犧牲陽極和外加電流聯合保護法在長輸管道中的應用

卜建設，梁久龍，呂東旭(.中國航空油料有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 05080；.承德華腐隆辰防腐工程有限責任公司，河北 承德 067000)

0 引言

由于長輸管道長期深埋地下，在地下溫度、酸度等一系列復雜條件的影響下，管道外腐蝕十分嚴重。陰極保護是目前較為有效的緩解腐蝕手段。陰極保護目前可分為2種：外接電流和犧牲陽極。這兩種方法原理相似，都通過集合在金屬表面的電子來降低其被腐蝕的可能性。外接電流方案是將外接電源的負極接保護金屬，輔助正極接電源正極，形成電流通路給埋地管線提供保護。這種操作的好處是電流可以根據需要進行調節，能夠保護設備經久耐用，對電阻的限制較少。

犧牲陽極將具有高負電位的材料連接到所需的埋入金屬上，并通過溶解在陽極中的電流來保護陰極表面。犧牲陽極法的一個主要不足之處是必須維持充足的負電位以穩定陽極電位，并且陽極材料要均勻溶解以防止局部腐蝕。除了嚴格把控正極外，還應選擇土壤阻力低的負極層位置，以防止保護缺失。犧牲陽極法不需要外接電源電壓，電流分布均勻，包含自動調節功能，不會發生過保護，設備的安裝也比較簡單，但是，缺點是保護范圍不足并且消耗陽極材料，因此我們只能將其用于小型設備的陰極保護[1]。

1 實驗介紹

保護設備分為犧牲陽極、外接電流和固體電解質三部分。首先，通過測試找到最為合適的陽極材料和符合條件的規格，然后再通過外部電流陰極保護篩選出最佳的保護電壓。最后，完成對電解質相關的結果分析，找到最優制造條件，最終構建出聯合保護。

為了找出犧牲陽極材料和其規格對埋地線路抗腐蝕的影響根據，選擇鋅(Zn)、鎂(Mg)和鋁(Al)作為陽極材料，表面積為25 cm2，厚度為2 cm，規格分為4*6.25 cm、12.5*2 cm、5*5 cm 3種。同樣，使用5 V、2 V以及1 V的電壓分別對其進行電壓輸出。固態電解質碘(I)、碘化鉀(KI)、氫氧化鈉(NaOH)、乙腈(C2H3N)、硫酸鋅(ZnSO4)、乙二醇((CH2OH)2)和瓊脂。管道材料以及陰極接頭使用Q235型鋼材，電解槽使用有機玻璃槽。

將埋地線路和陽極材料放入犧牲陽極裝置中并用導線連接以構成原電池。為有效測試陽極材料對管道的抗腐蝕作用，將外部直徑25 mm、內部直徑19 mm、長50 mm的管道兩端連接，將帶有塑料軟管和自來水的水泵引入管道以模擬供水。將管道浸入10%氯化鈉溶液中，以模擬管道外腐蝕。每個實驗的觀測時效約為5 h，每15 min分鐘記錄一次電流。開始測試前，先磨去管表面的銹痕，以準確測試實驗中的最小誤差。

外接電流裝置外直徑為25 mm、內直徑為19 mm、長約50 mm的管兩端用塑料軟管與水泵相連，將水引入管內以模擬埋地線路運行。腐蝕溶液也使用10%的氯化鈉溶液。實驗在外部電流設備上進行，其中，以石墨為輔助陽極，管道作為陰極。實驗采用直流電，及時測量管道中的電極電位，電源電壓為5 V、2 V以及1 V。反應時間為5 h, 15 min,每15 min也標記一次管道電位。

碘化鉀和碘用作固體電解質中溶質。由于碘化鉀無法溶于有機溶劑，因此用乙二醇作溶劑將其溶解，之后用乙腈再溶解碘。由于碘化鉀溶于乙二醇并立刻產生碘離子，使得碘更易溶于乙腈。將金屬電解質添加到溶液中并加熱和攪拌以增加固體電解質的電導率，完全溶解后，加入膠凝劑形成固體電解質。選擇氫氧化鈉和硫酸鋅作為金屬電解質主要是因為二者反應形成的氫氧化鋅膠體使溶液容易形成固態。如果有比電或鋅更活潑的金屬陽極，則電解液中的鋅離子被置換，以小鋅顆粒的形式分布在電解液中作為金屬電解液。鋅離子的表面張力較大，相比于陰極材料更容易發生氧化還原反應，和埋地線路形成小型電池結構，向陰極保護系統提供電子，提高電流效率以及固態電解質的性能[2]。

犧牲陽極和外接電流聯合保護由太陽能供電，無需建造陰極保護站、測試樁和長距離輸電電纜，這樣，可隨時用于管道陰極保護。當電池電量不足，太陽能在夜間或長時間陰雨天氣無法為其提供充足電流時，犧牲陽極則開始起作用，產生陰極保護電流繼續保護管道，而固態電解質可以有效延長材料的使用周期。電解質具有高電導率、低揮發、化學性質穩定的特性，不因外部自然環境變化而發生變化，保證了陽極元件電位的穩定。太陽能板產生的能量儲存在電池中，將電池的輸出端連接到恒電位器，各部分用隔板隔開，置于500*500*600 mm的聚四氟乙烯板外殼內，內部填充固體電解質。施工時，只將負極連接器觸點用焊槍連接到管道上，實現陰極保護。通過選擇犧牲陽極、外接電流測試和固體電解質測試的最佳條件來構建保護裝置。聯合保護實驗時間為外加電流5 h，犧牲陽極5 h，共10 h，每30 min記錄一次電流電位。作為犧牲陽極，用萬用表的紅頭接陽極鎂，黑頭接陰極管測量讀數。通電時讀取的參比電極值，是陰極連接器的電位。

腐蝕速率為：

式中：v為腐蝕速率(mg/(min·cm3))；m為埋地線路被腐蝕前的重量(g)；m1為線路被腐蝕后重量(g)；S為線路的表面積(cm2)；t為反應時長(min)；d為材料厚度(cm)。

表面積為：

式中：D為管道內外徑和(cm)；l為管道長度(cm)。

計算三個試驗組的鋼管用不同材料保護時不同尺寸材料的消耗率：

式中：v1為鎂材料的消耗率(mg/(min·cm3))；m3為反應前鎂材料的重量(g)；m2為反應后鎂材料重量(g)；S1為鎂材料接觸面的表面積(cm2)；t1為反應時長(min)；d1為所選材料的厚度(cm)。

2 實驗結果分析

通過分析得出，對于同樣的表面積和材質，縱橫比越接近1，管道的腐蝕速率越小，相應的，其保護結果就越優秀。實驗得出，在同樣規格的材料中，鎂陽極的腐蝕速率最小。在不同的外接電流下，管道減少量和管道腐蝕率基本不變。然而，沒有電流保護的管道的腐蝕速度是其他的兩倍左右。在不同電壓條件下，被保護管道的電位從0～30 min呈下降趨勢。這是因為反應的開始過程導致負電子流出，保護管的電位迅速下降。30～150 min時，電位先緩慢上升，后緩慢下降，在保護范圍內形成波動曲線，尋找平衡的保護管線電位。150 min后，波動趨于平穩，說明氧化還原反應達到平衡，可靠地保護了埋地管線。在施加電壓后，計算管道的腐蝕速率，觀察管道電位隨時間變化的曲線，可以看出保護效果是差不多的，但是從節能的角度來看，1 V電壓可作為電源使用[3]。

采用乙二醇與乙腈3∶7的比例配備固態電解質，僅在變量不變的特定條件下改變瓊脂的量來研究對固體電解質的影響。分析表明，所有電解質均呈弱堿性，液態電解質的揮發性比半固態電解質大三倍以上。這表明液體電解質的揮發性很強，其電導率相對較高，但隨著液體蒸發，電導率顯著下降。隨著瓊脂質量的提高，其揮發性顯著降低，但其導電性也降低。不同品質的瓊脂形成的電解質狀態也不同。同等條件下，10%和20%瓊脂的電解質狀態不符合要求，而40%和50%瓊脂的半固態電解質的電導率比較接近。因此，如果選擇質量分數為30%瓊脂的半固態電解質，60 h后的電導率為4.31 ms/cm。

乙二醇與乙腈的體積比為3∶7，碘化鉀和碘的濃度分別為0.5 mol/L和0.05 mol/L，金屬電解質的比例為3∶3，加入質量分數為30%的瓊脂，最終制備固體電解質，并在40 ℃下加熱攪拌。60 h后測電導率，其穩定在5.83 ms/cm左右，蒸發度小于0.2%，為堿性。

按照以上材料和配比來建造聯合保護設備，在運行后進行數據處理分析可以得出，與實驗中的單個犧牲陽極相比，埋地管線腐蝕率減少了近80%，鎂陽極消耗率減少了10%。相比外接電流，管線腐蝕率也減少到了70%左右。與犧牲陽極和外接電流實驗相比，電源輸出時間短，管線腐蝕率低。電解質中的鋅從中被置換出來，鋅顆粒的表面積小，因此可以形成原電池結構，繼續保護管線。這樣的話，既減少了電能的消耗，又降低了正極的消耗率，增加了使用壽命，形成有效的循環利用。所以，聯合保護法不僅實現了對埋地管線的有效保護，而且節約了資源和相關成本[4]。

3 結語

在犧牲陽極實驗中，對比不同的材料、不同規格的陽極，發現相同材料、不同規格的陽極保護啟動時間不同，陽極的啟動時間也不同。鎂材料在比較同規格的其他材料時，對保護電流起到最大作用。在截面積相同的情況下，自耗率最低，所以5*5 cm的鎂材料更合適。在外加電流實驗中可以看出，三種不同電壓保護的管道保護效果在直流電源輸出電壓的測試情況下是相似的。由于本次實驗只模擬了Q235管道研究，在實際工程中，對于長距離埋地管道，每個點所需的電壓并不高。在節能降耗方面，1 V特供電電壓更合適。在電解質實驗中優化溶劑、溶質、膠凝劑和金屬電解質的質量分數制備的電解質的電導率穩定在5.83 ms/cm左右，揮發性小于0.2%，該設計在原則上和建設性上都有意義，在運行過程中，管道實現了有效保護，電位也在保護電位范圍內。