典型區域性陰極保護應用探討

王 亞 毛 琦 徐 爽

（陜西君誠檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

據《中國工業及自然環境腐蝕調查與對策》柯偉院士報導：我國每年因腐蝕損失2008億元，間接損失是直接損失的1.5～2.0倍，包括間接損失每年損失5000億元。區域陰極保護是在對無法進行有效絕緣的一個區域內的管網進行統一的陰極保護的方法，它可以有效地將整個區域內的管網一同進行保護，抑制腐蝕的發生。區域陰極保護方法要與保護區外的管道進行電性絕緣。這種方法與一般的管道陰極保護在實施上是有很大的不同的。

1 腐蝕環境

某臨海鹽堿性地區占地面積約30km2，于2022年設計施工，各裝置的地上附屬原料、中間產品、成品儲罐分布各生產區；生產、消防、污水排放等地下管線密布全廠，管道管徑在25～1020mm之間，防雷、防靜電、接地網縱橫交錯。近期的統計數據表明：地上各類金屬儲罐180余座，儲罐罐底面積約為65000 m2；各種埋地金屬管線總長200km，金屬管道表面積達80000 m2；附屬接地設施的金屬表面積為35000 m2。

廠區范圍內全部為鹽堿性土壤，具有地下水位高（-0.6～-1.4m）、土壤電阻率低（小于3W·m）的特點，土壤對儲罐罐底、埋地管道以及其它地下金屬構筑物具有極強的腐蝕性，有年腐蝕率達1mm/a的記錄。

地下設施外防腐層結構各異，在設計初期，儲罐底外防腐僅采用環氧煤瀝青（留焊縫）防腐，地下管線僅采用石油瀝青玻璃布防腐。此外由于設計單位不統一，特別是基礎設計階段的儲罐及地下管線，存在普遍的防腐層剝離、失效情況，嚴重的還引起了腐蝕穿孔。

眾多的地上儲罐、地下金屬管道、電纜、金屬接地裝置構成一個復雜的地下網絡。由于上述設施施工時防腐處理質量的差異、強腐蝕性土壤環境中各種腐蝕電池的不斷侵蝕，隨時可能發生停水，以至停產事故，直接威脅到安全生產，成為影響工廠安、穩、長、滿、優運行的最大隱患之一。

另外，從經濟上考慮，腐蝕漏點造成的直接和間接經濟損失是巨大的。據統計，一處漏點的堵漏費用就近萬元人民幣，此外還有水資源的浪費、人力資源的浪費、管理資源的浪費以及其他的一些間接經濟損失。

解決腐蝕問題，可以更換受損罐底、地下管線，這種方法投資巨大、施工周期長，還會影響正常生產；局部更換破損防腐層可以臨時解決腐蝕問題，這種方法施工難度大、環境污染嚴重，還會帶來同一設施涂層防腐能力不同而引起薄弱環節的新腐蝕，不能從根本上解決儲罐罐底和地下金屬構筑物的腐蝕問題。

經綜合分析，從經濟、便利、可行的角度出發，對廠區內的儲罐罐底和地下金屬管網進行大規模的區域陰極保護是治理腐蝕隱患比較的理想措施，這樣可以徹底抑制儲罐罐底和地下金屬管網的腐蝕，從根本上消除土壤腐蝕帶來的安全隱患[1]。

2 地質、氣象環境

2.1 地質資料

除地表0.2～0.4m厚的耕土或局部地段有回填土外，地層自上而下按土的成因和性質，大致可劃分為四層：第一層：黃褐色亞粘土，地面下2m左右，成因為陸相；第二層：灰色粘土，地面下2～16.5m，成因為濱海相；第三層：黃色粘性土，地面下16.5～28.5m，成因為陸相；第四層：灰色粘土，地面下28.5～40m以下，成因為濱海與陸相交替，分部較均勻。

2.2 氣象條件

2.2.1 空氣濕度

相對濕度≥95%時的最高溫度 22.20℃

最大相對濕度 79%

平均七、八月份相對濕度 79%

平均一、二月份相對濕度 59%

2.2.2 降水

10分鐘最大降水量 21.0mm

一小時最大降水量 82.0mm

一日時最大降水量 171.2mm

年平均降水量 512.0mm

年最大降水量 762.5mm

2.2.3 凍土 59cm

2.2.4 地下水位

最高地下水位 -0.6～-0.8m

平均地下水位 -1.0m

最低地下水位 -1.4m

2.3 地震烈度 8度

3 設計選擇及施工方法

3.1 保護對象

地上各類金屬儲罐180余座，儲罐罐底面積約為65000 m2；各種埋地金屬管線總長200 km，金屬管道表面積達80000 m2；附屬接地設施的金屬表面積為35000 m2。

3.2 保護方法

經過對廠區內的腐蝕環境調查，選擇外加電流法為主的保護方法；又由于廠區內管線密集、縱橫交錯，再加上工業建筑基礎、儲罐基礎、輸配電網、接地網，構成了極其復雜的地下金屬結構網絡，金屬網絡的屏蔽問題突出，所以設計采用深井陽極地床的輔助陽極，以解決進行陰極保護時復雜金屬網絡的屏蔽問題。

保護方法為采用60～80m深井陽極地床的外加電流陰極保護為主，對廠區地下輸水管網中的鋼質管線實施保護，在個別屏蔽的欠保護區域輔助以鋅合金犧牲陽極陰極保護。

3.3 保護電流密度的選取和保護電流的計算

金屬構件施加陰極保護時，使金屬達到完全保護時所需要的電流密度為最小保護電流密度，在設計時稱為陰極保護電流密度，選取的陰極保護電流密度大小是影響金屬構件防蝕效果的主要參數，它與最小保護電位（鋼為-0.85V）相對應。如果選取的保護電流密度偏低，會造成保護不足，金屬構件達不到完全保護，產生不同程度的腐蝕；反之，將會造成不必要的材料和施工的投入。

陰極保護電流密度與許多因素有關，如被保護金屬的種類、表面狀態、表面防腐層的種類和質量、介質的性質、有效保護年限以及外界條件的影響等。這些因素的差異可使陰極保護電流密度由幾個mA/m2變化到數百個mA/m2。本案例根據以往的工程案例和綜合考慮廠區的實際情況，在廠區選取陰極保護電流密度為i=6mA/m2。結合“保護對象”中所給出的保護面積，計算保護電流為：

另外需要說明的是廠區經過多次更換地下管道，有幾公里的廢棄管道仍埋于地下，在陰極保護設計時給予充分考慮。

施工當中應對管道的電絕緣性能進行檢測，對檢測出的漏點進行記錄。檢出漏點是否修補已在陰極保護投用后確定。

3.4 電源設備及陽極地床

（1）每座深井陽極地床采用一臺50V/50A恒電位儀供電，考慮到外加電流系統余量，以及廠區的實際情況，根據所需保護電流，在廠區安裝恒電位儀56臺；

（2）陽極地床采用深井陽極地床，井深60～80m，每眼井安裝組合陽極體9支，單支規格為φ323×6000mm。

3.5 均壓保護

均壓保護采用電纜或鍍鋅扁鋼將同溝鋪設、近距離平行或交叉走向的被保護管道，以及非焊接連接的同一條被保護管段間電性連接起來，達到均衡管道電位的目的。這樣可減小管道之間的電位差，確保電位分布均勻，防止雜散電流腐蝕，擴大陰極保護范圍。廠區設均壓線220處。

3.6 犧牲陽極

由于廠區裝置地基和罐區的屏蔽影響，以及距離陽極井太遠會使部分支線管道出現陰極保護不足，所以在以外加電流保護為主的系統中輔以鋅合金犧牲陽極保護解決局部保護不足問題也十分必要。本設計在廠區擬埋設260支18kg級的鋅陽極。

3.7 供電電源及電纜敷設

恒電位儀電源220/380V引自各變電所或低壓室配電盤備用回路，或改造已有回路。室外電纜主要以現有橋架結合直埋敷設。

電氣設備接地利用已有接地裝置或局部增加接地裝置。

3.8 陰極保護監測

為進行陰極保護系統的日常管理，及時可靠地掌握地下管網的腐蝕情況，需設計安裝測試系統。確定廠區共設立160個電位綜合測試樁，用于在保護期間內測量管道的保護電位。另外為檢查陰極保護工程的實際效果，在廠區內埋設測試掛片20組，每組6片[2]。

4 保護效果

（1）有效保護年限30年；

（2）在有效保護期內，管線的保護電位≤-0.85v（相對于Cu/CuSO4參比電極），全廠區的電位達標率≥98%；

（3）在有效保護期內，管線的保護度≥99%；

（4）在有效保護期內，被保護的管線的漏點數量逐漸減少，在原腐蝕嚴重部位之外不再新發生腐蝕穿孔。