陰極保護技術在埋地鋼質管道中的應用

閆錦霞 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

在空氣中氧的作用下，埋地鋼制管道與土壤中的水分等介質作用，發生電化學反應，構成電化學腐蝕；而土壤中的腐蝕性物質如二氧化碳、鹵素離子等會加快鋼質管道的全面腐蝕和點蝕。埋地鋼質管道因腐蝕而發生重大安全事故的案例危害巨大。

2000年某天然氣公司在新墨西哥州Carlsbad附近的埋地天然氣管道因介質腐蝕，造成管道內部腐蝕嚴重而發生斷裂，事故造成附近12名人員死亡，直接損失近100萬美元。2004年某化肥廠一條埋地輸氣管道因土壤腐蝕，造成管道外腐蝕嚴重而發生泄漏，事故造成大量可燃、有毒的水煤氣泄漏，周圍環境嚴重污染。由此可見，埋地鋼質管道的防腐蝕措施是管道安全運行的重要保障。一般來說，埋地油氣長輸管道、油氣田外輸管道以及油氣田內埋地集輸干線管道應采用陰極保護，其他埋地管道宜采用陰極保護[1]。

1 陰極保護的原理及分類

陰極保護是對被保護金屬通過陰極極化，使其電極電位負移，從而控制金屬腐蝕的方法。按照施加電流的方式不同，陰極保護可以分為犧牲陽極(圖1)和強制電流(圖2)兩種。下面重點介紹犧牲陽極法。

圖1 犧牲陽極法

圖2 強制電流法

2 犧牲陽極陰極保護的設計及施工

2.1 系統

2.1.1 犧牲陽極的選擇

犧牲陽極陰極保護適用于電阻率低的土壤里、水中或沼澤環境中管徑較小的管道，或距離較短且涂有優質防腐層的大口徑管道。工程上常見的犧牲陽極有鎂合金、鋅合金、鋁合金三大類，種類選擇見表1。

表1 犧牲陽極種類的應用選擇

2.1.2 犧牲陽極的安裝要求

犧牲陽極的埋設方式根據軸向和徑向可分為立式和水平式。犧牲陽極到管道外壁的距離一般為3～5m，陽極頂部距地面的距離不宜小于1m[1]。成組布置時，陽極間距一般為2～3m，見圖3和圖4。

犧牲陽極應埋在土壤凍土層的下面，在干燥地帶，陽極的埋設深度可適當加深。埋設在河床中的陽極應避免洪水沖刷和河床清除淤泥時的損壞。若是直接將陽極埋設在土壤中，會加快陽極的自身腐蝕，并使陽極耗損不平均，因此在土壤中使用時，要利用可以吸收水分的回填料，使接地電阻降低，陽極效率提高，以確保陽極表面平均消耗。

圖3 犧牲陽極安裝在管道同一側

圖4 犧牲陽極安裝在管道兩側

2.2 電纜

2.2.1 電纜的選用

陰極保護電纜應采用銅芯電纜，銅芯電纜截面用于犧牲陽極時宜大于4mm2。多股連接導線，每股導線的截面宜大于2.5mm2。

2.2.2 電纜的施工要點

電纜應埋在凍土層下面，電纜與管道相交時，垂直凈距離不應小于0.5m[3]。不應在彎頭或距離管道焊縫小于200mm的位置進行電纜與管道的焊接。可采用用量不超過15g鋁熱焊方法進行焊接。當焊接電纜的截面大于16mm2時，可將電纜芯分成若干股分別焊接[1]。

電纜與管道的連接處要采取安全可靠的防護和絕緣措施，焊點處要纏繞寬度為250mm的熱收縮帶，徑向搭接長度不小于100mm。

2.3 絕緣裝置

2.3.1 絕緣裝置的形式

陰極保護管道應設置絕緣裝置，絕緣的主要形式有：絕緣接頭(或絕緣法蘭)、絕緣短管、絕緣管接頭、套管內絕緣支撐、管橋上的絕緣支架等[1]。

2.3.2 絕緣裝置的施工要點

在爆炸危險區，絕緣裝置應采用防爆火花間隙進行跨接，絕緣裝置還應采取防止意外高電壓擊穿的保護措施。

陰極保護管道中設置的管道附件、管道與管道支撐物間、管道與套管間均應保證電絕緣，管道與套管的端口部位還應密封，不得滲漏水。

2.4 測試裝置

2.4.1測試裝置的設置

測試裝置應沿管線走向設置，鄰近的多個測試裝置之間宜間隔1～3km。在城鎮市區或工業區，相鄰的間隔不應大于1km，有雜散電流干擾的區域可適當縮小測試裝置的間距[1]。

對不同溝敷設的多條平行管道，每條管道應單獨設置測試裝置，每個測試裝置中應有不少于兩根電纜與管道連接。

2.4.2 測試裝置的安裝

測試裝置應與陰極保護系統同時安裝。測試樁應安裝在距離管道中心線1.5m處，樁體固定在管道上，焊點要求用鋁熱焊工藝。

3 運行維護[2]

陰極保護應與管道一起設計、施工和投產。運行后一定要按期對系統進行測試以確保陰極保護系統持續有效。

犧牲陽極陰極保護的測試管理要求為：① 定期檢測被保護構筑物的電位；② 半年或一年檢測一次陽極工作電位和電流；③ 必要時檢驗陽極表面的腐蝕狀態；④ 確保犧牲陽極系統的完整性。

4 工程實例

葫蘆島某化工企業，有一管道材質為20號鋼，管徑為150mm埋地敷設的天然氣管線，管線總長約350m。該埋地管線采用擠壓聚乙烯三層結構防腐外加鎂合金犧牲陽極陰極保護的聯合防腐方式。

本管段共設置3處鎂合金陽極(型號：MG-14)陰極保護，每處2只鎂合金陽極塊，兩只陽極塊間隔2m。為了方便開挖，鎂合金陽極埋設在管道一側，見圖5。

圖5 陽極埋設示意圖

首先開挖陽極坑，待陽極就位、陽極布袋覆蓋薄土后再灌水，直至填料飽和吸滿水，再回填夯實地面，恢復地坪。

采用鋁熱焊將電纜焊接在管道正上方，焊點用和管道相同的防腐措施防腐。本管段設置1個測試樁，測試樁旁邊埋設一支長效硫酸銅參比電極(型號：CXCB-1)。測試線(型號：VV22-1kV-1×10)和管道焊接，焊點也用和管道相同的防腐材料防腐，測試樁的安裝詳見圖6。

圖6 測試樁安裝示意圖

為保證被保護輸氣管道的電氣連續性以及與外界的絕緣，采取以下措施：① 管線首尾兩端安裝絕緣法蘭；② 所有其他與管道直接相連的金屬件不允許直接接地。

陽極埋入地下一天后進行保護電位測試，測試時用萬用表的直流2V擋進行測量，當測出的保護電位讀數在-0.85V～-1.25V之間時，說明此時的管道處于被保護狀態。系統運行半年后，應進行第一次測試，以后應每半年測試一次。

目前該項目已安全運行3年多，管道未出現腐蝕現象。

5 結語

合理設計、正確施工、定期維護才能確保管道外防腐層與陰極保護的聯合使用達到最合理有效的防腐蝕效果，才能從根本上降低管道腐蝕事故的發生，在帶來巨大經濟效益的同時，還能避免環境被污染。