄今已有30多年的实例证明,在北美地区目前已经约有500座桥梁运用了阴极防护(对新建结构而言)和阴极保护(对旧结构而言)技术,全世界也有近千万平方米的实例。

大力开展钢筋混凝土阴极保护技术的研究和应用,今后,研究和开发功能好,成本低,寿命长,易施工,能适合不同环境混凝土中钢筋的阴极保护的阳极材料仍是主要目标。

摘要：结构的耐久性能一直是工程界研究的一个主要问题,在跨海大桥的耐久性设计方面,在国内,目前普遍选择牺牲阳极法作为阴极保护方法,而在国外跨海大桥的防腐保护中,外加电流法已经成为一种最常用的阴极保护方法。本文着重介绍外加电流法的基本原理及在杭州湾跨海大桥中的应用,供其它跨海大桥及港口工程参考。

阴极设计论文 第6篇

随着电子计算机等科学技术的发展, 医疗设备的现代化、智能化研究越来越受到人们的关注, 大量的科学家及工程技术人员都积极地投入到这一场医疗设备的革命中, 其中, 对各种类型射线底片观片设备的研究也是医疗设备开发的重点。由于传统的观片设备亮度低、均匀性差、容易引起视疲劳等缺点, 已经不能满足现代化医学诊断的要求。利用CCFL开发的观片仪具有结构简单、灯管表面温升小、灯管表面亮度高、使用寿命长、显色性好、发光均匀等优点。

本文介绍一种以C8051F350单片机作为主控芯片的全自动CCFL观片仪亮度调节系统, 当环境光强发生变化后, 该系统能够使观片仪的背景照明光强与环境光强比值保持最佳, 观测者看到的射线底片内容最为清晰而且不容易产生视觉疲劳[1,2]。观片仪亮度与环境光强的比值最初可由观测者根据自己的具体情况设定。该系统还可以实现观片仪的自动开关, 插入射线底片后自动点亮观片仪, 当系统闲置时, 观片仪会自动关闭进入省电模式, 延长了冷阴极灯管的使用寿命[3]。

1 CCFL观片仪调光原理

基于CCFL的观片仪是一种由冷阴极高频光源通过液晶背光技术 (LCD) 产生大面积的高亮度、均匀性好、噪声低的环保节能设备。采用CCFL背光照明技术, 将线光源转变为亮度均匀的面光源。CCFL发光强度由DC/AC逆变器控制, 通过改变逆变器控制电压从而改变CCFL的发光强度。为实现环境光强变化后观片仪能够自动调节到最佳观测亮度, 利用光电传感器动态采集环境光强, 由C8051F350对信号进行A/D化, 根据一定的算法处理后输出CCFL控制的电压, 达到自动调光的目的。

2 硬件设计

观片仪控制系统主要由自动开关、调光控制、通信接口三部分构成, 系统框图如图1所示。系统采用C8051F350为主控芯片, 红外对射管实现观片仪的自动开关。单片机通过实时采集环境光强和背景照明光强, 实现观片仪亮度的动态调节[4]。通信部分则采用RS 232接口方式, 主要完成系统参数的设置以及固件程序的在系统升级 (ISP) 。

2.1 红外对射管

观片仪自动开关由红外对射管传感器实现。当红外对射管之间插入射线底片后, 红外接收管则输出信号, 程序检测到该信号从而打开CCFL;当系统闲置时, 观片仪则自动熄灭。

红外对射管选择霍尼韦尔公司的SEP8505-002, 其工作波长为935 nm, 材料为GaAs (砷化镓) , 发光功率为7.8 mW/cm (流明) , 光谱宽度为80 nm, 正向压降为1.5 V, 输出电流为20 mA。与其配对的红外接收管为SDP8405-002, 功率为70 mW, 工作方式为三极管射极跟随输出方式[5]。光电接收管的输出饱和电流为0.4 mA, CE极的饱和电压为0.4 V, 红外检测电路见图2。

2.2 光强信号采集与调理

光电传感器在0～50 000 lux范围的照度下产生0～412 mV的电压, 而单片机的A/D输入电压范围为0～3.3 V, 因此系统采用LM324对信号进行放大调理, 其放大电路见图3。为实现将0～412 mV的电压放大到0～3.3 V的范围, 设计放大倍数为8, 放大倍数由式 (1) 确定:

$A{}_V=1+R{}_{24}/R{}_{23}(1)$

确定R23选择10 kΩ电阻, R24选择80 kΩ电阻。LM324由四个独立的运放组成, 为了提高采集光强的准确度, 分别用两个光电传感采集CCFL光强, 两个采集环境光强, 对这四路分别放大后直接输入到C8051F350的高精度AD转换通道0～3进行A/D化处理。

2.3 主控部分

主控芯片采用了美国Silicon Laboratories公司的混合信号ISP FLASH微控制器C8051F350, 其内部有一个全差分24位高精度Sigma-Delta模/数转换器 (ADC) , 该ADC具有片内校准功能, 保证了观片仪亮度的高精度动态调节。为实现其系统的稳定性和可靠性, 采用模拟和数字分开供电, 减少了数字信号和模拟信号之间的干扰[6,7,8]。C8051F350主要控制观片仪的自动开关、光信号的A/D转换与处理、控制信号的输出、RS 232串口通信。

2.4 控制信号放大

C8051F350内部有两个8位电流方式数/模转换器 (IDAC) , 本系统选用IDAC0, 能实现0～255范围的微调, 保证了系统的精度要求。IDAC0的最大输出电流可以有四种设置:0.25 mA, 0.5 mA, 1 mA和2 mA。设置IDAC0的满量程输出为0.5 mA, 通过2 kΩ电阻将电流转化为电压, 电压最大可达1 V, 再经过LM358将电压放大到0～6 V后输出, 从而实现CCFL的高精度调光设计, 如图4所示。

3 实验数据及处理

本系统采用2.6380型号的CCFL和 L88亮度计, 测量CCFL在0～6 V之间不同控制电压下的亮度, 实验结果如表1所示, 表中亮度为多次测量的平均值。为实现精确连续流畅的调光, 避免传统查表方式存在的精确度差占用存储空间多的缺点, 这里采用公式法计算输出控制电压。根据表1, 利用最小二乘法求解方程ATAc=ATy, 由Matlab数学软件拟合出CCFL控制电压与亮度的关系的表达式为[9]:

$U=-10.9958+3.5861B-0.2336B{}^2+0.0043B{}^3(2)$

式中:U为控制电压值, B为对应的亮度值。

4 软件设计

软件设计包括上位机软件和下位机程序。上位机软件主要实现下位机最佳对比度等必要参数的设置, 采用Visual C++6.0编写。下位机固化程序主要包括观片仪自动开关模块程序、CCFL发光电压控制模块程序、RS 232通信模块。采用模块化设计方式, 所有模块采用中断驱动方式, 提高了系统的效率。

下位机程序主要配合硬件实现动态调光控制。调光控制程序实现动态调节CCFL光强, 按照传统的方式是将电压与对应的亮度关系对照表下载到下位机中, 调光时通过查表找出最接近的值。本系统调光根据控制电压和亮度的函数关系通过计算获得控制电压, 节省了下位机的存储空间, 同时提高了调光的速度并保证了CCFL发光强度变化的连续性。调光控制的具体实现由C8051F350自带A/D对当前采集的背景照明光强和环境光强进行模数转化, 背景照明和环境光强的比值与设定置值进行比较, 如果大于设定值则说明环境光变暗, 此时需要将CCFL调暗到一定亮度, 如果小于设定值则说明环境光变强, 则需要提高CCFL的发光强度。CCFL的控制电压可由式 (2) 计算得出, C8051F350将控制信号输出调节观片仪背景照明光强。

5 结 语

由实验可验证控制系统能够实现观片仪的自动开关, 同时能有效地保证当环境光强发生变化后观片仪亮度自动调节, 并使得背景照明光强与环境光强的比值达到最佳。

参考文献

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[4]吴瑞金.一种高效率及宽亮度范围的CCFL背光控制器[J].电子元器件应用, 2002, 4 (10) :15-16.

[5]邱选兵, 王小伟, 夏春华, 等.基于C8051F340的高精度定时装置的设计[J].机械工程与自动化, 2008 (3) :22-24.

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并行管道阴极保护干扰分析 第7篇

如果使用实验方法研究各主要因素对并行管道干扰规律的影响, 这必将花费大量的人力、物力。然而数值模拟方法却可以很容易的通过建立并行管道阴极保护的数值模型, 分析各主要因素对并行管道干扰规律的影响。国内外众多学者利用数值计算方法解决了大量阴极保护的重要问题[3～5], 且Jacques Parlongue发表了一篇名为《阴极保护进入数值模拟时代》的论文[6,7]。显然数值模拟方法已成为一种研究阴极保护的重要方法。本文利用COMSOL建立并行管道的数学模型, 并基于此模型分析土壤电阻率、涂层面电阻、两管道间距对并行敷设管道干扰强度的影响。

1 控制方程及边界设置

国内外对阴极保护体系电位分布的数值研究, 大多数采用拉普拉斯方程为电势分布的控制方程[8～11], 如方程1

其中Φ为电势;σ为电导率;ρ为电阻率。

从数学上讲满足一个偏微分方程的解很多, 必须有特定的边界条件才能得到定解。同样, 对于管道阴极保护控制方程的求解也需要设定合理的边界条件。阳极采用电流边界条件, 阴极考虑了涂层面电阻和电化学反应, 地表面采用法向电流为零。模型中管道直径为0.72 m, 管道的长度为200 m, 两管道的间距为2 m, 管壁厚8 mm, 管道埋深为2 m。

2 结果分析与讨论

当今文献中对杂散电流对阴极保护的研究已有不少, 但是美中不足的是没有提出衡量干扰强度的物理量。因而也就无法定量化干扰强度, 同样也不能给出定量化的防止干扰的理论。经过深入分析, 我们定义了干扰强度量Fpo。物理意义为当只存在一个管道时管道电势与两个管道共同存在时管道电势之差与只存在一个管道时管道电势比值的绝对值。

管道1所受到的干扰强度F1po为:

管道2所受到的干扰强度F2po为:

其中ϕPS1, ϕPS2分别为只存在管道1或管道2时管道表面的ON电势, ϕPM1, ϕMP2分别为存在两管道时管道1, 2表面的极化电势。

计算结果表明, 随着电阻率的增加, 管道ON电势越负, 这主要是增加了阴极保护回路的欧姆压降。土壤电阻率越大, 干扰强度越大。这主要是因为土壤电阻率越大, 电流在土壤中的流动引起的欧姆压降越大, 而管道的电阻率极低。因而阳极发出的电流首先选择电阻最小的路径, 因此部分电流先进入非联合管道, 然后沿着管道流到某部位再离开管道, 流向被保护管道。土壤电阻率越大, 电流流入非联合管道的动力就越大。

从计算结果可以看出随着涂层面电阻的增加, 管道ON电势更负, 这主要是增加了电流流经涂层所引起的欧姆压降。涂层面电阻越大, 干扰强度越小。这也就是说明涂层面电阻越大防干扰能力越强。为了减小电流在土壤中流动所产生的欧姆压降 (IR) , 电流先从非联合保护管道的一个部位流入, 然后沿着管线流到某部位离开管线进入土壤, 最后流到保护管道。一般管道有保护涂层, 而保护涂层的面电阻很大。电流进出管道所引进的欧姆压降越大, 因而保护层面电阻越大, 干扰越小。

从计算结果可以看出可以看出随着两管道间距的增加, 管道ON电势越正, 更接近单管时的ON电势。这主要是随着两管道间距的增加, 两管道相互干扰的强度减小。一个极端的例子如果两管道相距足够远, 那么他们之间就不会有干扰。因而干扰强度也随着两管道距离的增加而降低。

3 结论

本文首先建立了并行管道的数值模型, 然后分析了土壤电阻率、管道涂层面电阻、两管道间距对并行敷设管道阴极保护干扰的影响。通过分析得出如下结论。

(1) 土壤电阻率越大, 干扰越严重。

(2) 管道涂层面电阻越小, 干扰越严重。

(3) 两管道间距越小, 干扰越严重。

参考文献

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[2]代以斌, 孙春良, 单蕾, 等.长输油气管道并行敷设阴极保护防干扰分析[J].石油与天然气化工, 2010, 39 (6) :557-560.

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[4]杜艳霞, 张国忠.储罐底板外侧阴极保护电位分布的数值模拟[J].中国腐蚀与防护学报, 2007, 26 (6) :346-350.

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[8]孙吉星.海洋结构物阴极保护优化模型及数值计算[D].中国海洋大学, 2006.

阴极电泳涂装的阳极系统维护 第8篇

1 阳极系统对电泳槽液的影响

在阴极电泳过程中, 阳极区不断产生游离有机酸, 反应方程式如下。

如果不及时除去产生的有机酸, 会导致槽液的pH值下降, 影响泳透力及涂膜性能, 并可能使车身的电泳膜发生溶解。除去槽液中的游离有机酸有两种方法:a.添加未中和或部分中和的阴极电泳涂料;b.采用阳极隔膜系统。本公司采用阳极隔膜法。

1.1 阳极系统的构成

阳极系统由极液槽、极液循环泵、极液流量计、阀门和极罩 (极罩内装有阳极管和离子交换膜) 等构成 (见图1) 。

1.2 阳极系统的工作原理

通过调节极液流量计, 极液循环泵使适量的阳极液从极液槽中循环到极罩。阳极液从极罩顶部软管流入, 向下流经阳极管外侧至极罩底部, 而后向上流入阳极管内部和离子交换膜之间的环形空间。在此上升过程中, 电泳槽里过剩的阴离子在电场的作用下穿过离子交换膜, 同阳极管中产生的氢离子中和, 然后通过溢流管返回到极液槽, 极液槽随时补加纯水, 以保持阳极液的电导率在规定的范围内。

1.3 阳极系统的参数控制

阳极系统的主要控制参数为阳极液的电导率及流量。

(1) 阳极液的电导率

在阴极电泳涂装中, 极液槽中的循环液为阳极液。阳极系统不仅提供了电场、电极, 而且通过对阳极液电导率的控制, 可排出电泳过程中过剩的阴离子, 以调节电泳槽液的pH值在工艺要求的范围内。阳极液的电导率通过电导率测量仪测定, 阳极液电导率的大小反映了阳极液的导电能力, 而阳极液的导电能力直接关系到涂膜质量, 阳极液的温度和酸含量与其电导率成正比。阳极液电导率因使用的电泳漆而有所变化, 不宜过高或过低, 配置阳极液时, 需在电泳漆厂家的指导下进行。根据油漆厂家的规定, 我公司所用HB2000电泳漆要求阳极液电导率为300～700μS/cm。

(2) 阳极液的流量

阳极液的循环量为每平方米有效阳极面积6～10 L/min, 阳极液不断冲洗阳极, 带走有机酸等成分。每个阳极罩的进液管上装有单独的控制阀门, 控制阳极液的流量。

2 阴极系统故障案例

在生产过程中, 发现阳极槽液的pH值越来越低, 通过多次排放阳极液, 效果不明显, 因此怀疑是阳极循环系统失去了作用。进一步检查发现在极液槽的液面上有粘稠的黄色物质, 通过分析确定为细菌, 据此初步判断可能是细菌堵死管路或泵而造成泵的循环量不够。对极液循环泵及管道进行拆装检查, 发现极液循环泵没有问题, 但循环管道却几乎被细菌堵死 (见图2和图3) 。这是由于平时只注重电泳主槽及UF系统的杀菌控制, 而忽略了极液槽及极罩的细菌处理, 导致细菌在长时间生产过程中不断积聚, 最终堵塞阳极循环管路, 使阳极系统失效。用与电泳漆配套的杀菌剂或双氧水可以杀除细菌, 通过与阳极厂家联系, 鉴于双氧水杀菌效果好、成本低、污染小, 决定使用双氧水对阳极系统进行定期杀菌。一般每个月在停产时排放一次阳极液, 用5%的双氧水对阳极系统进行杀菌处理, 循环30 min后排放, 再用纯水循环。开班前重新配制阳极液, 调整电导率到工艺范围内。如此运行后, 在极液槽液面上没有再发现漂浮的粘稠物质, 管路也无堵塞现象发生。

3 阳极的维护

我公司电泳线的阳极采用管式阳极。2008年9月, 发现车身电泳膜偏薄, 增加电压后, 电流增加不明显。通过潜水艇式电压测量仪 (有6个探头, 可以同时测量不同点的电压情况) 测量车身的有效电压 (在外加电压为280 V时, 潜水艇测量的车身各部位实际电压数据见表1、检测曲线见图4) , 发现车身的有效电压与外加电压相比偏低。通过分析、测量, 发现阳极的阻抗增大。经检查, 发现电泳槽体中间部位所安置的管式阳极的阳极芯腐蚀严重 (见图5) , 且腐蚀集中在相对槽液一侧。

因此, 为了最有效地利用阳极、延长阳极系统的使用寿命, 必须对阳极进行维护。

3.1 阳极管芯的维护

a.每3个月将管式阳极管芯的工作面旋转180, 这样可以有效地延长管式阳极的使用寿命, 避免工作面的过度腐蚀 (见图6) 。

b.电泳漆倒槽的时候, 根据日常电流记录, 将明显发生电流衰减的阳极安置到入槽段或出槽段的位置 (因为这些位置的阳极电流偏小) , 将原来入槽或出槽位置的阳极对调回发生衰减阳极的位置。这是非常有效的再次平均分布阳极的方式, 能获得较长的阳极平均使用寿命。

c.用高压水枪对阳极管的离子交换膜的外侧防护网和隔膜进行冲洗, 检测阳极管内部有没有细菌滋生物的大量沉积, 如果有, 用水枪尽量冲洗干净。

3.2 极罩中的离子交换膜 (阳极隔膜) 的维护

如果因工件刮碰或倒槽而导致管式阳极的隔膜损坏, 一般情况下, 很难维修, 但这只阳极可以在关闭极液循环系统的情况下继续使用, 需要注意, 没有极液循环的阳极会导致阳极芯快速腐蚀。如果阳极的数量很少, 无法关闭极液循环系统, 可以使用耐酸的、无填充 (AB胶等具有填充性) 的胶水修补或粘贴隔膜, 用以临时保证阳极液的循环, 待停产检修时再更换新的阳极隔膜。

4 结束语

强制电流阴极保护系统管理探讨 第9篇

强制电流阴极保护系统是阴极保护防腐措施之一, 是一种将被保护金属与外加电源负极相连, 由外部电源提供保护电流, 以降低腐蚀速率的方法。主要由整流电源、参比电极、阳极地床和连接电缆组成。外部电源通过阳极地床将保护电流引入地下, 通过土壤提供给被保护金属, 被保护金属在大地中仍为阴极, 其表面只发生还原反应, 不会再发生金属离子化的氧化反应, 腐蚀受到抑制。而阳极表面则发生丢电子氧化反应, 本身存在消耗。

主要技术参数:自然电位在0.4~0.7V间, 保护电位在0.85~1.25V间, 末点电位不低于0.85V, 闭孔地床电阻不超1Ω, 开孔地床电阻不超4Ω。

由于强制电流阴极保护系统具有驱动电压高、适应条件宽、保护范围大等优点, 已经成为重要的阴极保护技术措施, 主要用于大口径外输管道及站内储罐等设备上。

2 系统现状

为了控制腐蚀作用, 我厂加大了强制电流阴极保护系统的建设力度, 阴极保护对埋地管道和站内容器的覆盖率逐年提高。通过对系统建设情况统计, 运行年限绝大部分在15年之内, 已经实施保护管道占转油站以上外输管道总数的89.2%。截止2014年底有效运行率仅42.3%, 远低于公司要求的标准。

3 系统维护情况

3.1 现场检测

为掌握有保护系统存在的具体问题, 先后对11做站场的阴极保护系统进行现场测试。

3.2 系统修复

根据系统测试情况, 于2015年对存在问题强制电流阴极保护系统实施维修, 维修恒电位仪12套、阳极地床2座、接线箱14个, 截止目前已使13套系统恢复运行, 有效运行率达到了92.3%。

4 问题分析

4.1 存在的主要问题 (1) 系统无效运行

一是由于焊接质量差或未焊接、防护措施不过关、维修破坏等原因, 造成接线点虚接或脱落, 致使系统无效运行。

二是在系统发生参比电极失效、恒电位仪故障等问题后, 不能及时发现并采取措施, 致使系统长期故障运行, 缩短了使用寿命。

(2) 系统缺少维护

通常情况下, 应该定期实施恒电位仪内部清理灰尘、保持干燥, 参比电极浇水等维护措施, 这样才能确保设备的正常运行。但现场测试发现:个别恒电位仪内部存在较厚的灰尘和蜘蛛网, 甚至底部少量积水, 加速了设备部件的老化, 导致出现数据显示故障、仪表测量偏差大、自动控制失灵等问题, 个别参比电极由于未及时浇水, 致使电极内部的水分流失到土壤中而失效。

(3) 管道外防腐层破损

一般情况下, 在管道外防腐层出现严重破损时, 由于电流的流失, 导致系统难以达标运行。

4.2 原因分析

(1) 管理和监督措施不到位

对于强制电流阴极保护系统的运行管理没有建立有效的监督和考核机制, 系统出现故障后未被及时发现和修复。

(2) 缺少专业的维修维护队伍

目前使用的恒电位仪基本上都是外地生产, 本地负责销售和维修, 受到技术水平限制, 部分阴极保护系统的故障需要厂家技术人员进行维修, 导致维修时间过长。另外在阴极保护系统发生故障后, 报修程序较复杂, 导致维修不及时。

(3) 操作人员技术水平低

大部分现场操作人员对阴极保护系统的运行操作、参数设置、简单的故障处理等方面的技术知识掌握不足。例如在查看设备运行情况时, 只简单记录显示的参数, 对于参数是否正常不了解, 设备出现故障时不能及时发现, 也不能及时上报;对恒电位仪运行参数的合理设置范围不清楚, 不会重新进行参数设置;不会利用检测桩进行阴极保护电位测试等。

(4) 管道外防腐修复不及时

管道外防腐层的检测可以及时发现防腐层的微小破损点, 如果维修及时, 可以较小的投入防止破损进一步扩大, 避免强制电流阴极保护系统因负载超限而烧毁或者自动停机, 保证系统对管道的保护效果。

5 认识及建议

(1) 强化新建强制电流阴极保护系统的施工管理

从源头上杜绝施工缺陷对后续运行管理的不良影响。一是在施工过程中确保系统各部分的施工质量, 特别是隐蔽工程的质量要达到图纸和规范要求;二是在验收过程中, 严格按照标准要求, 除了进行恒电位仪、阳极地床、输出反馈电路、参比电极等部分的性能测试, 还要通过测试桩进行管道全程的保护电位测试, 确保新建系统各项指标达到设计要求。

(2) 完善强制电流阴极保护系统的运行管理体制

一是建立并完善一套强制电流阴极保护系统维修维护管理制度, 包括生产管理、运行考核机制、技术培训等系列制度和管理规定, 明确各管理部门、操作人员的职责;二是定期实施强制电流阴极保护系统运行效果的监督考核。

(3) 加强阴极保护装置的监测与维护

一是定期对设备设施进行监测。每半年组织对阴极保护系统的设备设施进行监测, 提高设备运行效果;二是建立《阴极保护管理手册》, 从日常管理和维护入手, 为基层队配备便携式参比电极、万用表, 监测管道保护电位, 及时调整运行参数, 及时维护, 提高保护装置的有效运行率。

摘要：本文系统地描述了强制电流阴极保护系统的建设和运行现状, 总结分析了强制电流阴极保护系统在建设和生产运行管理中存在的主要问题, 提出了下一步强化强制电流阴极保护系统运行管理的思路和方案。

关键词：钢质管道,强制电流阴极保护,管理

参考文献

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