柔性陽極在實施陰極保護中的應用

胡興國

摘 要：柔性陽極又稱為聚合物陽極，是一種在銅芯上包覆導電聚合物形成的特殊的連續性陽極，其中銅芯的作用主要是導電，而導電聚合物則具有參與電化學反應的功能，因為銅芯是一種電導性非常優良的材質，所以能夠在數千米長的陽極上設置一個匯流點，當聚合物陽極在土壤中進行使用時，就會在它的周圍填充焦碳粉末而形成一種陽極地床，一般來說其在地床中最大的工作電流可以得到達到82mA/m左右。雖然和其它的集中陽極相比，它的工作電流密度不高，然而因為其能夠靠近被保護結構物鋪設出連續地床，能夠提供一種更為均勻且有效的保護，所以在工業中得到了廣泛應用。

關鍵詞：柔性陽極；陰極保護；恒電位儀

前言

2001年11月，根據中國石油管道公司科技研究中心的設計方案，對鄯善站實施了以外加電流陰極保護方式為主的陰極保護改造，對整個站區埋地金屬設施提供腐蝕防護。設計中采用了兩組含鉻高硅鑄鐵深井陽極地床。陽極尺寸Φ75*1200mm，分兩組安裝在陽極井內。井深50米，每個陽極井內裝有12支陽極。廢除了站區原有的扁鋼、角鋼接地網，避免保護電流的大量漏失。在陰極保護改造施工過程中，根據管道的保護效果，臨時增加了三處淺埋陽極地床 平均分布在保護區域的四角。系統運行后，各測試樁電位全部在-1.0～-1.4V之間（vs Cu/CuSO4）達到《埋地鋼質管道強制電流陰極保護設計規范》SY/T 0036-2000保護要求。

但根據最新的國標GB/T 21448-2008要求，對保護效果的判定采取的標準應該采用管道陰極極化后的極化電位判定陰極保護的效果。

在實際測試操作中，根據GB/T 21448-2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》的要求，我們在鄯善站內陰保系統串聯接入斷路器，測量管道的斷電電位并與通電電位相比較如表1。

通過以上測量結果可以看到，站內管道的斷電電位未達到合格的保護數值，被保護的管道處于欠保護狀態。在這種情況下，如果管道的防腐層存在破損，管道將很快發生腐蝕。

2010年11月，根據GB/T 21448-2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》，再次對鄯善站實施了站區陰極保護改造以及防靜電接地極改造。文章從保護系統構成、設計計算、系統安裝流程和注意事項等幾個方面對此次工程進行了闡述，得出柔性陽極的使用壽命及保護效果已達到甚至超過了我國國家相關規范的要求，并且施工簡單維護方便。

1 柔性陽極陰極保護系統的構成

一般來說，柔性陽極陰極保護系統主要包括柔性陽極、恒電位儀以及參比電極、測試樁和相關的電纜等幾個組成部分。其中柔性陽極通常應埋設在距埋地管線外側管壁大于或等于300mm的位置，在距離陰極保護間最近的管線位置還應當埋設一支控制參比電極，同時在最遠端管線位置需要埋設一支參比電極，主要用于對管線末端的保護效果進行檢測，恒電位儀則應當安裝在陰極保護間之中，主要承擔著把交流電源轉轉化成直流的任務，通過參比電極來實現對其電流輸出的有效控制。

2 設計計算

2.1 總保護電流的計算

公式為I=S×JS符號意義上，I代表的是管道所需總保護電流，單位為A，S代表的是管道總面積，單位為m2，JS代表的是管道所需的最小保護電流密度，單位為A/m2。

2.2 系統所需柔性陽極的長度

公式為Lf= 符號意義上，中Lf代表的是所需柔性陽極長度，單位為m，I0代表的是最大輸出線電流密度，單位為A/m。

2.3 計算從陽極接線點開始的陽極最大長度

我們接著埋地管道的陽極設計曲線，綜合考慮柔性陽極的線電流密度，可以找到未加修正的陽極長度Lf。接著再通過土壤電阻率和土壤電阻率修正系數表，計算出每年度土壤電阻率的最小值，即是ρ，就能夠計算出修正系數F。通過公式Lmax=L×F，我們就可以得到最大陽極長度。其中L代表的是被保護管道長度，而Lmax代表的是確保均勻電流輸出的從陽極接線點開始的陽極最大長度。需要注意的是，必須保證Lmax要超過被保護管道長度L，以防止部分管道欠保護問題的出現。

2.4 計算陽極接線點位置

由于柔性陽極需要平行敷設在被保護管道長度，也即是L內。當L的長度低于最大陽極長度Lmax時，僅需要采用一個陽極接線點即可，但當L長度高于最大陽極長度Lmax，施工中就必須增加陽極接線點，綜合考慮陽極接線點位置，據此再設計陽極接線箱的位置。在設計時陽極接線位置除了可以是陽極的一端外，也可以設計在陽極的另一端，如果需要的話，也可以設計在陽極中間的某個位置。借助柔性陽極特有的接頭或者端部密封件，根據實際情況可以靈活應用。

2.5 計算恒電位儀或者整流器設備規格

公式利用上，設備輸出電壓的計算公式為：U=I×R+U1，而回路電阻的公式為：R=R1+R2+R3。符號意義上，I代表的是管道所需總保護電流，單位為A；U1代表的是柔性陽極的反電動勢，單位為V；R1代表的是管/地電阻，單位為Ω；R2代表的是陽極/地電阻，單位為Ω，約占據到總回路電阻的60%到80%之間；而R3代表的是導線電阻，單位為Ω。

3 系統安裝流程注意事項

3.1 柔性陽極敷設

柔性陽極進入保護管道同溝敷設，水平方向被保護管線約為300mm。埋設深度與被保護體基本在同一水平面上。需要注意的是：

（1）陽極回填土應過篩，其中不得夾雜磚瓦或者金屬等硬物，防止導致陽極損壞。

（2）如果柔性陽極和站場內埋地管道、接地極和電纜或者其他埋地構筑物需要交叉時，必須確保兩者間距等于或大于300mm，同時還要在交叉處行防護網罩處理，防止由于沉降等因素而導致兩者相碰。

（3）如果柔性陽極出現相互交叉時，必須確保兩者間距等于或高于200mm，同時還要在交叉處兩方處于200mm范圍以內的柔性陽極上，通過絕緣膠帶來做出絕緣隔離處理。

3.2 接頭連接、導通性測試

等到柔性陽極敷設完成后，就可以采用專用接頭來對柔性陽極接頭進行連接。柔性陽極的連接采用專用接頭。柔性陽極的接頭處和陽極端部須采用專用的熱收縮套進行處理。需要注意的是，單根管道的保護敷設一根陽極，兩根及兩根以上的管道，在管帶兩側各敷設一根陽極。同時還應確保連接處銅線壓接可靠，仔細檢查編織物裁斷處收口是否良好，無焦炭段是否絕緣良好。

3.3 極化探頭安裝

極化探頭采用了先進的技術工藝加工而成。它能有效的消除由于存在土壤IR降、雜散電流等因素所引起的電位誤差，從而達到精確檢測被保護構筑物上的保護電位值。極化探頭易碎，搬運時要小心輕放，以免摔碎，震裂探頭，不許扯拉電纜線作搬運工具。

4 保護效果分析

該柔性陽極陰極保護系統全部安裝完成之后，對保護管線的自然電位以及恒電位儀調試之后，加電對管線極化的電參數進行了測試。

（1）從改造前的陰極保護檢測數據來看，管段的陰極保護電位并未能夠達到設計要求，究其原因，一方面是由于防腐層老化，存在破損，導致管道極化效果不好，在客觀上造成了電位不能夠達到保護程度。另一方面是由于接地極沒有使用鋅包鋼，從而造成陰極保護電流大量流失。

（2）改造后通過一年多的運行觀察，管道陰極保護檢測數據來看，投運后的輸出電流和輸出電壓基本維持在2.4V和3.7A。管道的陰極保護電位已經能夠達到0.85-1.15mV的保護水平。另外，也發現其對其它已有的構筑物以及防雷防靜電系統并沒有構成任何影響，顯示了其運行的穩定性。

5 結束語

綜上所述，柔性陽極陰極保護系統具有較高的可行性和優越性，但是柔性陽極在安裝過程中，必須根據實際情況進行科學的計算，嚴格控制其與被保護構筑物之間的距離，盡可能的優化施工方案，防止出現不必要的接頭和斷點。在計算電流密度時除了要分析整個管網接地系統對于陰極保護系統電流密度所帶來的影響外，還應當思考柔性陽極本身的技術要求。

參考文獻

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