埋地鋼質(zhì)管道陰極保護方式及其維護

周陽

摘 要：長輸埋地金屬管道多處于復(fù)雜的土壤環(huán)境中，在周圍環(huán)境介質(zhì)（土壤、地下水、細菌及外界雜散電流）的長期作用下，如不采取有效措施，會對金屬本體產(chǎn)生腐蝕，這種腐蝕破壞速度很緩慢，但對油氣管道的危害是巨大的。通過對埋地金屬管道施加陰極保護，可以有效防止和減緩埋地管道的腐蝕。因此，陰極保護在油氣管道管理中占據(jù)十分重要的地位。本文主要探討長輸油氣管道運行中的陰極保護方式及其維護。

關(guān)鍵詞：金屬；管道；保護；維護

1 金屬腐蝕

1.1 金屬腐蝕的本質(zhì)

金屬腐蝕的本質(zhì)就是金屬由元素狀態(tài)返回自然狀態(tài)（礦石）的過程。腐蝕自始至終完全是一個純自然過程，自然界中很多物質(zhì)都會因此而發(fā)生變質(zhì)。因此腐蝕是一種普遍存在的自然現(xiàn)象。

金屬在電解質(zhì)溶液中由于電化學(xué)作用而發(fā)生的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕。它是金屬腐蝕中最普遍的一種方式，特別是埋地管道的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕。

1.2 埋地金屬管道的腐蝕

1.2.1 土壤腐蝕

土壤腐蝕基本上屬于電化學(xué)腐蝕，因為土壤物質(zhì)組成比較復(fù)雜，含有大量的水，空氣和各種鹽類，埋地管道周圍介質(zhì)便有了電解質(zhì)溶液的特征，埋地金屬管道在土壤中將發(fā)生電化學(xué)腐蝕。埋地金屬管道在土壤中的腐蝕速度比一般水溶液中慢。其中土壤電阻率是影響腐蝕速度的主要因素。

1.2.2 雜散電流腐蝕

雜散電流是指除陰極保護電流以外的電流，比如高壓電塔的接地、電氣化鐵路由于各種原因排入大地的電流都稱為雜散電流。當埋地管道靠近雜散電流源時，如果管道防腐絕緣層有破損，雜散電流就會通過破損處進入金屬管道中，并在管道中持續(xù)流動，如果該段管道防腐層破損較多，雜散電流會在另一處防腐層破損點流出，返回雜散電流源負極。流入點成為陰極，流出點成為陽極，腐蝕發(fā)生在雜散電流的流出點，這種腐蝕破壞形式稱為雜散電流腐蝕，也稱電蝕。

1.2.3 細菌腐蝕

細菌在特定條件下，參與金屬的腐蝕過程。最具代表性的一種是硫酸鹽還原菌，這種細菌易在pH值6～8、堿性和透氣性較差的土壤中繁殖。利用自身的生息，將硫酸鹽離子還原，在鐵表面的生成黑色的（FeS），并發(fā)出臭雞蛋味（H2S）。細菌利用這個反應(yīng)釋放的能量來繁殖，加速了金屬腐蝕。

2 埋地管道的陰極保護

2.1 陰極保護的原理

埋地金屬管道，由于金屬本身制造時的不均勻性或外界環(huán)境的不均勻性，大多會形成微觀的腐蝕原電池。陽極區(qū)發(fā)生腐蝕，失去電子。陰極區(qū)發(fā)生陰極反應(yīng)，陰極區(qū)不會發(fā)生腐蝕。因此，如果給金屬加以陰極電流，使金屬表面全部陰極極化，使腐蝕電池中微陰、微陽極電位相等，阻斷了微陰、微陽極之間的電流流動，從而使被保護金屬停止腐蝕。這就是陰極保護原理。

2.2 陰極保護準則

①一般情況下，在通以陰極保護電流時，測得的管地電位應(yīng)為-850mV（CSE）或更負，該值應(yīng)為消除IR降后的數(shù)值。

②當管道處于有害菌土壤環(huán)境中，測得的管地電位應(yīng)為-950mV（CSE）或更負。

③不同的土壤電阻率陰保電位也不盡相同，當土壤電阻率100Ω·m至1000Ω·m時，陰保電位應(yīng)負于-750mV（CSE）；當土壤電陽率大于1000Ω·m時，陰保電位應(yīng)負于-650mV（CSE）。

④最大保護電位應(yīng)考慮防腐層的種類，以不破壞管道表面的防腐層為原則。消除IR降后的最大保護電位通常不宜比-1200mV更負。

⑤對3PE防腐層管道，如果管道自然電位接近或負于-850mV（CSE），最小保護電位應(yīng)為自然電位負向極化100mV。

3 金屬管道犧牲陽極陰極保護

3.1 犧牲陽極陰極保護

選擇一種比鋼鐵電極電位更負的金屬材料，并用導(dǎo)線將被保護管道與之相連接，由于這種金屬材料的電極電位比管道更負，該金屬就成了腐蝕電池的陽極，管道就成了陰極而被保護。這種金屬材料就稱為犧牲陽極。犧牲自己去實現(xiàn)對被保護金屬的防護，是犧牲陽極保護的最大特點。

犧牲陽極適用于大部分管段防腐層絕緣質(zhì)量良好，腐蝕輕微，土壤電阻率低，短而孤立的管道，單獨用戶的支線，附近有較多金屬構(gòu)筑物。

3.2 犧牲陽極的種類及性能

3.2.1 鎂及鎂合金陽極。

鎂是活潑的堿土金屬元素，25℃時的標準電極電位值為-2.37V。對鋼鐵有有效電壓0.65～0.75V，鎂與鋼鐵類被保護體組成的保護回路中，驅(qū)動電壓最大。電流效率只有（40～50）%，電流效率比較低，根據(jù)使用的場合不同，可以把它做成塊狀、帶狀、線狀或板狀。

鎂在海水中易造成過保護，很少應(yīng)用于海水中。鎂在碰撞時易產(chǎn)生火花，因而不能應(yīng)用于有防爆要求的場所。陽極開路電位較高，適用于土壤電阻率為15～150Ω·m高電阻率的土壤中。

3.2.2 鋅及鋅合金陽極。

鋅是最早使用的犧牲陽極材料，在土壤中具有較高的電流效率，電流效率可達90%，其電位穩(wěn)定，陽極輸出電流能隨被保護金屬的狀態(tài)，環(huán)境的變化而自動調(diào)節(jié)。鋅及鋅合金陽極不適宜高溫淡水或土壤電阻率過高的環(huán)境。一般都鑄造成梯形斷面。

3.2.3 鋁合金陽極。

鋁合金陽極單位重量發(fā)生電量最大，有自動調(diào)節(jié)輸出電流的作用，在海水中性能優(yōu)良，目前土壤中使用的鋁合金陽極性能尚不穩(wěn)定。故極少應(yīng)用于埋地金屬管道的犧牲陽極。

3.2.4 鎂、鋅復(fù)合式陽極。

復(fù)合式陽極是由兩種材料組成，一般鋅在芯部，鎂在外部。當鎂消耗完之后，鋅陽極再發(fā)揮其高效率、長壽命的特點。

3.3 填包料

為了使犧牲陽極更好地發(fā)揮其作用，就必須使犧牲陽極置于低電阻率的介質(zhì)環(huán)境中，這種具有低電阻率的介質(zhì)就是填包料。填包料可以改善陽極的使用環(huán)境，降低陽極接地電阻，增大輸出電流，使陽極溶解均勻，陽極的使用壽命得到延長?；瘜W(xué)填包料一般由不同的易溶無機鹽與膨潤土組成。

3.4 犧牲陽極的埋設(shè)

3.4.1 犧牲陽極的埋設(shè)可分為立式或水平式。犧牲陽極的埋設(shè)深度一般與被保護管道深度一致。

3.4.2 犧牲陽極的分布可采用單支或集中成組兩種方式。成組分布時，陽極間距以2～3m為宜。陽極埋設(shè)位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.5m。

3.4.3 通常在相鄰兩組犧牲陽極管段的中間部位設(shè)置測試樁，樁的間距應(yīng)大于500m。

3.4.4 埋設(shè)犧牲陽極時，應(yīng)避免管道與陽極之間存在其他金屬構(gòu)筑物。

3.5 犧牲陽極運行與維護

3.5.1 犧牲陽極埋設(shè)后，填包料澆水10天后進行保護參數(shù)的投產(chǎn)測試。

3.5.2 犧牲陽極投入運行后相鄰兩組陽極之間的所有管道保護電位應(yīng)達到最小保護電位標準。

3.5.3 犧牲陽極投入運行后，應(yīng)定期進行監(jiān)測，至少每半年測量一次管道保護電位和陽極輸出電流、陽極開路電位、陽極接地電阻和陽極埋設(shè)點土壤電阻率，可根據(jù)需要作加密測試。

3.5.4 對犧牲陽極保護系統(tǒng)，每年至少應(yīng)維護一次。

4 金屬管道外加電流陰極保護

將金屬管道與直流電源的負極相連接，讓金屬管道成為保護系統(tǒng)中的陰極，同時消除金屬中的電位差，使腐蝕電流下降為零。從而使金屬管道免遭電化學(xué)腐蝕的方法，稱為金屬管道的外加電流保護。外加電流陰極保護系統(tǒng)主要由輔助陽極、附屬設(shè)施、電源設(shè)備和被保護管道四部分組成。

4.1 輔助陽極

輔助陽極是外加電流陰極保護系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它將保護電流從電源引入土壤中，再經(jīng)過土壤流入管道，最后回到電源的負極。這個過程中金屬管道為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，而輔助陽極表面則發(fā)生丟失電子的氧化反應(yīng)，輔助陽極本身存在一定的消耗。

4.1.1 常用輔助陽極。

①高硅鑄鐵陽極：陽極的允許電流密度5～80A/㎡，自身消耗率小于0.5kg/（A·a）。適合土壤和淡水中。

②石墨陽極：陽極的允許電流密度5～10A/㎡，自身消耗率小于0.6kg/（A·a）。

③鋼鐵陽極：自身消耗率8～10kg/（A·a）。

④柔性陽極：最大輸出電流密度82mA/m。

⑤貴金屬氧化物陽極：在鈦基體上覆蓋一層導(dǎo)電的混合貴金屬氧化物而構(gòu)成，工作電流密度為100A/㎡，消耗率極低，壽命長。

4.1.2 填充料的作用。

①可以增大與土壤的接觸面積，減少陽極接地電阻；②使得電化學(xué)腐蝕首先在填充料上發(fā)生，大大延長陽極的使用年限；③利于陽極產(chǎn)生的氣體（氧氣、一氧化碳、二氧化碳）逸出，不至于在陽極表面產(chǎn)生“氣阻”，增大陽極接地電阻。

實踐應(yīng)用表明：石墨陽極應(yīng)加填充料；高硅鑄鐵陽極應(yīng)視埋設(shè)位置而定，在沼澤地，流沙層可不加填充料；柔性陽極陽極宜加填充料；鋼鐵陽極可不加填充料。

填充料的含碳量宜大于85%，最大粒小于15mm，填充料厚度一般為100mm。當用柔性陽極時，填充料的最大粒徑宜小于3.2mm。預(yù)包覆焦炭粉的柔性陽極可直接埋設(shè)，不必再加入填充料。

4.1.3 陽極地床埋設(shè)形式。

4.1.3.1 淺埋式陽極地床。

淺埋式陽極地床顧名思義就是埋入地下較淺，一般距地表約1～5m的土層中，大多數(shù)陽極均采用淺埋式。淺埋式陽極又可分為立式和水平式兩種。

①立式陽極地床：將一根或多根陽極垂直埋入地下。陽極間用扁鋼連接。立式陽極的優(yōu)點：a接地電阻變化較小。b尺寸相同的情況下，采用立式陽極地床的接地電阻要比水平式的接地電阻?。ㄊ疽鈭D如圖2）。

②水平式陽極地床：以水平方式將陽極埋入地層中。水平式陽極的優(yōu)點：a安裝容易，便于施工。b便于檢查陽極的狀況。

4.1.3.2 深埋式陽極地床。

當周圍環(huán)境受限或者地床周邊有其他金屬構(gòu)筑物對陽極地床存在干擾和屏蔽時，應(yīng)采用深埋式陽極。根據(jù)陽極地床的埋設(shè)深度不同可分為次深（20～40m），中深（50～100m）和深（超過100m）三種（結(jié)構(gòu)圖如圖3）。

4.2附屬設(shè)施

4.2.1陽極地床埋設(shè)后還要定期檢測管道陰極保護參數(shù)，所以在管道沿線應(yīng)設(shè)置測試樁。為了避免重復(fù)和節(jié)約材料，測試樁可兼作里程樁。

4.2.2 電絕緣裝置

安裝電絕緣裝置的目的是將被保護管道與不應(yīng)受到保護的管道從導(dǎo)電性上分開。目前，國內(nèi)一般采用絕緣法蘭或絕緣接頭作為電絕緣裝置。

4.2.3 長效參比電極

采用長效埋地型硫酸銅參比電極，它是陰極保護恒電位儀恒電位模式工作控制的基準信號源，同時也是沿線電位傳送器進行管/地電位采集和遠傳的基準信號源。

4.2.4 均壓線

均壓線安裝于同溝敷設(shè)、近距離平行或交叉的管道，以消除不同管道之間的電位差，從而避免干擾腐蝕。均壓線安裝后，兩管道間電位差不超過50mV。

同溝敷設(shè)的兩管道每5～10km設(shè)置均壓線連接。均壓線設(shè)置在電位/電流測試樁處，實現(xiàn)同溝敷設(shè)的兩管道間的均壓連接。

4.2.5 跨接電纜

為使全線站外長輸干線處于同一陰極保護系統(tǒng)，保證陰極保護電連續(xù)性，采用跨接電纜將進、出站管道絕緣接頭的保護端連通。

4.3 電源設(shè)備

陰極保護系統(tǒng)中，需要一個穩(wěn)定的直流電源，能保證長期持久的供電。目前，常用電源設(shè)備為恒電位儀。（以PC-1B恒電位儀為例）

4.3.1 PC-1B恒電位儀工作原理。

當儀器處于“自動”工作狀態(tài)時，給定信號和經(jīng)阻抗變換器隔離后的參比信號一起送入比較放大器，經(jīng)高精度、高穩(wěn)定性的比較放大器比較放大，輸出誤差控制信號，將此信號送入移相觸發(fā)器，移相觸發(fā)器根據(jù)該信號的大小，自動調(diào)節(jié)脈沖的移相時間，通過脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖調(diào)整極化回路中可控硅的導(dǎo)通角，改變輸出電壓、電流的大小，使保護電位等于設(shè)定的給定電位，從而實現(xiàn)恒電位保護。

4.3.2 設(shè)備日常維護。

①恒電位儀等電源設(shè)備應(yīng)做到無灰塵、無缺件、無外來物、技術(shù)狀態(tài)良好。

②恒電位儀等電源設(shè)備應(yīng)定期對運行機與備用機進行切換運行，切換周期以每月一次為宜。

③恒電位儀等電源設(shè)備應(yīng)每月維護保養(yǎng)一次，以保證儀器設(shè)備技術(shù)性能達到出廠技術(shù)指標。

④恒電位儀等電源設(shè)備應(yīng)有避雷措施。

⑤應(yīng)逐臺建立設(shè)備檔案，認真填寫運行、維修、事故記錄。

⑥在設(shè)備維修中，不得擅自改變結(jié)構(gòu)和線路，需要改裝時，要提出申請，報業(yè)務(wù)主管部門批準，并繪制改裝后的圖紙存檔。

⑦恒電位儀等電源設(shè)備報廢，應(yīng)按具備下列條件之一者執(zhí)行：

a恒電位儀等電源設(shè)備使用已達十年以上；

b無法修復(fù)或修復(fù)已不經(jīng)濟；

c技術(shù)性能已明顯落后。

⑧按時填報pis系統(tǒng)報表。

實踐證明，兩種陰極保護方式的合理運用，采用科學(xué)的管理方法，遵循技術(shù)規(guī)程，埋地管道的腐蝕是可以有效控制的，從而降低腐蝕穿孔事故的發(fā)生率，大大延長管道的使用壽命。