城鎮燃氣管道陰極保護效果的影響因素分析*

王肖逸,陳 敏,盧俊文,周璐璐

(河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院,河北 唐山 063000)

天然氣作為清潔能源廣泛應用在工業生產和居民生活。而天然氣主要以埋地管道輸送方式為主，數十萬公里的地下燃氣管網已分布于國內的城鄉各地。隨著天然氣管道服役時間的延長，抑制埋地金屬管網的腐蝕成為保障天然氣安全輸送的關鍵[1]。目前抑制天然氣管道腐蝕的措施是在管道上加裝陰極保護系統，但在實際運行中，陰極保護效果會受保護系統本身因素及外界環境影響，減弱了對管道腐蝕的保護作用。因此找出影響陰極保護效果的因素并采取相應的改進措施，對延長埋地金屬管道的服役期限，減少安全事故的發生具有重要意義[2]。

1 輸氣管線的陰極保護

埋地管道的陰極保護就是將金屬管道作為陰極，將犧牲陽極或外加電源作為陽極構成保護體系。城鎮輸氣管線一般采用犧牲陽極為輸氣管線提供保護。

犧牲陽極是選擇一種比鐵活潑的金屬或合金作為陽極，一般采用鎂合金和鋅合金等，埋地鋼質管道作為陰極[3]。陰陽兩極連通后形成一個自然腐蝕電池，優先腐蝕消耗陽極。但是為了達到最佳防腐效果，陽極本身應有較負的電位及足夠的工作電位，才能在工作時產生足夠的輸出電流。

犧牲陽極的優點是施工成本較低，不需要外加電源，不占用其他場地。由于城鎮燃氣管道主要分布在城區范圍內，地下管網較復雜，一般都優先采用犧牲陽極法保護埋地鋼制管道。

2 犧牲陽極的參數測試

為保證陰極保護效果，管道的陰極保護需控制幾個關鍵參數，包括自然電位、輸出電流、接地電阻、閉路電位等。在實際應用中一般將閉路電位作為主要控制參數，因為通過閉路電位的測量可以間接反映出自然電位及保護電流的數值。

2.1 輸出電流的測量

犧牲陽極一項重要參數是輸出電流。由于犧牲陽極的輸出電流一般較小，所以測量時必須選擇誤差較小的測試方法。因為在萬用表的測量回路中串入了表的內阻，應選用“零阻電流表”來測量，或者用標準電阻法、雙電流表法來代替。

(1)標準電阻法。在犧牲陽極與管道連接的通電回路中串入阻值為0.01 Ω標準電阻R，精度為0.02級。測量標準電阻R兩端的電壓降V，用電流與電壓的換算公式I=V/R計算出電流數值[4]。

2.2 閉路電位的測量

閉路電位(管地電位)是陽極和陰極管道通電連接后形成的電位，具有足夠的閉路電位才能輸出滿足要求的保護電流，使陰極保護電池正常工作。開路電位是陰極和陽極連接前陽極自然電位。

陰極保護電路連通后使陰極電位降低(即陰極極化)，極化狀態下的管地電位至少達到-850 mV(相對于銅/飽和硫酸銅電極CSE)，管道的腐蝕過程才能停止[5]。在實際測量管地電位時，由于參比電極與管道有一定的距離，兩者之間土壤的電阻及管道防腐層的電阻會產生一定的壓降(IR降)。為準確測量管地電位，可以在瞬間斷電后 3 s 左右讀取電壓數值，此時就不含有IR降數值。預制一個與管道相同材質的試片，埋在測試點并用導線與管道連接，用CSE參比電極測量管道的管地電位。

3 影響陰極保護效果的因素

3.1 犧牲陽極自身受損

(1)輸出電流無法達到最低保護電位的要求，陰極保護系統失效。造成這種現象有多方面的原因，具體原因有陽極已消耗掉、陽極填料包周圍土壤干燥、犧牲陽極與管道陰極的連接線斷開、環境污染產生的影響等[6]。

(2)陰極的管地電位不達標，而陽極輸出電流卻增大。主要原因是陰極保護的絕緣層失效、絕緣層老化或遭破壞、管道與相鄰金屬構件有搭接現象引起的電流短路，使管道電位接近自然電位，或環境改變引起了迅速去極化現象的發生。

(3)陽極未消耗完卻不能正常工作。主要原因有陽極成分不合理引起鈍化，陽極中的合金元素分布不均勻引起局部腐蝕，合金陽極的雜質含量過高造成陽極效率低下，在外部交流電的干擾下陽極發生極性逆轉。

3.2 陰極屏蔽

從犧牲陽極輸出的電流在鋼質管道的傳導過程中如果受阻，則該管段無法獲得有效的陰保電流而處于欠保護狀態，導致腐蝕反應發生的現象稱為陰極屏蔽[7]。當管道外壁的保護層損壞時，土壤中的腐蝕介質直接與管道外表面接觸引起腐蝕發生。管道外壁的防腐層絕緣性很強，阻止了陰保電流向管道表面的傳送，從而使陰極保護失效。陰極屏蔽易發生在外防腐層補口處，施工時采用液態環氧樹脂補口可有效降低屏蔽作用。

3.3 系統設計不合理

(1)保護長度不合理。犧牲陽極的每個陰極保護點都是單獨存在的，每個保護點的保護長度是不一樣的，應根據管道本身參數以及周圍土壤狀況來確定。如果保護長度設計不合理，會導致陰極保護長度沒有對整條管道的全覆蓋，引起管道的局部腐蝕現象發生[8]。

(2)外防腐層損壞。管道施工前都會在其外壁布置防腐層，如果施工造成防腐層損傷，出現局部損傷點，水分會沿這些損傷點進入，在管道外壁形成堿性溶液的原電池，使管道金屬出現吸氧腐蝕現象。

3.4 絕緣失效

陰極保護系統絕緣失效會影響保護電流的正常流動，在失效位置形成電流短路，陽極輸出電流會沿這些短路節點流入大地或其他構件，引起陰極保護電位正向升高，如果升高到不能滿足陰極保護的最小電位要求，會使管道面臨腐蝕的風險。城鎮燃氣管道的絕緣問題常出現在絕緣接頭處，或與其他相交的管道搭接出現短路節點，電流的流出使管道的電位接近自然腐蝕電位，失去陰極保護作用。絕緣失效后陰保電流分布見圖1。

圖1 絕緣失效后陰保電流分布

3.5 環境影響

(1)地下管網的影響。大部分城鎮燃氣管道處于城區范圍內，與城市的其他地下管網交叉或并行布置。由于受其他管網輻射電流磁場的影響，處于交叉位置的管段電位會高于管線自身電位[9]。這樣就會造成管線兩端電位比交叉段電位要低，局部產生自腐蝕電流，使金屬管道形成自腐蝕現象。因此地下管網交叉處的管段腐蝕要比整個管線嚴重，解決措施是在交叉段單獨增設犧牲陽極防止腐蝕發生。

(2)高壓輸電線路影響。處于城鄉交界處的城鎮燃氣管道上方往往會布置有高壓輸電線路，高壓電流會產生交變磁場，處于磁場內的埋地金屬管道會產生交流電壓，從而形成雜散電流，使管道產生交流腐蝕。通過實際測量發現，輸電線路距離地面30 m左右時會對地下1 m深的金屬管道產生交流腐蝕，可以明顯降低陰極保護的效果。解決措施是安裝銅質接地極排流，接地極與管道之間用固態直流去耦器連接。或者在管道周圍安裝犧牲陽極帶，也能起到排流和降低管道和土壤之間壓差的作用，從而降低了交流感應電壓，接地極的安裝方法見圖2。

圖2 接地極安裝示意

4 提高陰極保護效果的措施

4.1 優化犧牲陽極材料的選擇

(1)陽極材料的選擇。腐蝕產物易脫落、具有足夠穩定的負電位是陽極材料的必備條件，犧牲陽極應具有較高的電流效率和較高的電化當量。在優化設計時應根據埋設土壤干濕環境、電阻率及被保護管道的導電特性合理選擇犧牲陽極材料種類、規格形狀、長度及質量等。犧牲陽極材料的選擇見表1。

表1 犧牲陽極種類的選擇

從表1中可以看出，鎂陽極的適用范圍較廣，鋅陽極的適用范圍次之，一般城鎮燃氣管網設計中選用鎂陽極的較多。

(2)陽極形狀的選擇。棒形、塊形、帶狀等幾種形狀均是陽極常用的形狀，經常選取梯形截面的棒形陽極用于土壤環境中，陽極長度直接影響接地電阻值和輸出功率大小，陽極截面積尺寸影響著陽極壽命。高電阻率土壤及套管的內管保護均可以選用帶狀陽極。

4.2 保持管道通電的連續性及電絕緣性

犧牲陽極保護屬于電化學保護，被保護的陰極管道必須保持通電的連續性，即管道的任一點必須保持電流可以通過，才能起到保護作用。當管道連接中有非金屬的連接接頭時，在接頭兩側的金屬上必須焊接一根跨接導線。另外被保護管道與其他金屬構件必須保持電絕緣性。

(1)在下列場合應采用絕緣接頭連接：采用不同陰極保護的交界處、管道與門站連接處、支管線與主管線的連接處、有防腐層和無防腐層管線連接處、材質不相同管線連接處、新舊管道連接處、產權劃分管道的連接處。

(2)當管線穿越公路、鐵路等交通設施加裝鋼制套管時，管線與套管之間必須保證電絕緣，一般采用絕緣支墩或絕緣墊。但是在服役狀態下鋼制套管內表面也會發生腐蝕，因此盡量采用其他套管代替金屬套管。例如水泥套管，并在套管內的管線外壁纏繞鎂合金材質的陽極帶。

4.3 做好犧牲陽極的埋設管理

(1)陽極表面應去除氧化皮、油污和塵土等污染物，維持潔凈狀態后才能埋設。陽極電纜應采用銅焊或錫焊連接，以便增強電導率[10]，應用環氧樹脂類絕緣材料對陽極焊接端進行絕緣處理，以減輕陽極的端部效應。

(2)在犧牲陽極的陰極保護系統中，陽極集中敷設易于加強管理。犧牲陽極保護電位不易調節，在與管道的連接回路中可以加裝可變電阻，通過調節電阻數值間接控制輸出電流的大小，解決了由于電流密度過大導致電流浪費的問題，對犧牲陽極起到了保護作用并延長了使用壽命。在陽極集中敷設時，盡量選擇土壤電阻較低位置埋設并保證每支陽極分布合理，以防止屏蔽電流回路。

5 結束語

(1)埋地敷設的城鎮燃氣金屬管道宜采用犧牲陽極的保護方法控制金屬管道的腐蝕，控制陰極保護效果的有自然電位、輸出電流、接地電阻和閉路電位等關鍵參數。在日常維護管理中可以將閉路電位作為主要控制參數，來監視陰極保護系統的運行狀態。

(2)在城鎮燃氣管道實際運行中，影響陰極保護效果的主要有陰極屏蔽、絕緣裝置失效、陽極自身損壞、地下管網影響、高壓輸電線路影響和施工設計不合理等問題,從而降低了犧牲陽極對埋地管道的防腐效果，甚至導致陰極保護系統失效，造成埋地金屬管道面臨腐蝕的風險。

(3)通過實際檢驗總結分析出了消除影響因素的措施，可通過優化犧牲陽極保護系統設計，保持管道通電的連續性及絕緣性，在回路中加裝可變電阻間接控制輸出電流大小；在外部交變電流影響嚴重的管段安裝犧牲陽極帶或安裝接地極排流均可以提高陰極保護效果。