長輸天然氣管道的陰極保護系統設計與應用

閔珊珊　甘宇　曾濤

摘 要 我國的天然氣資源的輸送主要依靠長距離埋地管道來實現。本文主要介紹了長輸天然氣管道陰極保護設計原理及系統設計，闡述了長輸天然氣管道陰極保護投入運行的調試方法，對今后長輸天然氣管道陰極保護的系統設計及投入運行的調試、日常管理有一定的幫助。

關鍵詞 長輸天然氣管道 陰極保護 系統設計 應用

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A

0前言

目前，我國天然氣資源的輸送主要依靠長距離埋地管道來實現，由于長輸天然氣管道均采用埋地方式敷設，穿越地形、地段復雜，土壤性質各異，對管道存在著不同程度的腐蝕，如果能應用現代腐蝕理論和防腐技術，腐蝕造成的經濟損失可以降低25～30%。實踐證明，單純地對地鋼管采用防腐涂層的防護辦法不能有效解決埋地管道腐蝕問題。采用管道外防腐絕緣層與陰極保護的聯合使用是最經濟、最合理的防腐蝕措施。

1長輸天然氣管道陰極保護設計原理

每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位，腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子，我們稱失去電子的部位為陽極區，得到電子的部位為陰極區。陽極區由于失去電子受到腐蝕，而陰極區得到電子受到保護。

陰極保護的原理：給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位。有兩種辦法可以實現這一目的，即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

1.1犧牲陽極法

將被保護金屬和一種電位更負的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護體陰極極化以降低腐蝕速率的方法。 在被保護金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負于被保護金屬體的電位值，在保護電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實現了對陰極的被保護金屬體的防護。

1.2強制電流法（外加電流法）

將被保護金屬與外加電源負極相連，輔助陽極接到電源正極，由外部電源提供保護電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：恒電位、恒電流等。外部電源通過埋地的輔助陽極將保護電流引入地下，通過土壤提供給被保護金屬，被保護金屬在大地中仍為陰極，其表面只發生還原反應，不會再發生金屬離子化的氧化反應，使腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發生丟電子氧化反應，因此，輔助陽極本身存在消耗。

2長輸天然氣管道陰極保護系統設計

2.1陰極保護方法

埋在土壤中的金屬管道由于各種原因管道表面將出現陽極區和陰極區，并在陽極區發生局部腐蝕。陰極保護是指將被保護金屬（如煤氣管道）進行陰極極化，使電位負移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學不均勻性所引起的腐蝕電池，使金屬免遭環境介質（如土壤）的腐蝕，即用輔助陽極或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護管道、設備的腐蝕，從而達到延長被保護管道的使用壽命，提高其安全性和經濟性的目的。使用陰極保護時，被保護的金屬管道應有良好的防腐絕緣層，以降低陰極保護的費用。陰極保護技術根據保護電流的供給方式，可分為犧牲陽極法和強制電流法兩種保護方法。采用犧牲陽極法的主要優點有：無需外部電源、對外界干擾少、安裝維護費用低等特點，適合于區域范圍較小的埋地鋼管的防腐蝕。強制電流法則有保護范圍大、適合范圍廣、激勵電勢及輸出電流高、綜合費用低等優點，故適合用于長輸管線的防腐。

2.2設計要點

為防止絕緣設備遭受雷擊及靜電火花引起的破壞，在所有安裝絕緣設備處各安裝一副接地電池。接地電池安裝前必須進行檢查，在地下水豐富的地方，接地電池容易出現失效、短接的現象。

雜散電流的預防措施。雜散電流能使地下管道產生強烈的電化學腐蝕。我國的行業標準規定，管道附近土壤中電位梯度大于0.5mV/m時認為有干擾的可能，當電位梯度大于2.5mV/m時應考慮采取防護措施。當管道在雜散電流處有1cm的防腐層破損，且此處有1mA的雜散電流流出時，該處的腐蝕速度將達到12mm/a。在雜散電流對管道的腐蝕和干擾。

穿跨越處的特殊保護。公路和鐵路穿越工程，由于承重，需要加設保護套管。理想的套管穿越，是主管道和套管之間兩端用軟性材料密封和中間安裝絕緣支架，管道應與套管保持較好的電絕緣。但在實際工程中，出現沒有陰極保護電流穿過套管壁流向套管內主管道表面，使得位于套管內的主管道處于自由腐蝕狀態，而套管則得到很好保護。

2.3陰極保護設計方案

A（城市）至B（城市）管道沿線土壤電阻率變化大，最低25.1 ·m，最高392.8 .m，一般地段在40～60 .m。沿線幾處高壓輸電線路接地與管道距離較近，經過雙參比電極法測試，雜散電流的電位梯度為2.8～5.4mV/m。雜散電流干擾嚴重，管道沿線必須采取鋅排流陽極并做犧牲陽極使用。根據工程的實際情況，A（城市）至B（城市）全線共設置陰極保護站兩個，分別是首站A（城市）和末站B（城市）。管道在穿越段設置帶狀鋅陽極保護，沿線采用犧牲陽極既起到輔助保護，又可以排除管道上雜散電流和靜電。

3長輸天然氣管道陰極保護投入運行調試與日常管理

3.1運行調試

主要有4個步驟：（1）陰極保護投入前對被保護管道的檢查；（2）對陰極保護施工質量的驗收；（3）陰極保護投入運行的調試；（4）陰極保護站投入運行；（5）保護電位的控制。當管道全線達到最小陰極保護電位指標后，投運操作完畢，各陰極保護站進入正常連續工作階段。

3.2陰極保護系統的日常管理

（1）每月測量一次全線管道保護電位，每季度測量一次陽極床接地電阻；

（2）每天記錄一次陰保間恒電位儀的保護電位、輸出電壓及輸出電流，每月可交換A/B機工作，延長儀器工作壽命；

（3）管道電流、電位測試樁注意保護，防止人為破壞，并且每年保養一次；

（4）所有測量數據需填寫記錄表，存檔，以便查閱。

參考文獻

[1] 胡士信.管道陰極保護技術現狀與展望[J].腐蝕與防護，2004，25（03）：93-101.