埋地鋼質燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設計思路研究

朱　煉（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶　404100）

埋地鋼質燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設計思路研究

朱煉
（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶404100）

摘要：本文首先簡要分析了埋地鋼質燃氣管道的腐蝕機理，在此基礎上提出埋地鋼質燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設計思路。期望通過本文的研究能夠對埋地鋼質燃氣管道使用壽命的延長有所幫助。

關鍵詞：鋼質燃氣管；陽極；陰極保護

近年來，隨著天然氣在國內各大主要城市的廣泛應用，使得燃氣管道遍布城市地下，由于管道本身采用的是金屬材質，在地下環境中，金屬極易腐蝕，這樣很容易造成燃氣泄漏，嚴重時則會引起火災、爆炸等重大安全事故，后果不堪設想。為此，必須對埋地金屬燃氣管道的防護予以足夠的重視。

1　埋地鋼質燃氣管道的腐蝕機理分析

在眾多腐蝕環境當中，土壤是一種較為特殊的腐蝕環境，這是由其非均勻的特質所決定的。對于金屬材質而言，其在土壤中的腐蝕屬于電化學的過程，土壤本身的不均勻性會引起同一金屬不同部位之間的電位差，由此便會形成陽極區和陰極區。當出現土壤腐蝕時，陰極過程為氧還原，在陰極區域內會生成OH-離子，而在陽極區，金屬由于失去一個或是多個電子，會轉變為金屬陽離子，進而引起陽極氧化反應，此時陰極區會獲得電子，并隨之發生陰極還原反應，由此形成了電池效應。通常情況下，絕大部分土壤的腐蝕過程均是由陰極過程控制的，具體而言，就是腐蝕微電池控制腐蝕，這種情況與電解液中的金屬腐蝕現象極為類似。當土壤本身比較干燥且疏松時，隨著氧的滲透率增加，腐蝕過程則會轉為由陽極控制，該情況與大氣腐蝕的特征非常接近。

1.1化學與電化學腐蝕

1.1.1化學腐蝕。這種腐蝕類型具體是指金屬與O2、Cl2和SO2發生化學反應后所引起的腐蝕，即氧化還原反應引起的腐蝕。當腐蝕發生之后，腐蝕產物會附著在金屬的表面上，腐蝕的過程中不會產生電流。

1.1.2電化學腐蝕。這種腐蝕類型是金屬與電解質溶液間產生電化學作用而引起的腐蝕。埋地金屬燃氣管道的腐蝕便屬于此類腐蝕。在反應的過程中，金屬由于失去電子被氧化，整個反應過程被稱之為陽極反應過程；而介質當中的物質由金屬表面獲得電子被還原的反應過程被稱之為陰極反應過程。

1.2細菌腐蝕。當鋼質的燃氣管道在含有硫酸鹽的土壤中時，土壤環境中存在的細菌并不會對鋼管造成腐蝕，但在陰極反應過程中，氫會與硫酸鹽發生反應，并生成硫化物，硫酸鹽還原菌則會借助有機質進行大量繁殖，由此便會形成腐蝕鋼質管道的化學環境，這樣一來，鋼管的腐蝕也會隨之加劇。

2　埋地鋼質燃氣管道犧牲陽極陰極保護的設計思路

2.1犧牲陽極陰極保護設計要點

2.1.1合理選擇陽極種類。在犧牲陽極陰極保護的設計中，陽極材料的選擇至關重要，其直接關系到保護效果。目前，在工程中常用的犧牲陽極材料有以下幾種：鎂、鋁、鋅及其合金。相關研究結果表明，在土壤環境當中，鎂合金陽極開路的電位較高，適合在電阻率高度區域內的工作；鋅合金陽極由于本身的自腐蝕性較小，加之電流效率較高、壽命長，故此其適合在電阻率較低的區域中使用；鋁陽極的單位發電量要高于鎂和鋅，但其在土壤當中的性能不太穩定，由此導致了陽極效率較低，所以在設計中使用的相對較少。

2.1.2陽極數量的確定。通常情況下，陽極的數量需要通過相關的計算進行確定，具體如下：

①總保護電流。可用It表示總保護電流，其計算公式如下：

It=πDL·i（1）

在上式當中，D代表被保護鋼管的外徑，L代表鋼管的長度，i代表保護電流密度（可取30μA/m2）。下面以DN400管徑為例，長度為1000m管道所需的保護電流為3.14×0.426×1000i=40mA。

②單個陽極的輸出電流。可通過相關的經驗公式對單個陽極的輸出電流Ia進行計算，具體如下：

Ia=120000fy/p（2）

上式當中，f代表犧牲陽極的質量系數（可取1）；y代表被保護金屬對地電位系數（電位為-0.85V時，可取1）；p代表土壤的電阻率（通常為30-50Ω·m），本文按最高值進行計算，則Ia=24mA。

③陽極數量。可用下式對陽極的具體數量進行計算：

N=σIt/Ia（3）

在上式當中，σ代表備用系數（可取2-3）。本文按照3進行計算，則陽極數量為5.1只。

2.1.3犧牲陽極的布設。犧牲陽極應當采用單只或是成組的方式進行布設，同一組內的陽極應當批號相同且開路點位相等；埋設的位置應當以距離管道外壁3m-5m處為宜，且必須埋設在冰凍線以下；若是地下水位低于3m時，可根據實際情況適當深埋；在平原地區，可采用等距的方式進行布設，并盡可能向接頭位置處靠近。

2.2設計中的注意事項

2.2.1絕緣連接。為了有效避免陰極保護電流流至與大地連接的非保護構筑物上，在設計陰極保護管道系統時，應當進行電絕緣。由此一方面能夠防止電流的不必要流失，從而減輕電偶腐蝕，另一方面還能防止干擾。在進行絕緣時，可將其設置在以下部位：干支管的連接位置處；新舊管的連接位置處；裸管與覆蓋層連接處；電氣接地處等。

2.2.2套管。當埋地鋼質燃氣管道穿越公路時，一般需要采用套管，不管采用的是何種材質的套管，都會存在屏蔽作用，這樣一來，會使外部的陰極保護電流無法流至燃氣管道上，此處也成為陰極保護的盲區，若是套管內部因特殊原因進水，該位置處的將會失去保護。對于套管的屏蔽問題，常規的做法是采用帶狀鋅陽極，將之以螺旋狀的方式纏繞在管道上，并每間隔2m左右與管道進行一次焊接。

2.2.3干擾。強電線路對埋地的鋼質管道存在一定程度的交流干擾，這樣不但會對管道產生交流腐蝕，而且線路故障時產生的瞬時感應電壓還可能擊穿管道中的絕緣裝置，極易引發安全事故。對于此類問題，可采取如下解決方法：犧牲陽極的施工應當在管道全部完工后立即進行，以此來確保陽極接地的有效性；可適當加大管道與接地導體之間的距離，以3m左右為宜；可在管道與絕緣裝置及接地體之間以串聯方式加裝接地電池，由此能夠使瞬間感應電壓過渡至管道上，并通過接地裝置泄放出去。

結語

綜上所述，埋地鋼質燃氣管道在土壤環境中容易發生電化學腐蝕，一旦管道被腐蝕后，便會導致燃氣泄漏，如果未能及時發現，則有可能引起燃氣爆炸的惡性事故，其危害性較大。為此，必須做好埋地鋼質燃氣管道的腐蝕防護工作。犧牲陽極的陰極保護是埋地鋼質燃氣管道常用的一種腐蝕保護措施，大量工程實踐表明，這種方法可行且效果良好。

參考文獻

[1]武烈．我國陰極保護技術的發展及其高新技術的探索[J]．腐蝕與防護，2013（06）．

中圖分類號：TU996

文獻標識碼：A