犧牲陽極和外加電流聯(lián)合保護(hù)法在長輸管道中的應(yīng)用

卜建設(shè)，梁久龍，呂東旭(.中國航空油料有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 05080；.承德華腐隆辰防腐工程有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

0 引言

由于長輸管道長期深埋地下，在地下溫度、酸度等一系列復(fù)雜條件的影響下，管道外腐蝕十分嚴(yán)重。陰極保護(hù)是目前較為有效的緩解腐蝕手段。陰極保護(hù)目前可分為2種：外接電流和犧牲陽極。這兩種方法原理相似，都通過集合在金屬表面的電子來降低其被腐蝕的可能性。外接電流方案是將外接電源的負(fù)極接保護(hù)金屬，輔助正極接電源正極，形成電流通路給埋地管線提供保護(hù)。這種操作的好處是電流可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠保護(hù)設(shè)備經(jīng)久耐用，對電阻的限制較少。

犧牲陽極將具有高負(fù)電位的材料連接到所需的埋入金屬上，并通過溶解在陽極中的電流來保護(hù)陰極表面。犧牲陽極法的一個主要不足之處是必須維持充足的負(fù)電位以穩(wěn)定陽極電位，并且陽極材料要均勻溶解以防止局部腐蝕。除了嚴(yán)格把控正極外，還應(yīng)選擇土壤阻力低的負(fù)極層位置，以防止保護(hù)缺失。犧牲陽極法不需要外接電源電壓，電流分布均勻，包含自動調(diào)節(jié)功能，不會發(fā)生過保護(hù)，設(shè)備的安裝也比較簡單，但是，缺點是保護(hù)范圍不足并且消耗陽極材料，因此我們只能將其用于小型設(shè)備的陰極保護(hù)[1]。

1 實驗介紹

保護(hù)設(shè)備分為犧牲陽極、外接電流和固體電解質(zhì)三部分。首先，通過測試找到最為合適的陽極材料和符合條件的規(guī)格，然后再通過外部電流陰極保護(hù)篩選出最佳的保護(hù)電壓。最后，完成對電解質(zhì)相關(guān)的結(jié)果分析，找到最優(yōu)制造條件，最終構(gòu)建出聯(lián)合保護(hù)。

為了找出犧牲陽極材料和其規(guī)格對埋地線路抗腐蝕的影響根據(jù)，選擇鋅(Zn)、鎂(Mg)和鋁(Al)作為陽極材料，表面積為25 cm2，厚度為2 cm，規(guī)格分為4*6.25 cm、12.5*2 cm、5*5 cm 3種。同樣，使用5 V、2 V以及1 V的電壓分別對其進(jìn)行電壓輸出。固態(tài)電解質(zhì)碘(I)、碘化鉀(KI)、氫氧化鈉(NaOH)、乙腈(C2H3N)、硫酸鋅(ZnSO4)、乙二醇((CH2OH)2)和瓊脂。管道材料以及陰極接頭使用Q235型鋼材，電解槽使用有機(jī)玻璃槽。

將埋地線路和陽極材料放入犧牲陽極裝置中并用導(dǎo)線連接以構(gòu)成原電池。為有效測試陽極材料對管道的抗腐蝕作用，將外部直徑25 mm、內(nèi)部直徑19 mm、長50 mm的管道兩端連接，將帶有塑料軟管和自來水的水泵引入管道以模擬供水。將管道浸入10%氯化鈉溶液中，以模擬管道外腐蝕。每個實驗的觀測時效約為5 h，每15 min分鐘記錄一次電流。開始測試前，先磨去管表面的銹痕，以準(zhǔn)確測試實驗中的最小誤差。

外接電流裝置外直徑為25 mm、內(nèi)直徑為19 mm、長約50 mm的管兩端用塑料軟管與水泵相連，將水引入管內(nèi)以模擬埋地線路運(yùn)行。腐蝕溶液也使用10%的氯化鈉溶液。實驗在外部電流設(shè)備上進(jìn)行，其中，以石墨為輔助陽極，管道作為陰極。實驗采用直流電，及時測量管道中的電極電位，電源電壓為5 V、2 V以及1 V。反應(yīng)時間為5 h, 15 min,每15 min也標(biāo)記一次管道電位。

碘化鉀和碘用作固體電解質(zhì)中溶質(zhì)。由于碘化鉀無法溶于有機(jī)溶劑，因此用乙二醇作溶劑將其溶解，之后用乙腈再溶解碘。由于碘化鉀溶于乙二醇并立刻產(chǎn)生碘離子，使得碘更易溶于乙腈。將金屬電解質(zhì)添加到溶液中并加熱和攪拌以增加固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率，完全溶解后，加入膠凝劑形成固體電解質(zhì)。選擇氫氧化鈉和硫酸鋅作為金屬電解質(zhì)主要是因為二者反應(yīng)形成的氫氧化鋅膠體使溶液容易形成固態(tài)。如果有比電或鋅更活潑的金屬陽極，則電解液中的鋅離子被置換，以小鋅顆粒的形式分布在電解液中作為金屬電解液。鋅離子的表面張力較大，相比于陰極材料更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，和埋地線路形成小型電池結(jié)構(gòu)，向陰極保護(hù)系統(tǒng)提供電子，提高電流效率以及固態(tài)電解質(zhì)的性能[2]。

犧牲陽極和外接電流聯(lián)合保護(hù)由太陽能供電，無需建造陰極保護(hù)站、測試樁和長距離輸電電纜，這樣，可隨時用于管道陰極保護(hù)。當(dāng)電池電量不足，太陽能在夜間或長時間陰雨天氣無法為其提供充足電流時，犧牲陽極則開始起作用，產(chǎn)生陰極保護(hù)電流繼續(xù)保護(hù)管道，而固態(tài)電解質(zhì)可以有效延長材料的使用周期。電解質(zhì)具有高電導(dǎo)率、低揮發(fā)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特性，不因外部自然環(huán)境變化而發(fā)生變化，保證了陽極元件電位的穩(wěn)定。太陽能板產(chǎn)生的能量儲存在電池中，將電池的輸出端連接到恒電位器，各部分用隔板隔開，置于500*500*600 mm的聚四氟乙烯板外殼內(nèi)，內(nèi)部填充固體電解質(zhì)。施工時，只將負(fù)極連接器觸點用焊槍連接到管道上，實現(xiàn)陰極保護(hù)。通過選擇犧牲陽極、外接電流測試和固體電解質(zhì)測試的最佳條件來構(gòu)建保護(hù)裝置。聯(lián)合保護(hù)實驗時間為外加電流5 h，犧牲陽極5 h，共10 h，每30 min記錄一次電流電位。作為犧牲陽極，用萬用表的紅頭接陽極鎂，黑頭接陰極管測量讀數(shù)。通電時讀取的參比電極值，是陰極連接器的電位。

腐蝕速率為：

式中：v為腐蝕速率(mg/(min·cm3))；m為埋地線路被腐蝕前的重量(g)；m1為線路被腐蝕后重量(g)；S為線路的表面積(cm2)；t為反應(yīng)時長(min)；d為材料厚度(cm)。

表面積為：

式中：D為管道內(nèi)外徑和(cm)；l為管道長度(cm)。

計算三個試驗組的鋼管用不同材料保護(hù)時不同尺寸材料的消耗率：

式中：v1為鎂材料的消耗率(mg/(min·cm3))；m3為反應(yīng)前鎂材料的重量(g)；m2為反應(yīng)后鎂材料重量(g)；S1為鎂材料接觸面的表面積(cm2)；t1為反應(yīng)時長(min)；d1為所選材料的厚度(cm)。

2 實驗結(jié)果分析

通過分析得出，對于同樣的表面積和材質(zhì)，縱橫比越接近1，管道的腐蝕速率越小，相應(yīng)的，其保護(hù)結(jié)果就越優(yōu)秀。實驗得出，在同樣規(guī)格的材料中，鎂陽極的腐蝕速率最小。在不同的外接電流下，管道減少量和管道腐蝕率基本不變。然而，沒有電流保護(hù)的管道的腐蝕速度是其他的兩倍左右。在不同電壓條件下，被保護(hù)管道的電位從0～30 min呈下降趨勢。這是因為反應(yīng)的開始過程導(dǎo)致負(fù)電子流出，保護(hù)管的電位迅速下降。30～150 min時，電位先緩慢上升，后緩慢下降，在保護(hù)范圍內(nèi)形成波動曲線，尋找平衡的保護(hù)管線電位。150 min后，波動趨于平穩(wěn)，說明氧化還原反應(yīng)達(dá)到平衡，可靠地保護(hù)了埋地管線。在施加電壓后，計算管道的腐蝕速率，觀察管道電位隨時間變化的曲線，可以看出保護(hù)效果是差不多的，但是從節(jié)能的角度來看，1 V電壓可作為電源使用[3]。

采用乙二醇與乙腈3∶7的比例配備固態(tài)電解質(zhì)，僅在變量不變的特定條件下改變瓊脂的量來研究對固體電解質(zhì)的影響。分析表明，所有電解質(zhì)均呈弱堿性，液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)性比半固態(tài)電解質(zhì)大三倍以上。這表明液體電解質(zhì)的揮發(fā)性很強(qiáng)，其電導(dǎo)率相對較高，但隨著液體蒸發(fā)，電導(dǎo)率顯著下降。隨著瓊脂質(zhì)量的提高，其揮發(fā)性顯著降低，但其導(dǎo)電性也降低。不同品質(zhì)的瓊脂形成的電解質(zhì)狀態(tài)也不同。同等條件下，10%和20%瓊脂的電解質(zhì)狀態(tài)不符合要求，而40%和50%瓊脂的半固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率比較接近。因此，如果選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%瓊脂的半固態(tài)電解質(zhì)，60 h后的電導(dǎo)率為4.31 ms/cm。

乙二醇與乙腈的體積比為3∶7，碘化鉀和碘的濃度分別為0.5 mol/L和0.05 mol/L，金屬電解質(zhì)的比例為3∶3，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的瓊脂，最終制備固體電解質(zhì)，并在40 ℃下加熱攪拌。60 h后測電導(dǎo)率，其穩(wěn)定在5.83 ms/cm左右，蒸發(fā)度小于0.2%，為堿性。

按照以上材料和配比來建造聯(lián)合保護(hù)設(shè)備，在運(yùn)行后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析可以得出，與實驗中的單個犧牲陽極相比，埋地管線腐蝕率減少了近80%，鎂陽極消耗率減少了10%。相比外接電流，管線腐蝕率也減少到了70%左右。與犧牲陽極和外接電流實驗相比，電源輸出時間短，管線腐蝕率低。電解質(zhì)中的鋅從中被置換出來，鋅顆粒的表面積小，因此可以形成原電池結(jié)構(gòu)，繼續(xù)保護(hù)管線。這樣的話，既減少了電能的消耗，又降低了正極的消耗率，增加了使用壽命，形成有效的循環(huán)利用。所以，聯(lián)合保護(hù)法不僅實現(xiàn)了對埋地管線的有效保護(hù)，而且節(jié)約了資源和相關(guān)成本[4]。

3 結(jié)語

在犧牲陽極實驗中，對比不同的材料、不同規(guī)格的陽極，發(fā)現(xiàn)相同材料、不同規(guī)格的陽極保護(hù)啟動時間不同，陽極的啟動時間也不同。鎂材料在比較同規(guī)格的其他材料時，對保護(hù)電流起到最大作用。在截面積相同的情況下，自耗率最低，所以5*5 cm的鎂材料更合適。在外加電流實驗中可以看出，三種不同電壓保護(hù)的管道保護(hù)效果在直流電源輸出電壓的測試情況下是相似的。由于本次實驗只模擬了Q235管道研究，在實際工程中，對于長距離埋地管道，每個點所需的電壓并不高。在節(jié)能降耗方面，1 V特供電電壓更合適。在電解質(zhì)實驗中優(yōu)化溶劑、溶質(zhì)、膠凝劑和金屬電解質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的電解質(zhì)的電導(dǎo)率穩(wěn)定在5.83 ms/cm左右，揮發(fā)性小于0.2%，該設(shè)計在原則上和建設(shè)性上都有意義，在運(yùn)行過程中，管道實現(xiàn)了有效保護(hù)，電位也在保護(hù)電位范圍內(nèi)。