埋地鋼質管道陰極保護方式及其維護

周陽

摘 要：長輸埋地金屬管道多處于復雜的土壤環境中，在周圍環境介質（土壤、地下水、細菌及外界雜散電流）的長期作用下，如不采取有效措施，會對金屬本體產生腐蝕，這種腐蝕破壞速度很緩慢，但對油氣管道的危害是巨大的。通過對埋地金屬管道施加陰極保護，可以有效防止和減緩埋地管道的腐蝕。因此，陰極保護在油氣管道管理中占據十分重要的地位。本文主要探討長輸油氣管道運行中的陰極保護方式及其維護。

關鍵詞：金屬；管道；保護；維護

1 金屬腐蝕

1.1 金屬腐蝕的本質

金屬腐蝕的本質就是金屬由元素狀態返回自然狀態（礦石）的過程。腐蝕自始至終完全是一個純自然過程，自然界中很多物質都會因此而發生變質。因此腐蝕是一種普遍存在的自然現象。

金屬在電解質溶液中由于電化學作用而發生的腐蝕稱為電化學腐蝕。它是金屬腐蝕中最普遍的一種方式，特別是埋地管道的腐蝕主要為電化學腐蝕。

1.2 埋地金屬管道的腐蝕

1.2.1 土壤腐蝕

土壤腐蝕基本上屬于電化學腐蝕，因為土壤物質組成比較復雜，含有大量的水，空氣和各種鹽類，埋地管道周圍介質便有了電解質溶液的特征，埋地金屬管道在土壤中將發生電化學腐蝕。埋地金屬管道在土壤中的腐蝕速度比一般水溶液中慢。其中土壤電阻率是影響腐蝕速度的主要因素。

1.2.2 雜散電流腐蝕

雜散電流是指除陰極保護電流以外的電流，比如高壓電塔的接地、電氣化鐵路由于各種原因排入大地的電流都稱為雜散電流。當埋地管道靠近雜散電流源時，如果管道防腐絕緣層有破損，雜散電流就會通過破損處進入金屬管道中，并在管道中持續流動，如果該段管道防腐層破損較多，雜散電流會在另一處防腐層破損點流出，返回雜散電流源負極。流入點成為陰極，流出點成為陽極，腐蝕發生在雜散電流的流出點，這種腐蝕破壞形式稱為雜散電流腐蝕，也稱電蝕。

1.2.3 細菌腐蝕

細菌在特定條件下，參與金屬的腐蝕過程。最具代表性的一種是硫酸鹽還原菌，這種細菌易在pH值6～8、堿性和透氣性較差的土壤中繁殖。利用自身的生息，將硫酸鹽離子還原，在鐵表面的生成黑色的（FeS），并發出臭雞蛋味（H2S）。細菌利用這個反應釋放的能量來繁殖，加速了金屬腐蝕。

2 埋地管道的陰極保護

2.1 陰極保護的原理

埋地金屬管道，由于金屬本身制造時的不均勻性或外界環境的不均勻性，大多會形成微觀的腐蝕原電池。陽極區發生腐蝕，失去電子。陰極區發生陰極反應，陰極區不會發生腐蝕。因此，如果給金屬加以陰極電流，使金屬表面全部陰極極化，使腐蝕電池中微陰、微陽極電位相等，阻斷了微陰、微陽極之間的電流流動，從而使被保護金屬停止腐蝕。這就是陰極保護原理。

2.2 陰極保護準則

①一般情況下，在通以陰極保護電流時，測得的管地電位應為-850mV（CSE）或更負，該值應為消除IR降后的數值。

②當管道處于有害菌土壤環境中，測得的管地電位應為-950mV（CSE）或更負。

③不同的土壤電阻率陰保電位也不盡相同，當土壤電阻率100Ω·m至1000Ω·m時，陰保電位應負于-750mV（CSE）；當土壤電陽率大于1000Ω·m時，陰保電位應負于-650mV（CSE）。

④最大保護電位應考慮防腐層的種類，以不破壞管道表面的防腐層為原則。消除IR降后的最大保護電位通常不宜比-1200mV更負。

⑤對3PE防腐層管道，如果管道自然電位接近或負于-850mV（CSE），最小保護電位應為自然電位負向極化100mV。

3 金屬管道犧牲陽極陰極保護

3.1 犧牲陽極陰極保護

選擇一種比鋼鐵電極電位更負的金屬材料，并用導線將被保護管道與之相連接，由于這種金屬材料的電極電位比管道更負，該金屬就成了腐蝕電池的陽極，管道就成了陰極而被保護。這種金屬材料就稱為犧牲陽極。犧牲自己去實現對被保護金屬的防護，是犧牲陽極保護的最大特點。

犧牲陽極適用于大部分管段防腐層絕緣質量良好，腐蝕輕微，土壤電阻率低，短而孤立的管道，單獨用戶的支線，附近有較多金屬構筑物。

3.2 犧牲陽極的種類及性能

3.2.1 鎂及鎂合金陽極。

鎂是活潑的堿土金屬元素，25℃時的標準電極電位值為-2.37V。對鋼鐵有有效電壓0.65～0.75V，鎂與鋼鐵類被保護體組成的保護回路中，驅動電壓最大。電流效率只有（40～50）%，電流效率比較低，根據使用的場合不同，可以把它做成塊狀、帶狀、線狀或板狀。

鎂在海水中易造成過保護，很少應用于海水中。鎂在碰撞時易產生火花，因而不能應用于有防爆要求的場所。陽極開路電位較高，適用于土壤電阻率為15～150Ω·m高電阻率的土壤中。

3.2.2 鋅及鋅合金陽極。

鋅是最早使用的犧牲陽極材料，在土壤中具有較高的電流效率，電流效率可達90%，其電位穩定，陽極輸出電流能隨被保護金屬的狀態，環境的變化而自動調節。鋅及鋅合金陽極不適宜高溫淡水或土壤電阻率過高的環境。一般都鑄造成梯形斷面。

3.2.3 鋁合金陽極。

鋁合金陽極單位重量發生電量最大，有自動調節輸出電流的作用，在海水中性能優良，目前土壤中使用的鋁合金陽極性能尚不穩定。故極少應用于埋地金屬管道的犧牲陽極。

3.2.4 鎂、鋅復合式陽極。

復合式陽極是由兩種材料組成，一般鋅在芯部，鎂在外部。當鎂消耗完之后，鋅陽極再發揮其高效率、長壽命的特點。

3.3 填包料

為了使犧牲陽極更好地發揮其作用，就必須使犧牲陽極置于低電阻率的介質環境中，這種具有低電阻率的介質就是填包料。填包料可以改善陽極的使用環境，降低陽極接地電阻，增大輸出電流，使陽極溶解均勻，陽極的使用壽命得到延長。化學填包料一般由不同的易溶無機鹽與膨潤土組成。

3.4 犧牲陽極的埋設

3.4.1 犧牲陽極的埋設可分為立式或水平式。犧牲陽極的埋設深度一般與被保護管道深度一致。

3.4.2 犧牲陽極的分布可采用單支或集中成組兩種方式。成組分布時，陽極間距以2～3m為宜。陽極埋設位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.5m。

3.4.3 通常在相鄰兩組犧牲陽極管段的中間部位設置測試樁，樁的間距應大于500m。

3.4.4 埋設犧牲陽極時，應避免管道與陽極之間存在其他金屬構筑物。

3.5 犧牲陽極運行與維護

3.5.1 犧牲陽極埋設后，填包料澆水10天后進行保護參數的投產測試。

3.5.2 犧牲陽極投入運行后相鄰兩組陽極之間的所有管道保護電位應達到最小保護電位標準。

3.5.3 犧牲陽極投入運行后，應定期進行監測，至少每半年測量一次管道保護電位和陽極輸出電流、陽極開路電位、陽極接地電阻和陽極埋設點土壤電阻率，可根據需要作加密測試。

3.5.4 對犧牲陽極保護系統，每年至少應維護一次。

4 金屬管道外加電流陰極保護

將金屬管道與直流電源的負極相連接，讓金屬管道成為保護系統中的陰極，同時消除金屬中的電位差，使腐蝕電流下降為零。從而使金屬管道免遭電化學腐蝕的方法，稱為金屬管道的外加電流保護。外加電流陰極保護系統主要由輔助陽極、附屬設施、電源設備和被保護管道四部分組成。

4.1 輔助陽極

輔助陽極是外加電流陰極保護系統中不可缺少的重要組成部分，它將保護電流從電源引入土壤中，再經過土壤流入管道，最后回到電源的負極。這個過程中金屬管道為陰極，其表面只發生還原反應，而輔助陽極表面則發生丟失電子的氧化反應，輔助陽極本身存在一定的消耗。

4.1.1 常用輔助陽極。

①高硅鑄鐵陽極：陽極的允許電流密度5～80A/㎡，自身消耗率小于0.5kg/（A·a）。適合土壤和淡水中。

②石墨陽極：陽極的允許電流密度5～10A/㎡，自身消耗率小于0.6kg/（A·a）。

③鋼鐵陽極：自身消耗率8～10kg/（A·a）。

④柔性陽極：最大輸出電流密度82mA/m。

⑤貴金屬氧化物陽極：在鈦基體上覆蓋一層導電的混合貴金屬氧化物而構成，工作電流密度為100A/㎡，消耗率極低，壽命長。

4.1.2 填充料的作用。

①可以增大與土壤的接觸面積，減少陽極接地電阻；②使得電化學腐蝕首先在填充料上發生，大大延長陽極的使用年限；③利于陽極產生的氣體（氧氣、一氧化碳、二氧化碳）逸出，不至于在陽極表面產生“氣阻”，增大陽極接地電阻。

實踐應用表明：石墨陽極應加填充料；高硅鑄鐵陽極應視埋設位置而定，在沼澤地，流沙層可不加填充料；柔性陽極陽極宜加填充料；鋼鐵陽極可不加填充料。

填充料的含碳量宜大于85%，最大粒小于15mm，填充料厚度一般為100mm。當用柔性陽極時，填充料的最大粒徑宜小于3.2mm。預包覆焦炭粉的柔性陽極可直接埋設，不必再加入填充料。

4.1.3 陽極地床埋設形式。

4.1.3.1 淺埋式陽極地床。

淺埋式陽極地床顧名思義就是埋入地下較淺，一般距地表約1～5m的土層中，大多數陽極均采用淺埋式。淺埋式陽極又可分為立式和水平式兩種。

①立式陽極地床：將一根或多根陽極垂直埋入地下。陽極間用扁鋼連接。立式陽極的優點：a接地電阻變化較小。b尺寸相同的情況下，采用立式陽極地床的接地電阻要比水平式的接地電阻小（示意圖如圖2）。

②水平式陽極地床：以水平方式將陽極埋入地層中。水平式陽極的優點：a安裝容易，便于施工。b便于檢查陽極的狀況。

4.1.3.2 深埋式陽極地床。

當周圍環境受限或者地床周邊有其他金屬構筑物對陽極地床存在干擾和屏蔽時，應采用深埋式陽極。根據陽極地床的埋設深度不同可分為次深（20～40m），中深（50～100m）和深（超過100m）三種（結構圖如圖3）。

4.2附屬設施

4.2.1陽極地床埋設后還要定期檢測管道陰極保護參數，所以在管道沿線應設置測試樁。為了避免重復和節約材料，測試樁可兼作里程樁。

4.2.2 電絕緣裝置

安裝電絕緣裝置的目的是將被保護管道與不應受到保護的管道從導電性上分開。目前，國內一般采用絕緣法蘭或絕緣接頭作為電絕緣裝置。

4.2.3 長效參比電極

采用長效埋地型硫酸銅參比電極，它是陰極保護恒電位儀恒電位模式工作控制的基準信號源，同時也是沿線電位傳送器進行管/地電位采集和遠傳的基準信號源。

4.2.4 均壓線

均壓線安裝于同溝敷設、近距離平行或交叉的管道，以消除不同管道之間的電位差，從而避免干擾腐蝕。均壓線安裝后，兩管道間電位差不超過50mV。

同溝敷設的兩管道每5～10km設置均壓線連接。均壓線設置在電位/電流測試樁處，實現同溝敷設的兩管道間的均壓連接。

4.2.5 跨接電纜

為使全線站外長輸干線處于同一陰極保護系統，保證陰極保護電連續性，采用跨接電纜將進、出站管道絕緣接頭的保護端連通。

4.3 電源設備

陰極保護系統中，需要一個穩定的直流電源，能保證長期持久的供電。目前，常用電源設備為恒電位儀。（以PC-1B恒電位儀為例）

4.3.1 PC-1B恒電位儀工作原理。

當儀器處于“自動”工作狀態時，給定信號和經阻抗變換器隔離后的參比信號一起送入比較放大器，經高精度、高穩定性的比較放大器比較放大，輸出誤差控制信號，將此信號送入移相觸發器，移相觸發器根據該信號的大小，自動調節脈沖的移相時間，通過脈沖變壓器輸出觸發脈沖調整極化回路中可控硅的導通角，改變輸出電壓、電流的大小，使保護電位等于設定的給定電位，從而實現恒電位保護。

4.3.2 設備日常維護。

①恒電位儀等電源設備應做到無灰塵、無缺件、無外來物、技術狀態良好。

②恒電位儀等電源設備應定期對運行機與備用機進行切換運行，切換周期以每月一次為宜。

③恒電位儀等電源設備應每月維護保養一次，以保證儀器設備技術性能達到出廠技術指標。

④恒電位儀等電源設備應有避雷措施。

⑤應逐臺建立設備檔案，認真填寫運行、維修、事故記錄。

⑥在設備維修中，不得擅自改變結構和線路，需要改裝時，要提出申請，報業務主管部門批準，并繪制改裝后的圖紙存檔。

⑦恒電位儀等電源設備報廢，應按具備下列條件之一者執行：

a恒電位儀等電源設備使用已達十年以上；

b無法修復或修復已不經濟；

c技術性能已明顯落后。

⑧按時填報pis系統報表。

實踐證明，兩種陰極保護方式的合理運用，采用科學的管理方法，遵循技術規程，埋地管道的腐蝕是可以有效控制的，從而降低腐蝕穿孔事故的發生率，大大延長管道的使用壽命。