局部強化外加電流陰極保護對長輸管道防腐效果的研究

閆家鵬

(沈陽化工大學 能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142)

長輸管道一般都是埋地敷設，受土壤中溫度、酸度、雜散電流等一系列變化復雜的埋設條件影響，管道外部的腐蝕極易加速，使用壽命會縮短[1-2]。對于長輸管道陰極保護技術是目前較為行之有效的防腐措施。陰極保護的方法可以分為兩大類：外加電流法和犧牲陽極法[3-4]。兩種方法在原理上相似，均為集聚被保護金屬表面的電子來降低該金屬的腐蝕電位[5-6]。外加電流法通過將外電源負極與所要保護的金屬相連接，輔助陽極與電源正極相接，從而構成通路，為金屬提供保護電流。該方法的優點在于保護電流大小可調，保護裝置壽命長，環境電阻率限制作用小等[7-9]。在長輸管道中主要應用外加電流法進行保護。這就對土壤的導電率有一定要求，土壤電阻率一般應小于50 Ω·m，即一般在地下水位較高或潮濕低洼處，并且土層厚，無塊石的地段，外加電流陰極保護效果較好。但在實際的長輸管道埋設中總會存在一些局部空洞(即，管道周圍沒有土壤導電，形成濕空氣腐蝕環境)的現象，與管道接觸的僅為濕空氣，地下濕空氣可能含有多種腐蝕性的離子，土壤的孔隙有利于氧氣的滲入和水分保存，孔隙度越大管道腐蝕越嚴重[10]；同樣，在長輸管道的“管中管”封閉空間內沒有構成陰極保護的電流回路，陰極保護基本上沒有發生作用[11]。所以，在埋地管道的空洞環境中空氣電阻大，達不到陰極保護要求的導電率條件，而出現局部保護減弱甚至失效，導致管道腐蝕嚴重。

本文設計出一種三層緊密結構組成的局部強化外加電流陰極保護方案，通過對比實驗的方法，研究此方案對處于空洞環境中的管道的防腐保護效果。

1 方案設計及實驗方法

1.1 局部強化外加電流陰極保護方案設計

通常的埋地管道外加電流陰極保護方案如圖1。其原理是：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。輔助陽極埋設位置與被保護管道有一定距離，使電流分布能較均勻。被保護金屬在大地中為陰極，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。

圖1 通常的外加電流陰極保護示意圖Fig.1 Schematic diagram of common external current cathodic protection

本文設計的方案為局部強化外加電流陰極保護，如圖2。

本方案中，電解池是由三層緊密結構組成，依次為被保護金屬、固體電解質層、輔助陽極加導電涂層，夾在中間的固體電解質層提供了陰極保護電流的離子遷移通道。這種緊密結構的突出特點是在輔助陽極與被保護金屬之間能夠建立強度均勻的電場，從而使保護電流均勻地分布到被保護金屬的所有表面上，對管道進行有效的防腐保護，彌補了傳統外加電流陰極保護因管道外空洞環境電流回路電阻過大而對管道的保護失效的現象。

參比電極是測量被保護金屬電位的基準電極，選用與固體電解質相匹配的固體參比電極。

極化電源使用恒電位儀。保護電流由恒電位的正輸出端流出，流經輔助陽極和固體電解質層到達被保護金屬，匯流后返回恒電位儀的負輸出端。

利用固體電解質涂料在金屬表面構造出完整的電解質環境，以金屬陽極加導電涂層作為輔助陽極，解決了長輸管道濕空氣環境下金屬腐蝕的問題。

圖2 局部強化外加電流陰極保護示意圖
Fig.2 Schematic diagram of partly enhanced external current cathodic protection

1.2 實驗材料

用三個塑料長方體有蓋盒子作為實驗容器。為方便實驗，以9塊薄碳鋼板代替管道作為目標電極材料(被保護體)，尺寸為100×100×5 mm，其化學成分為C 0.20%，Si 0.35%，Mn 1.45%，P 0.045%，S 0.045%，密度ρ=7.85 g/cm3。配備三組電源。固體電解質涂料由7%～10%的蒙脫石固體電解質與水性聚氨酯樹脂以1∶1共混，加入水和助劑組成。陽極材料選用紫銅片；導電涂層采用片狀石墨與樹脂的復合樹脂導電材料。參比電極為石墨電極，其表面狀態穩定，與固體電解質涂料組成的電極系統的抗極化性能好。從室外1 m以下取潮濕土壤作為實驗用土壤。

1.3 實驗方法

實驗前將9塊目標電極(鋼板)用細砂紙將表面打磨光滑去銹，清理干凈后稱重并測量表面積，記錄其數值，保存在干燥容器中備用。

1.3.1 實驗分組

(1)A組實驗：模擬空洞環境對鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持濕空氣環境，將三塊目標電極A1、A2、A3懸掛在土壤上方，距土壤50 mm的高度，土壤中埋入陽極材料，并采用外加電流陰極保護。

(2)B組實驗：模擬正常的外加電流陰極保護條件下鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入200 mm厚的土壤，將三塊目標電極B1、B2、B3豎直埋入土壤，并且距目標電極200 mm處土壤中埋入陽極材料，并采用外加電流陰極保護。

(3)C組實驗：模擬采用三層緊密結構的強化外加電流陰極保護條件下鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持濕空氣環境。在將三塊目標電極C1、C2、C3表面涂1 mm厚的固體電解質，并植入參比電極。在固體電解質外涂約0.2 mm厚導電涂層，并加上陽極。然后把三塊目標電極懸掛在土壤上方，距土壤50 mm的高度，并采用外加電流陰極保護。

1.3.2 實驗過程及時間

實驗時間為30天。在實驗過程中每天向土壤中加入少量水，保持土壤濕潤，以模擬真實土壤環境。在實驗結束時，取出目標電極，用細砂紙仔細打磨去除表面銹層，干凈后稱重并記錄質量。

2 結果與討論

2.1 實驗結果數據如表1

表1 實驗結果數據Table 1 Experimental data

2.2 實驗結果分析

由表1數據可以看出，A組模擬在道空洞環境下埋地管道的腐蝕速率，年平均速率為0.0887 mm/a；B組模擬埋地管道采用通常的外加電流陰極保護后的腐蝕速率，年平均速率為0.0059 mm/a；C組模擬埋地管道采用本文設計的局部強化外加電流陰極保護方案后的腐蝕速率，年平均速率為0.0030 mm/a。

三組鋼板年腐蝕速率的比較如圖3。A組的平均腐蝕速率遠遠大于B組和C組，而C組較B組更小。B組的平均腐蝕速率大約是A組的6.7%，C組的平均腐蝕速率大約是A組的3.4%。

圖3 三組實驗的年腐蝕速率比較Fig.3 Comparison of annual corrosion rates of three groups of experiments

如A組實驗所示，在道空洞環境下埋地管道由于濕空氣環境的電阻過大，陰極保護近乎失效，而鋼材在濕空氣中極易腐蝕，所以腐蝕速率大。如B組實驗所示，在埋地管道采取外加電流陰極保護措施后，電位較低，由外電路向被保護金屬通入電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，以供去極化劑還原反應所需，從而使金屬氧化反應(失電子反應)受到抑制。但A組實驗與B組相比，說明即使有外加電流陰極保護，埋地管道在空洞環境中腐蝕也非常嚴重，接近失效。C組實驗采用本文設計的方案，使得埋地管道即使在空洞環境中，采用局部強化外加電流陰極保護方法，管道的腐蝕速率大大降低，僅為空洞環境的3.4%。原因是這種緊密結構的外加電流陰極保護在輔助陽極與被保護金屬之間能夠建立強度均勻的電場，不受空洞環境的影響，使保護電流均勻地分布到被保護金屬的所有表面上，對管道進行有效的防腐保護。

3 結論

在設計和施工長輸管道時，在預測到可能出現空洞或加裝套管的被保護管道處，采用本文設計的局部強化外加電流陰極保護方案，即局部采用由三層緊密結構組成的電解池，可以有效地解決原來長輸管道中某些地方由于加電流陰極保護的回路電阻過大而保護失效的問題，將局部防腐失效的管道腐蝕速率降低到原來的3.4%左右，保護效果顯著。