埋地天然氣管網外加電流的陰極保護措施研究

楊立超

（廣州機械設計研究所，廣東 廣州 510600）

0 引言

近些年，城市基礎設施逐漸健全，諸多資源均實現普及應用，其中天然氣使用及需求規模日益擴大，相應管網分布于城區地下。相伴而來的管道腐蝕問題，得到較多的關注。隨著科技工藝的不斷成熟，用于埋地管網的防腐方法得到了不同程度的調整，各類方法得以發揮自身的功能優勢，用于提升管道的防腐效果。如今國內普遍應用的天然氣管道防腐方法有陰極保護、優化土壤環境、涂層保護。本文主要探究陰極保護在此類管線中的應用。

1 埋地天然氣管網腐蝕

1.1 腐蝕機制

對于埋地管道來說，土層就是腐蝕環境，其不具備均勻性，而且和其他類型的腐蝕環境相比更加復雜。金屬材質的管道被腐蝕，本質上是電化學反應。土層非均勻性的特點，令管道局部之間以及不同金屬材質的管道之間，均容易形成電位差，產生陰極與陽極。出現土壤腐蝕后，陰極區為氧化還原，陽極區則變為金屬陽離子，屬于氧化反應，此時陰極奪得電子，經過還原反應后，產生電池效應[1]。

1.2 腐蝕類型

（1）化學腐蝕，這是由金屬和接觸對象之間直接產生化學反應后，出現腐蝕現象，該類腐蝕一般由金屬材料和氧化劑的氧化還原反應造成。由此形成的腐蝕物質通常存在于金屬構件表層，腐蝕過程中不會形成電流。

（2）電化學腐蝕，其是由金屬和電解質溶液之間的電化學作用造成的腐蝕，該過程屬于氧化還原反應，這是埋地管道比較常見的腐蝕情況。反應期間，金屬喪失電子并被氧化，也就是陽極反應過程。而介質在金屬管道表層取得電子并還原，這就是陰極反應的過程。

（3）細菌腐蝕。金屬材質管道埋設于硫酸鹽土層內，細菌一般不會對管道造成不良影響，而在陰極反應中的氫，把硫酸鹽逐漸還原成硫化物，相應還原菌借助有機質不斷繁殖，由此形成對管道有腐蝕作用的環境條件，加劇腐蝕的程度。對細菌腐蝕有影響的條件包括土層酸堿性、溫濕度、有機質等。

2 外加電流陰極保護

2.1 基本概述

外加電流的陰極保護方法主要是借助直流電源給保護對象輸送陰極電流，也就是電流負極與天然氣管道連接，而正極則與輔助陽極相連，電流依托于土壤介質和管道接觸出現陰極極化，控制電極的電位差，令腐蝕電流無線趨近于零，幾乎能直接忽略[2]。

金屬材質管道面臨的是電化學腐蝕問題，可借助腐蝕電流參數反映出來。為控制腐蝕效率，就應當讓腐蝕電流盡可能小，或是讓電池回路內的電阻盡可能大。經過實踐表明，陰極保護能實現ΔE（電極電位差）為零。而如果要真正達到該種程度上的防腐效果，就要通過極高陰極保護電流，這方面成本偏大。但倘若將涂層保護與陰極保護組合應用，就能有效減少電流的消耗量。

2.2 深井陽極

深井陽極是外加電流陰極保護方法的主要類型之一，控制電源與陽極井床、金屬部件共同形成極化回路，此系統內的深井陽極與恒電位儀正極相連，往周圍發送電流，埋地管道則和負極連接，構成陰極保護結構（圖1）。深井陽極方法占用空間面積不大，而且發射電流分布較為勻稱，表層電場強度偏低，不會對保護對象之外的部分造成明顯影響。同時，該項技術抵御零散電流擾動的性能較好，保護覆蓋面積較廣，可以用在城市天然氣地下管線項目中。

圖1 陰極保護結構

3 外加電流陰極保護在埋地天然氣管道中的實踐運用

某城市從20世紀開始進行市區天然氣管道的調節建設，受到當時技術工藝的限制，大多數都是無縫鋼管，之后由PE 管逐漸取代傳統鋼管，用于市政及庭院的天然氣管道。而未被取代的鋼管，已經持續服役較長時間。

3.1 確認保護方式

埋地鋼管選擇涂層結合陰極保護的處理方式，其基本原理和犧牲陽極組合外加電流保護相同。注意要結合管道所處土壤環境狀態、覆蓋層狀況、項目規模、防腐成本等，確認保護方案。綜合考慮陰極保護的各種方式，犧牲陽極比較適合土壤電阻率不足100 Ω·m 的環境，但如果電阻率超過該標準，輸出電流不足，此時就要增加陽極犧牲量，才能達到預期效果。而外加電流的陰極保護方式中，其持續輸出電流具備可調性，電阻率對其沒有干擾，該方法保護對象較廣。在天然氣管道上方覆蓋層自身品質較佳，如3PE 結構，實際保護電流密度處于μA/m2等級，這種情況下外加電流與犧牲陽極都有較好的處理效果。反之防腐層自身條件不佳，而犧牲陽極支持電流只達到mA 等級，說明并不適合使用這一方法，但倘若保護對象范圍不大，犧牲陽極成本更低。

3.2 確認電流密度

在確認保護電流的密度時，需按照令腐蝕反應停止或控制腐蝕到可承受水平的衡量標準，這是落實陰極保護的關鍵參數。其數值一般由保護對象材質類型、表層程度、腐蝕介質、絕緣層效果等因素決定，其中既有絕緣層的電阻值以及土壤的電阻率對密度參數有更大的影響。在涂層有差異時，可結合設計服役年限，選擇合適的電流密度。實踐作業中，技術員很難直接通過測試管道表面確認密度參數，通常是根據處理對象的總保護電流數值和總面積的比值來確認[3]。

3.3 輔助陽極材料

在外加電流的陰極保護處理下，輔助陽極的材料類型較多，比如石墨、混合金屬的氧化物、碳鋼與聚合物等。而最終選定的輔助材料，需滿足以下4 項基本性能：①導電性高，在大電流密度環境下，陽極極化需偏小，鈍化概率低；②抗腐蝕性強，延長陽極材料的應用周期，降低更換頻率；③拍流量高，陽極需要擁有良好的機械性，方便制備、轉運、安設；④后期運維成本少。

聚合物陽極的導電介質為石墨粉，電流導線是銅電纜芯，將聚合物當成基材，形成長線狀的輔助陽極，能解決改造項目中防腐層老化以及陰極保護電流明顯提升的問題。聚合物可用在埋地鋼管的陰極保護處理中，作業難度低、防腐功能性較強。聚合物陽極的突出特征為保護電路布局均勻，不會使附近金屬設施遭受干擾，能結合保護管線，用于隨意裁剪制作，這使得其可用性大幅度提高，同時對土層環境也沒有污染。對于裸管、涂層已經不能起到有效保護的管線、被屏蔽的管網范圍，以及電阻率偏大的土層環境，聚合物陽極的作用更加明顯。

混合金屬的氧化物陽極是由在鈦基體表面燒結貴金屬的氧化物構成，要求所選氧化物的柔性、抗腐蝕性、導電性都表現良好且穩定。該種輔助陽極材料方便制作，自重偏低，利于運輸與安設。在氧化物涂層實際電阻率僅達到10-7Ω·m 級別，消耗速度慢、極耐酸性條件下，運行電流密度僅達到100 A/m2，此種陽極應用周期普遍達到20年。另外，實踐施工中，技術員可改變氧化物類型，適應項目環境。

3.4 現場布置應用

3.4.1 輔助陽極地床

地床可以將保護電流引進地下，通過土壤后接觸管道，實現陰極極化，達到保護的效果。在鉆建直立型的地床安裝中，此處設置兩個保護站，安裝深度是60 m，直徑尺寸是500 mm，和保護管道相距50～100 m 不等，挑選地勢偏低、含水量高、地層偏厚處作為井點。在井中分段設置陽極體，其是由碳素填料、陽極、排氣管與引線電纜等整裝成一體，方便轉移與安設的同時，還能確保裝配精度及品質[4]。

布置輔助陽極中，擬選擇高硅鑄鐵的陽極，其是預制包裝，單組陽極體內包括3 個此種陽極，尺寸是?325×6000 mm。陽極需位于深井中心，對應導線自由段需設置永久深度參數標記，現場安裝中，技術員需先查看陽極與導線之間的固定性與電阻。另外，考慮到深井內水位偏高，所以在吊裝陽極處理中不可引出電纜，需要在相應組合體上額外設置吊繩。安設結束后及時回填土，在地面上布置排氣設備。項目總體井深設置成60 m，而局部由于地質環境比較特殊，深度不能達到此標準，就應改變施工點位，在確保布局合理的前提下，挑選地層環境更好的點位設置深井，或者在深度不足的情況下，增加深井數目、向井中添加電解液。

3.4.2 布置電源裝置

所有陰極保護站中配備電源裝置，其一般包含兩臺各自獨立運行的恒電位儀，以及一個控制臺，前者互為備用，用于確保陰極保護持續運轉。在陰極保護系統內，通電點是恒電位儀的陰極電纜和保護對象連接處，此處主要的安裝任務有陰極與零位電纜、參比電極。借助陰極電纜把恒電位儀與保護對象連在一起，管道進入被保護模式中，實現弱化腐蝕，兩臺恒電位儀均帶有一處通電點。管道和陰極電纜之間建議選擇鋁熱焊的方式，而后利用環氧煤瀝青玻璃布進行細化處理。零位電纜把恒電位儀的零位接陰測和通電點連接，將所獲取的數據和參比電極進行比較，系統實現自動調控。其中，參比電極是預制包裝的硫酸銅，需將其布置在通電點和測試點不遠位置的凍土層之下，在埋設時把其放于清水內至少1 d，令其徹底濕潤，并且需將其盡可能靠近管線進行立式埋設安裝。現場作業中需保持輕拿輕放，避免對其殼體造成損傷[5]。

3.4.3 管道絕緣連接

管道的絕緣程度對陰極保護系統穩定性有明顯影響，可以說，絕緣性與陰極保護同步變化。電絕緣的布設一般選擇在干線和支線銜接處、分散電流擾動區、異種金屬和新老管道銜接處等。另外，持續穩定的電流是實現陰極保護的重要條件，一般天然氣鋼管選擇焊接處理的方式，這是因為焊接帶來的電阻極小，能夠適應陰極保護對電流的需要。而對于絲扣或是法蘭等連接形式的管道，如果配置導電性弱的墊子，容易發生接觸不良的問題，不利于保持電流穩定性，限制后端的保護效果。對此，技術員需檢查閥井內的所有閥門，提前跨接導電性不佳的部分。

3.4.4 測量電位方式

如今比較常見的測量方法有4 類，分別是電表參比（Ⅰ）、瞬間斷電（Ⅱ）、試片斷電（Ⅲ）、極化探頭（Ⅳ）。經過對比分析發現，Ⅰ與Ⅳ沒有限制條件，而Ⅱ方法要求管道和外部電源可以斷開、Ⅲ方法需要確保沒有雜散電流擾動。在IR 降（由電流和電阻引起的偏差）方面，僅有Ⅰ方法有明顯的影響，其他3種方法均沒有產生較大的影響，其中Ⅳ方法的影響程度最低。在使用方面，Ⅰ方法作業最為簡單，而且成本少，但容易產生明顯誤差；Ⅱ方法作業難度大，成本多且有較高的裝置要求；Ⅲ與Ⅳ都相對簡單，但后者成本更高，測量精度更佳[6]。

3.5 陰極保護效果

在陰極保護系統啟動后，深井陽極的覆蓋區域高達80%左右，本項目中其余管道選擇犧牲陽極的保護方式。鑒于保護電流密度條件以及犧牲陽極覆蓋范圍偏小，設定此項密度參數是1～3 mA/m2，總體實行分散鋪設的模式，用于弱化電場對其的干擾。本工程進行陰極保護后的部分保護電位狀態如表1所示。

表1 管道保護電位狀態（部分）

4 結語

根據目前的管網建設趨勢，埋地管道依舊是主流。實踐中按照天然氣管道所處的環境條件，選擇更為適合的保護方法，提升管網的防腐效果。經過實踐分析可知，外加電流陰極保護中深井陽極方法的可用性較高，結合保護項目的具體情況，選擇組合其他保護方法，如涂層、犧牲陽極等，有利于優化腐蝕抑制成效。