陰極保護的幾個誤區及其解決方案

王芷芳

（天津大學 材料學院，天津300072）

陰極保護與防腐蝕層相結合是世界公認的最經濟最有效的防護措施。在實施陰極保護過程中，合理設計，精心施工能保證該技術的優勢最大化。但在目前應用過程中仍存在較多問題，如天津市燃氣管道逐漸由郊區遠距離單管長輸管道向城市近郊區、工業區短距離管網建設階段發展，過去不常遇到的問題如今都暴露出來了。為提高防腐蝕水平，有必要邊實踐、邊總結最先進和最經濟的技術。

1 陰極保護方法的選擇

關于城市管道的陰極保護設計，人們似乎進入一個誤區。如天津市一概采用犧牲陽極法，認為該方法具有干擾小、管理簡單、電流分布均勻等優點，但該方法也有局限性，如費用高、受土壤電阻率限制、壽命有限等。目前廣泛應用3PE管，使陰極保護電流須要量很小，電壓也小，基本不會對鄰近裝置造成干擾。在管理方面，犧牲陽極是多組埋設，在城建中人為破壞和丟失現象十分嚴重，難于管理。如陜津管線進城8km曾用45支鋅陽極，運行14a丟失18支，同時丟失多根測試樁。而54km的郊區的外加電流陰極保護至今運行正常，接地電阻≤1Ω，輸出電流0.2A，管理人員只需維護一個輔助陽極地床并保證電源正常運行即可，在管理上比犧牲陽極要簡單的多。由此例說明，外加電流具有裝置壽命長，不受土壤電阻率限制，電流輸出可調等優點，此外，外加電流在雜散電流大時也可任意調節電位。采用強制排流時，就是一種外加電流的陰極保護。

目前天津市要在五年內普及推廣節能環保，用天然氣取燃煤改善市區環境質量。從2012年初起在馬路下方重新敷設DN600～700 3PE的天然氣管線，為不影響交通，采取夜間施工，全部采用犧牲陽極保護。由于城市管線支線多，進入每個鍋爐也都要加絕緣，造成絕緣接頭用量很多，工程造價很高。

針對這一方案，建議劃區片采用外加電流保護方法。其優點是可調節輸出，劃區片內管道建支線、擴建和新建，在多數情況下可納入原有保護系統。此外，該方法還可避免過保護，不受土壤電阻率限制，減少絕緣接頭數量，成本會大幅度降低。

陽極地床有兩種方式：①低輸出外加電流保護，以區片為單位，這種裝置中，每個陽極床只安裝1～2支陽極，輸出電流小于1A，由于電壓小干擾就小，可大大減小陽極地床的數量。②深井陽級地床，保護電流從深處流向地表，在流動電流途中不存外部管線，不會造成干擾，對被保護結構不同部位都是獨立的終點，可以把遮蔽減少，致使電流分布均勻。一個陽極孔可以保護相當大區域又不造成干擾問題，此外陽極床位置可選擇任意處，所需孔數最少，占地最小，特別適合城市及工業區。北京燃氣從2007年起至今已用7～8口深井陽極保護城市不同區域管網實現追加陰極保護的工作值得借鑒。

2 外加電流的電源裝置的選用

在國外，外加電流裝置基本上都是整流器，而我國卻普遍使用恒電位儀。恒電位儀只能控制參比電極所在點的管道電位恒定在規定值，不能解決整條管線各點處的電位恒定，更不能解決整條管線上電位分布均勻。對于恒電位儀再加自控裝置，這種設備較復雜，易受外界干擾，一旦出現儀器故障，需請廠家修理。設備昂貴，維護困難，大大增加了陰極保護的投資成本。與之相比，整流器易控制、易維護、價格便宜，且完全可勝任陰極保護的需要。此外，長效參比電極要埋在終年潮濕環境中，不能浸在水中或太干燥的環境中，內部硫酸銅流失會使參比電極失效，而失去對恒電位儀的監控功能。據現場調查發現長年使用的硫酸銅參比電極絕大多數失效，恒電位儀無法工作。

3 犧牲陽極埋置數量

目前在設計陰極保護用的犧牲陽極存在數量過多，陽極質量過大，計算陽極壽命在百年或幾百年。現用的三層PE管不同于過去曾用過的防腐蝕層，它外層的聚乙烯使絕緣性能非常好，因此它須要的保護電流密度非常小。例如陜津管線運行14a保護54km的DN400三層PE管輸出電流一直保持在0.2A，計算實際運行的保護電流密度為3.7μA／m2。有一次該管線電源停電，但測全線管道電位都負于-0.85V（vs.cCSE）。后經調查，得知該線多處套管由于封口不嚴，套管內輸送管外纏鎂帶，由鎂帶提供的保護電流使套管外的管道得以極化到保護電位。又如，天津寶坻有一條DN200三層PE管，采用深井陽極外加電流保護，儀器還未輸出，但十多公里管線己達-0.90V（vs.CSE）的保護電位，后查找原因，是由于絕緣接頭安裝的接地電池的鋅棒提供的電流已使全線管線得到極化。從上述二例，證明三層PE僅須要很小的保護電流，就容易極化至保護電位。如果陽極設計過多，三層PE管只須很小的保護電流，勢必陽極輸出電流很小；或當陽極埋在過高土壤電阻率如砂土，陽極發不出電流，以上二種情況陽極容易產生窒息而鈍化。如新疆輪南油田地質是荒漠鹽砂土，氣候干燥少雨，土壤電阻率幾百歐米，這種極高土壤電阻率用鎂陽極，結果陽極輸不出電流而鈍化。就是土壤電阻率不高，過密設計陽極也會產生陽極鈍化。

4 絕緣接頭（或絕緣法蘭）數量

通常認為“沒有絕緣就沒有陰極保護”是對的。但在市區，管網密集，如犧牲陽極設計中，出現為保護一條2～3km主干管道，對與它相連的十幾或幾十個支管都需采取絕緣。如天津海河后五公里管線設計中，由于在市區支線特別多，支線要與干線管絕緣，則絕緣接頭需用幾十個，造價不菲。且安裝絕緣接頭會帶來加速腐蝕的后果，是由于陰極保護端電位負而非保護端電位正，產生幾百毫伏電位差，造成電解腐蝕，使非保護端電流流出而加速腐蝕。如張家口燃氣集團有一條外加電流保護的燃氣管道，經數年后，在距絕緣接頭不遠處非保護端一側出現了由于電解腐蝕造成的腐蝕坑，這就是陰極干擾造成的。這種副作用必須考慮。解決辦法有從設計上盡量構成區域保護，把支管也納入保護范圍，減少絕緣接頭（或法蘭）的數量，在絕緣接頭非保護端管道防腐等級要高一級，或在非保護端安裝大塊犧牲陽極以提高非保護端的負電位，減少與保護端的電位差。如果絕緣裝置能安裝在地上，在架空位置就可避免干擾。

5 土壤電阻率不高的土壤環境中要慎用鎂陽極

在天津氣改燃煤供熱工程中，測試城區地下水位高1～2m就見水，土壤電阻率在15Ω·m左右，陰極保護設計可以用鎂陽極，但在土壤潮濕的情況下，鋅陽極可以擴大應用范圍在30Ω·m，建議應該用鋅陽極更安全，因為鎂陽極開路電位-1.60V（vs.CSE），設計過密如100～200m放一支22kg／支鎂陽極，使三層PE管道極易出現過負，超過最大極限保護電位-1.20V（vs.CSE），現場實測都達到-1.60V（vs.CSE）或更負，其后果會造成析氫，產生對涂層的剝離破壞，另外氫氣滲入鋼材內部，使鋼材韌性降低，鋼變脆機械強度下降。過負電位也易引起應力腐蝕破裂（特別對高強鋼），因此，要慎重應用鎂陽極。鋅陽極開路電位-1.10V（vs.CSE）不會超過最大極限電位，相對而言比較安全。另外，城內干擾較嚴重，鋅也是較好的排流用陽極。

6 陰極保護電位測量數據以地表參比測值為準

測量管道某點陰極保護電位實際就是該點與參比電極之間存在的電位差，由于測量回路存在電阻，測得的電位差包括電流流過金屬和土壤時產生的IR降，且IR降有的幾十甚至高達幾百毫伏（當土壤電阻率較高時）使測量值與真實值存在較大誤差，這種測量方法就是常用的地表參比法，它不考慮IR降及雜散電流干擾影響。為了盡量降低IR降，可將參比電極盡量靠近被測管道表面，此法稱為近參比法。瞬間斷電法消除IR降是從電流考慮，如試片斷電電位即為管道測量點的陰極保護電位。極化探頭法：探頭由試片、參比電極和電解質組成，外部用絕緣體隔離，只留一個多孔塞子作為測量通道，這種結構可避免外界電流干擾，又使測得電位中IR降最小，用極化探頭斷電法測量可得到真實的極化電位。

7 管道陰極保護電位正常就可放心無憂了

對于運行多年的舊管線或三層PE管，曾經發現管道保護電位處于正常保護電位范圍即均負于-0.85V（vs.CSE）或更負，但仍發現管道腐蝕。檢查管道防腐蝕層發現，腐蝕部位一般都發生在防腐蝕層剝離區的下面或三層PE補口部位，這些部位由于防腐蝕層老化或失粘與管道分離，在剝離區下面，由于陰極保護電流受到防腐蝕層的屏蔽作用而不能到達管體，此處管體處于自然腐蝕電位，陰極保護不起作用，管道會繼續腐蝕。又由于形成小陽極（剝離區管體）與大陰極（完好覆蓋層管體）不利面積比，使小陽極腐蝕加劇。因此，不能單憑陰極保護電位來判斷管道保護效果，還要隨時關注防腐蝕層破損，特別要關注是否發生防腐蝕層剝離，要加強全面維護和管理，對剝離區的防腐蝕層要重新修復。

8 結論

隨著陰極保護的推廣和應用，特別是在城區管網建設中遇到的一些新問題：陰極保護方法的選擇、犧牲陽極材料的選用、犧牲陽極保護間距的確定、絕緣接頭（法蘭）使用的利弊以及測量方法等諸多問題都須要探討，需要在不斷總結經驗教訓的基礎上，相互交流，使陰極保護技術得以不斷改進與提高。