陰極保護(hù)技術(shù)在衡水市南水北調(diào)配套工程中的應(yīng)用

王偉

【摘要】埋地鋼質(zhì)管道的防腐措施主要有兩種，一是防腐層技術(shù)，二是陰極保護(hù)技術(shù)。本文以衡水市南水北調(diào)配套工程中某輸水管道下穿鐵路部位埋地鋼管陰極保護(hù)設(shè)計(jì)為例，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說明，期望對(duì)類似工程有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】鋼制管道 陰極保護(hù) 帶狀鎂陽(yáng)極

1 工程概況

衡水市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程第三設(shè)計(jì)單元某干線輸水管道需下穿石濟(jì)鐵路客運(yùn)專線，交叉角度900，穿越段主管材采用鋼管（SP），外部加設(shè)鋼筋混凝土套管保護(hù)，鋼管與套管之間吹填中粗砂封閉。

根據(jù)地勘報(bào)告[1]，在干濕交替作用下，地表水試樣PH值為3～11、（Cl-+SO42-）大于500mg/L，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性；地下水試樣PH值為3～11、（Cl-+SO42-）含量為8438mg/L，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性；管道埋設(shè)深度范圍內(nèi)表層約1.0m厚土壤電阻率為20～50Ω.m，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，表層1.0m以下土壤電阻率小于20Ω.m，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。

2 管道采取陰極保護(hù)的必要性

根據(jù)腐蝕電池原理，原電池的陽(yáng)極和陰極同處與電解質(zhì)中，腐蝕電池作用的大小代表了腐蝕的速率，以公式[2]表達(dá)為：

式中：I-腐蝕電池作用時(shí)產(chǎn)生的電流；其值越大，金屬的腐蝕量越大。

U陰-陰極電位；

U陽(yáng)-陽(yáng)極電位。

可見，為防止或減輕腐蝕，可從兩個(gè)途徑入手，一是使分子部分U陰-U陽(yáng)差值為零，即陰、陽(yáng)極間電位差為零，即陰極保護(hù)；或是使分母R→∞，可通過絕緣防腐層來實(shí)現(xiàn)，把管道和電解質(zhì)（土壤）隔離，使R無窮大。

根據(jù)本穿越段管道周邊環(huán)境水土的腐蝕特性、工程重要性及相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)鋼管內(nèi)、外表面分別采用水泥砂漿（內(nèi)壁）和特加強(qiáng)級(jí)溶劑型環(huán)氧煤瀝青（外壁）進(jìn)行防腐。考慮到管道外壁涂刷環(huán)氧煤瀝青雖然能夠有效地防止腐蝕介質(zhì)對(duì)管道的腐蝕，但由于漆膜難以避免的存在針孔、破損、漏涂等缺陷和自然老化，影響其防腐效果，而陰極保護(hù)和環(huán)氧煤瀝青保護(hù)層相結(jié)合，一方面可以防止防腐涂層破損處產(chǎn)生電蝕，另一方面涂層可大大降低陰極保護(hù)所需的極化電流，使得結(jié)構(gòu)物表面的保護(hù)電位分布均勻，可以達(dá)到更好的保護(hù)效果，因此對(duì)穿越段鋼管采用覆蓋層防腐和陰極保護(hù)相結(jié)合的防腐措施是必要的。

3 陰極保護(hù)原理

金屬腐蝕以腐蝕反應(yīng)的機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是指金屬和電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用（腐蝕電池）而引起的金屬損耗，絕大多數(shù)情況下金屬的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。在一定條件下，極化作用可降低金屬的腐蝕速率，其中將被保護(hù)金屬進(jìn)行陰極極化以減小或防止其腐蝕的方法稱為陰極保護(hù)法，可以通過強(qiáng)制電流法、犧牲陽(yáng)極法等途徑實(shí)現(xiàn)陰極極化過程。

根據(jù)托馬曉夫三電極模型[3]，把腐蝕體系看做一個(gè)短路的二元電池（電極K-電極A），在其上連接第三電極（Zn），由于第三電極的接入，使得原來短路的二元電池發(fā)生了變化，新的電極Zn替代了A，向K提供電子，使A不再腐蝕，此為陰極保護(hù)。三電極模型見圖1。

圖1 托馬曉夫三電極模型

圖a為腐蝕著的金屬（K-A）和陽(yáng)極（Zn）的接觸；圖b用來說明保護(hù)效應(yīng)現(xiàn)象的等效三電極模型。K為腐蝕電池的陰極，A為腐蝕電池的陽(yáng)極（金屬母體），Zn為第三電極。

4 陰極保護(hù)方法選擇

陰極保護(hù)一般有犧牲陽(yáng)極法和強(qiáng)制電流法兩種：犧牲陽(yáng)極法是用一種比被保護(hù)金屬電位更負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)金屬連接，其在電解液中因較活潑而優(yōu)先溶解，釋放出電流供被保護(hù)金屬陰極極化以實(shí)現(xiàn)保護(hù)；強(qiáng)制電流法是由外部的直流電源直接向被保護(hù)金屬通以陰極電流使之陰極極化，達(dá)到陰極保護(hù)的目的。兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 陰極保護(hù)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)比較

方法 強(qiáng)制電流 犧牲陽(yáng)極

優(yōu)點(diǎn) 輸出電流連續(xù)可調(diào)；保護(hù)范圍大；不受環(huán)境電阻率限制；工程越大越經(jīng)濟(jì)；保護(hù)裝置壽命長(zhǎng)。 不需外接電源；對(duì)鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小；投產(chǎn)調(diào)試后可不需要管理；工程越小越經(jīng)濟(jì)；保護(hù)電流分布均勻、利用率高。

缺點(diǎn) 需要外部電源；對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大；維護(hù)管理工作量大。 高電阻率環(huán)境不宜使用；保護(hù)電流不可調(diào)；防腐層質(zhì)量必須好；投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜；消耗有色金屬。

綜合以上比較分析，考慮到保護(hù)段長(zhǎng)度較短，本工程選擇犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。

5 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

5.1 犧牲陽(yáng)極種類選擇

通常根據(jù)環(huán)境（土壤或水）電阻率選擇犧牲陽(yáng)極的種類，再根據(jù)保護(hù)電流的大小來選取陽(yáng)極的規(guī)格。土壤中犧牲陽(yáng)極選取的原則見表2。

表2 土壤中犧牲陽(yáng)極種類的應(yīng)用選擇

可選陽(yáng)極的種類 電阻率（Ω.m）

帶狀鎂陽(yáng)極、鋅陽(yáng)極 >100

鎂（-1.7V） 60～100

鎂 40～60

鎂（-1.5V） <40

鎂（-1.5V）、鋅 <15

鋅或Al-Zn-In-Si <5（含Cl-）

注：① 在土壤潮濕環(huán)境下，鋅陽(yáng)極的范圍可擴(kuò)大至30Ω.m；② 表中電位均相對(duì)Cu/飽和硫酸銅CuSO4。

由物探成果可知，管周土的電阻率一般小于20Ω.m，管內(nèi)充填的中粗砂干燥狀態(tài)下電阻率一般在200～600Ω.m左右，潮濕狀態(tài)下一般為40～60Ω.m，因套管在實(shí)際運(yùn)行中完全密封很難達(dá)到和長(zhǎng)久保持，雨季地下水從套管裂紋中滲入管內(nèi)并滯留形成腐蝕環(huán)境，若采用設(shè)棒狀陽(yáng)極，由于套管的屏蔽作用犧牲陽(yáng)極的保護(hù)作用有限，綜合考慮后決定在鋼管外壁敷設(shè)帶狀鎂陽(yáng)極，以策安全。

5.2 保護(hù)電位

保護(hù)電位是指陰極保護(hù)時(shí)使金屬腐蝕停止（或可忽略）時(shí)所需的電位值。根據(jù)規(guī)范[4]要求，管道陰極保護(hù)電位（管/地界面極化電位）應(yīng)為-850mV（CSE，相對(duì)飽和硫酸銅電極，下同）或更負(fù)，陰極保護(hù)狀態(tài)下管道極限保護(hù)電位不能比-1200 mV（CSE）更負(fù)。