在用埋地金属管道的阴极保护

在用埋地金属管道的阴极保护

季新华

上海花隆设备安装有限公司上海201204

摘要：本文通过对腐蚀的巨大危害，讲到一个具体腐蚀案例，通过对腐蚀的分析讲到了电化学腐蚀，以此讲到了电化学腐蚀的原理应用：牺牲阳极阴极保护，通过对实际案例中的整改施工，掌握牺牲阳极阴极保护的施工要点及技巧。

关键词：腐蚀；电化学腐蚀；保护电位；设计寿命；阴极保护

前言

腐蚀对于人民群众及社会的经济建设是一种很大的破坏因素，它给世界人民及我们的生存空间带来了巨大的挑战,如不采取措施将会带来难以弥补的损失。

埋地金属管道腐蚀这个问题处理的好坏，它直接关系到国计民生，处理不好会造成巨大的社会危害，因而，我们现在应该重视埋地金属管道腐蚀问题，现在我国关系到国计民生的长输管道很多都埋藏在地下，在施工中施工单位已经采用了许多防止埋地金属管道腐蚀的方法，就埋地金属管道安装施工规范及验收方面我国也发布了相关标准，为保证在用管道的安全运行，在2003年国家还颁布了《在用工业管道定期检验规程》以及公用管道及长输管道的检验规程。尽管我国在70年度已经在防止埋地金属管道腐蚀技术领域已经进行了研究，并且取得了一定的效果，但是在各行各业工程建设中，对于埋地金属管道施工要按照国家规范进行防腐施工并没有得到100%的应用，许多在建、在用的埋地金属管道工程防腐并没有得到足够的重视，这样势必会留下安全隐患。近些年，我国在对属于GD/GB/GA的管道进行检验中，发现不少埋地金属管道防腐层破损的现象，当中有些埋地金属管道施并没有进行有效的防腐作业或者说防腐施工工艺简单，没有采用综合防腐。2015年上海有关检验机构针对上海市外围郊区6.0Mpa长达120公里的埋地天然气管道进行定期检验，发现防腐破损缺陷达到125处。

检验机构在对浦东新区张江某企业在用到期天然气管道定期检验检测中，对埋地部分天然气管道使用了非开挖技术—PCM检测对埋地金属管道进行防腐泄漏检测，结果在对长380米的埋地天然气管道检测中，发现两处防腐层破损严重。查此管道原始资料显示：管道规格D89x4.5,使用工作压力0.2Mpa,埋地天然气管道表面采用了加强级环氧煤沥青玻璃布防腐层，埋地管道管底标高-2.0米，地面处未采用绝缘法兰连接，未作其他防腐措施。经开挖，深度达2.0米管道处有地下水，开挖处正好有一弯头，管道防腐层已经完全不见，腐蚀长度达到400mm，经目视表面成锈蚀状，使用超声波测厚仪测量剩余壁厚为4.13mm，经取样观察表明，管道锈蚀的部分层现棕褐色，氧化物依附在金属表面形成客观的腐蚀物，导致管道脱皮，毛糙、减薄以及严重情况下局部烂穿泄漏，氧化物覆盖在金属管道表面，但并没有起到保护作用。在随后对现场取样的埋地管道表面腐蚀层进行专业的化学成分分析，其主要成分为氧化铁、硫化铁、氯化铁，这表明在取样处的土壤环境中有氧离子、氯离子、硫离子对金属管道进行了腐蚀，同时，我们也可以得出此处土壤环境应该为腐蚀性环境，埋地金属管道正是处于这样的环境中被腐蚀了。如果用于防腐的埋地金属管道材料过早丧失性能，或在对埋地金属管道进行恢复填土覆盖的施工中，未采取有效的保护埋地管道措施，直接填埋的填土中混有砖块、石头等尖硬物损伤埋地管道表面的防腐层。这些产生埋地管道防腐的薄弱点，而土壤环境中的腐蚀离子正是通过这些薄弱点通过电化学腐蚀对金属管道产生腐蚀破坏作用。金属管道电化学腐蚀就是处于腐蚀土壤环境中的金属管道由于通过析氢腐蚀以及吸氧腐蚀，使得金属中铁变成氢氧化铁、氧化铁而产生腐蚀。

在现实生活中，我们碰到的埋地金属腐蚀，大多数是电化学腐蚀，为对埋地金属管道进行有效的防腐。当埋地金属管道防腐层失效后会发生电化学腐蚀，在此基础上，我们科学技术人员开发和发明了基于保护埋地金属管道的阳极保护及阴极保护施工工艺。这些是以电化学原理为基础。

在常用的阴极保护方法中，我们主要用:外加电流阴极保护，也可以用牺牲阳极阴极保护。这两种施工方法、特点及使用条件都不一样。

牺牲阳极阴极保护

在腐蚀性土壤溶液中（相当于电解质），不一样的金属它们的电极电位是不相同的，元素周期表相对靠前的金属电位相对低，而靠后的金属电位高，排名靠前的金属（阳极）会失去电子，而排名靠后的金属（阴极）会得到电子而被保护。这就是牺牲阳极阴极保护，实际使用中，牺牲阳极阴极保护此施工方法有着其他保护方法无法比拟的优势：首先它可以在比较难以使用电源的情况下，不使用电源。第二，我们采用此法无需担忧施工处附近的电力系统产生的杂散电流对它的影响。第三，针对较小的新建工程或者埋地管道改造防腐优化工程，这种施工方法成本是最低的。第四，这种施工方法输出电流能实现一定程度的自我调节。

牺牲阳极阴极保护在低电阻率土壤环境下能进行良好的工作，但是它也有自身的局限性。在高电阻率环境下如果使用这种方法，其效果很一般。除此之外，此方法提供的保护电流比较小、消耗过大的金属阳极且到设计寿命时要进行更新阳极，这些都是它的不利之处。

牺牲阳极阴极保护的种类及方法

在工程实践中，我们经常使用的牺牲阳极材料有三大类：分别是镁合金，锌合金，铝合金。镁基牺牲阳极由于其开路电位很低，以及有较大的驱动电压等特点，我们将它广泛使用在土壤、有腐蚀性水溶液中来进行对金属结构物的阴极保护，美中不足的是其电流效率不高。而有时我们采用的锌基牺牲阳极它的电位没有镁基阳极那样低，它的驱动电压也不是很大，它可以大量用在低电阻率土壤环境中。

牺牲阳极的选型

针对不同的使用环境，科学家们开发了牺牲阳极多种形状和规格，当我们需要较大的阳极输出电流，我们就增大阳极的表面积。当我们要在高电阻率的土壤环境中埋设金属管道，我们要使用线状阳极，这样可以增加阳极的使用寿命。在具体选型上，我们可以依据国家石油天然气相关标准规定。如果金属管道是埋在土壤环境中的，那梯形及D形镁合金阳极是最佳的选择。

阳极保护参数

埋地金属管道防腐工程中，我们需依据工程规模的大小，结合建设单位的需求，确定好阴极保护的工程设计寿命，此外我们还需考虑到最小保护电流密度以及埋地金属管道的保护电位。张江某企业在定期检验中除了发现埋地的天然气管道有两处严重腐蚀外，此段埋地管道没有采用已经技术成熟的阴极保护，致使管道在短期运行使用中出现了严重的腐蚀。为使此埋地天然气管道处于安全状态，建设单位立即着手进行埋地天然气管道防腐修复并加装牺牲阳极阴极保护装置。在此修复改造工程中，我们根据天然气管道的原始资料，采用埋地天然气管道牺牲阳极阴极保护的设计寿命与天然气管道整体设计寿命一致为15年。埋地天然气管道其保护电位：使用相对于硫酸铜电解质溶液作为相对电极，其保护电流不小于-850mv,但是由于埋地天然气管道与地面以上管道连接处未采用绝缘法兰，在我们安装完实际检测数据可能会偏小。测量值越低，说明地上天然气管道连接的设备或者地面以上的天然气管道很多。如需提高保护电流，需增大镁合金阳极。还有一个重要的参数是确定最小的保护电流密度。但它的取值计算与许多因素有关，计算复杂。一般由《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》中选择推荐值。再结合同类工程案例，通过实际测量需要整改处的埋地天然气管道的土壤电阻率：平均值为27欧姆.米，采用牺牲阳极阴极保护电流密度为0.15mA/㎡。在确定以上三个重点参数后，我们在施工整改中还需注意这些：

首先是对埋地管道进行取样，对现场做表面防腐处理的天然气管道做机械性能检测，合格后再用于现场防腐。根据现场天然气管道的防腐类型等级，在防腐时彻底清除管道表面的铁锈，氧化层及浮尘污泥，选用防腐等级比原来防腐等级更高的材料进行补口，在补口前使用导线通过铜端子使用不锈钢卡套锁紧管道或者采用专用工具采用特殊焊接工艺-爆炸焊，将接线桩一端铜导线牢牢地焊接在管道上。

通过查询《埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范》以及《镁合金牺牲阳极应用技术标准》选择合适的牺牲阳极材料种类；根据土壤电阻率的测量数值：平均值27欧姆.米，此次阴极保护工程选用镁合金阳极；考虑埋地管道与地面连接管道未采用绝缘法兰，我们在选用阳极时采用叁组11kg,为保证阳极在腐蚀的土壤环境中正常运行，我们在阳极周围施加了足量的化学填料包，它能改善阳极周围的使用条件，在埋地天然气管道与阳极填料包间使用黄沙填埋降低土壤电阻率，增强阳极电流输出。为加快保护效果，测试实际数值，可使用水将填料包浸湿；阳极布置采用每组单根，埋设方向与管道平行，保护长度380米，管径D89*4.5,阳极与管道之间的距离1米，埋设深度在冻土层以下，一般与管道底同深。

测试桩的设置

当我们将阳极包安置后，我们将三组阳极包铜导线以及焊接在管道上的另外一端铜导线通过不锈钢金属管将铜导线接至地面测试桩端口，固定好测试桩后，开始测试相应的运行参数，结果如下：

由以上图可见，测试桩保护电位低于-0.85mV，说明整个阴极保护系统工作稳定，运行参数都在设计参数内，达到使用指标。

在阴极保护装置投入运行半年后，我们对测试桩进行巡检，结果数据说明，数值有微小变化，牺牲阳极阴极保护装置正在正常运行中。

结论

对于企业在用埋地燃气或者其他埋地金属管道在未施加任何阴极保护的情况下，应定期进行开挖地下金属管道防腐层抽样检查，有条件的可以使用非开挖技术检查防腐层是否正常。如防腐破损点很多，所需要保护的埋地管道也不长，采用阴极保护中的牺牲阳极阴极保护法，阳极填料包根据保护埋地管道的规格、长度以及设计参数来进行选量。对于已经安装了阴极保护的地下金属管道定期对阴极保护桩进行电位的监控，保证地下金属管道处于最佳的保护状态。

参考文献

[1]吴荫顺，曹备编著.阴极保护和阳极保护：原理、技术及工程应用中国石化出版社,2007.

[2]贝克曼,W.v.、施文克,W.、普林兹,W.阴极保护手册：电化学保护的理论与实践.化学工业出版社,2005.