埋地鋼質(zhì)燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設(shè)計思路研究

朱　煉（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶　404100）

埋地鋼質(zhì)燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設(shè)計思路研究

朱煉
（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶404100）

摘要：本文首先簡要分析了埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕機理，在此基礎(chǔ)上提出埋地鋼質(zhì)燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設(shè)計思路。期望通過本文的研究能夠?qū)β竦劁撡|(zhì)燃氣管道使用壽命的延長有所幫助。

關(guān)鍵詞：鋼質(zhì)燃氣管；陽極；陰極保護

近年來，隨著天然氣在國內(nèi)各大主要城市的廣泛應(yīng)用，使得燃氣管道遍布城市地下，由于管道本身采用的是金屬材質(zhì)，在地下環(huán)境中，金屬極易腐蝕，這樣很容易造成燃氣泄漏，嚴重時則會引起火災(zāi)、爆炸等重大安全事故，后果不堪設(shè)想。為此，必須對埋地金屬燃氣管道的防護予以足夠的重視。

1　埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕機理分析

在眾多腐蝕環(huán)境當(dāng)中，土壤是一種較為特殊的腐蝕環(huán)境，這是由其非均勻的特質(zhì)所決定的。對于金屬材質(zhì)而言，其在土壤中的腐蝕屬于電化學(xué)的過程，土壤本身的不均勻性會引起同一金屬不同部位之間的電位差，由此便會形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。當(dāng)出現(xiàn)土壤腐蝕時，陰極過程為氧還原，在陰極區(qū)域內(nèi)會生成OH-離子，而在陽極區(qū)，金屬由于失去一個或是多個電子，會轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘訇栯x子，進而引起陽極氧化反應(yīng)，此時陰極區(qū)會獲得電子，并隨之發(fā)生陰極還原反應(yīng)，由此形成了電池效應(yīng)。通常情況下，絕大部分土壤的腐蝕過程均是由陰極過程控制的，具體而言，就是腐蝕微電池控制腐蝕，這種情況與電解液中的金屬腐蝕現(xiàn)象極為類似。當(dāng)土壤本身比較干燥且疏松時，隨著氧的滲透率增加，腐蝕過程則會轉(zhuǎn)為由陽極控制，該情況與大氣腐蝕的特征非常接近。

1.1化學(xué)與電化學(xué)腐蝕

1.1.1化學(xué)腐蝕。這種腐蝕類型具體是指金屬與O2、Cl2和SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后所引起的腐蝕，即氧化還原反應(yīng)引起的腐蝕。當(dāng)腐蝕發(fā)生之后，腐蝕產(chǎn)物會附著在金屬的表面上，腐蝕的過程中不會產(chǎn)生電流。

1.1.2電化學(xué)腐蝕。這種腐蝕類型是金屬與電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕。埋地金屬燃氣管道的腐蝕便屬于此類腐蝕。在反應(yīng)的過程中，金屬由于失去電子被氧化，整個反應(yīng)過程被稱之為陽極反應(yīng)過程；而介質(zhì)當(dāng)中的物質(zhì)由金屬表面獲得電子被還原的反應(yīng)過程被稱之為陰極反應(yīng)過程。

1.2細菌腐蝕。當(dāng)鋼質(zhì)的燃氣管道在含有硫酸鹽的土壤中時，土壤環(huán)境中存在的細菌并不會對鋼管造成腐蝕，但在陰極反應(yīng)過程中，氫會與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，并生成硫化物，硫酸鹽還原菌則會借助有機質(zhì)進行大量繁殖，由此便會形成腐蝕鋼質(zhì)管道的化學(xué)環(huán)境，這樣一來，鋼管的腐蝕也會隨之加劇。

2　埋地鋼質(zhì)燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設(shè)計思路

2.1犧牲陽極陰極保護設(shè)計要點

2.1.1合理選擇陽極種類。在犧牲陽極陰極保護的設(shè)計中，陽極材料的選擇至關(guān)重要，其直接關(guān)系到保護效果。目前，在工程中常用的犧牲陽極材料有以下幾種：鎂、鋁、鋅及其合金。相關(guān)研究結(jié)果表明，在土壤環(huán)境當(dāng)中，鎂合金陽極開路的電位較高，適合在電阻率高度區(qū)域內(nèi)的工作；鋅合金陽極由于本身的自腐蝕性較小，加之電流效率較高、壽命長，故此其適合在電阻率較低的區(qū)域中使用；鋁陽極的單位發(fā)電量要高于鎂和鋅，但其在土壤當(dāng)中的性能不太穩(wěn)定，由此導(dǎo)致了陽極效率較低，所以在設(shè)計中使用的相對較少。

2.1.2陽極數(shù)量的確定。通常情況下，陽極的數(shù)量需要通過相關(guān)的計算進行確定，具體如下：

①總保護電流。可用It表示總保護電流，其計算公式如下：

It=πDL·i（1）

在上式當(dāng)中，D代表被保護鋼管的外徑，L代表鋼管的長度，i代表保護電流密度（可取30μA/m2）。下面以DN400管徑為例，長度為1000m管道所需的保護電流為3.14×0.426×1000i=40mA。

②單個陽極的輸出電流。可通過相關(guān)的經(jīng)驗公式對單個陽極的輸出電流Ia進行計算，具體如下：

Ia=120000fy/p（2）

上式當(dāng)中，f代表犧牲陽極的質(zhì)量系數(shù)（可取1）；y代表被保護金屬對地電位系數(shù)（電位為-0.85V時，可取1）；p代表土壤的電阻率（通常為30-50Ω·m），本文按最高值進行計算，則Ia=24mA。

③陽極數(shù)量。可用下式對陽極的具體數(shù)量進行計算：

N=σIt/Ia（3）

在上式當(dāng)中，σ代表備用系數(shù)（可取2-3）。本文按照3進行計算，則陽極數(shù)量為5.1只。

2.1.3犧牲陽極的布設(shè)。犧牲陽極應(yīng)當(dāng)采用單只或是成組的方式進行布設(shè)，同一組內(nèi)的陽極應(yīng)當(dāng)批號相同且開路點位相等；埋設(shè)的位置應(yīng)當(dāng)以距離管道外壁3m-5m處為宜，且必須埋設(shè)在冰凍線以下；若是地下水位低于3m時，可根據(jù)實際情況適當(dāng)深埋；在平原地區(qū)，可采用等距的方式進行布設(shè)，并盡可能向接頭位置處靠近。

2.2設(shè)計中的注意事項

2.2.1絕緣連接。為了有效避免陰極保護電流流至與大地連接的非保護構(gòu)筑物上，在設(shè)計陰極保護管道系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)進行電絕緣。由此一方面能夠防止電流的不必要流失，從而減輕電偶腐蝕，另一方面還能防止干擾。在進行絕緣時，可將其設(shè)置在以下部位：干支管的連接位置處；新舊管的連接位置處；裸管與覆蓋層連接處；電氣接地處等。

2.2.2套管。當(dāng)埋地鋼質(zhì)燃氣管道穿越公路時，一般需要采用套管，不管采用的是何種材質(zhì)的套管，都會存在屏蔽作用，這樣一來，會使外部的陰極保護電流無法流至燃氣管道上，此處也成為陰極保護的盲區(qū)，若是套管內(nèi)部因特殊原因進水，該位置處的將會失去保護。對于套管的屏蔽問題，常規(guī)的做法是采用帶狀鋅陽極，將之以螺旋狀的方式纏繞在管道上，并每間隔2m左右與管道進行一次焊接。

2.2.3干擾。強電線路對埋地的鋼質(zhì)管道存在一定程度的交流干擾，這樣不但會對管道產(chǎn)生交流腐蝕，而且線路故障時產(chǎn)生的瞬時感應(yīng)電壓還可能擊穿管道中的絕緣裝置，極易引發(fā)安全事故。對于此類問題，可采取如下解決方法：犧牲陽極的施工應(yīng)當(dāng)在管道全部完工后立即進行，以此來確保陽極接地的有效性；可適當(dāng)加大管道與接地導(dǎo)體之間的距離，以3m左右為宜；可在管道與絕緣裝置及接地體之間以串聯(lián)方式加裝接地電池，由此能夠使瞬間感應(yīng)電壓過渡至管道上，并通過接地裝置泄放出去。

結(jié)語

綜上所述，埋地鋼質(zhì)燃氣管道在土壤環(huán)境中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，一旦管道被腐蝕后，便會導(dǎo)致燃氣泄漏，如果未能及時發(fā)現(xiàn)，則有可能引起燃氣爆炸的惡性事故，其危害性較大。為此，必須做好埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕防護工作。犧牲陽極的陰極保護是埋地鋼質(zhì)燃氣管道常用的一種腐蝕保護措施，大量工程實踐表明，這種方法可行且效果良好。

參考文獻

[1]武烈．我國陰極保護技術(shù)的發(fā)展及其高新技術(shù)的探索[J]．腐蝕與防護，2013（06）．

中圖分類號：TU996

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