阴极保护技术在埋地钢质管道中的应用
摘要：通过介绍阴极保护技术在3个工程中的实际 应用 ， 分析 了这一工艺在埋地钢质管道防腐中的重要作用，并且对阴极保护的 经济 性进行了评价。
关键词：埋地钢质管道 外加电流阴极保护 牺牲阳极保护
阴极保护在金属防腐工艺中，是电化学保护 方法 的一种。它通过对被保护金属体施加电流，从而使其电极电位负移，使金属减弱由原子态自发变为离子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生。由于这个过程必须在电解质中进行，因此埋地钢管非常适宜采取阴极保护。若阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，从而在安全性和经济性方面达到完美组合，则是 目前 公认的最佳防腐方案。
1 宁波城市供水工程
宁波城市供水工程是从奉化市的肖镇至宁波市江东区梅墟敷设一条1600mm的输水钢管，管线全长38 km，外防腐采用环氧煤沥青二布三油形式。
1.1外加电流阴极保护
从肖镇至北渡的17km以及北渡至江东梅墟的前4.2km管道，基本无地下金属构筑物，采用了外加电流阴极保护。
肖镇阴极保护站：设恒电位仪2台(1用1备)，将30支YJBSiCr 50mm×1200mm双端接头的含铬高硅铸铁阳极在距管道100m、沿管道垂直方向上一字形水平埋设。
北渡阴极保护站：设恒电位仪3台(2用1备)，向两侧供电。埋设两组阳极(规格、数量同上)，每台仪器对应一组阳极。
汇流点设在进、出绝缘法兰的外侧。
全程设有电位测试桩18个(1个/km)，电流测试桩2个和绝缘法兰测试桩4个。
管道进、出站设绝缘法兰以进行有效的电绝缘(绝缘电阻≥5 MΩ)。由于绝缘法兰两侧存在一定的电位差，会对另一侧未通电保护的泵站内管道产生阴极干扰、加速腐蚀，因此对站内管道实施了牺牲阳极保护，即两个泵站内各埋设了两组22 kg/支的镁阳极。此外，为了防止保护电流的流失，同时须做好绝缘处理，如架空管桥处的钢管与支墩接触处用橡胶垫片进行绝缘、所有与管道连接的金属件不允许接地等。
1.2外加电流阴极保护的实施效果
实际测定的保护参数见表1。
| 保护参数 | 肖镇泵站 | 北渡泵站(进水侧) | 北渡泵站(出水侧) |
| 土壤电阻率(Ω·m) | 51.33 | 17.08 | 17.9 |
| 阳极接地电阻(Ω) | 0.8 | 0.42 | 0.34 |
| 输出电压(V) | 6.22 | 7.06 | 3.40 |
| 输出电流(A) | 7.21 | 7.50 | 3.96 |
| 控制点电位(V) | -1.251 | -1.125 | -1.053 |
| 保护电位(V) | -0.852～-1.166 | -0.970～-1.092 | -0.960～-1.062 |
结果表明：①阳极地床接地电阻<1 Ω，符合规范要求。②各测试桩中电位数据均达到≤-0.85V的保护标准。③汇流点最高控制电位为-1.251V时，说明管道全线达到了保护电位;仪器输出电流、电压都不大，说明该段管道防腐层做得好，绝缘法兰绝缘效果好;阳极地床接地电阻小，使得阴极保护的日常维护费用低。
1.3 牺牲阳极保护
北渡至江东梅墟段管道除去实施外加电流的4.2km外，其余17km因地下金属构筑物较多，且多次与其他管道平行、交叉，故采用了牺牲阳极保护，这是为了减轻与其他金属构筑物之间的相互干扰。
牺牲阳极选用镁阳极，1km设4组，每组由4支14kg的镁阳极组成，其中3组直接焊在管道上，1组通过测试桩连接，以便进行电参数测量，了解阳极使用寿命。
1.4牺牲阳极保护的实施效果
牺牲阳极保护的实施效果见表2。
| 保护参数 | 数值 |
| 阳极开路电位(V) | -1.598～-1.697 |
| 管道保护电位(V) | -1.03～-1.05 |
| 管道 自然 电位(V) | -0.573～-0.741 |
| 埋点土壤电阻率(Ω·m) | 10.36～15.26 |
| 阳极输出电流(4支)(A) | 0.11～0.15 |
结果表明：①阳极开路电位符合要求。②管道保护电位≤-0.85V，且比较均匀。③按阳极出电流 计算 阳极寿命>20a。
2 陕气进津管道工程
陕甘宁气田—北京输气管道天津支线工程(简称陕气进津管道工程)是天津市的重点工程，对于改善天津市的能源结构具有重大意义。管线西起河北省永清县，东至天津市第一煤气厂，全长64km，选用426mm螺旋缝埋弧焊接钢管。钢管外防腐采用阴极保护与聚乙烯三层结构的联合保护方式。
2.1外加电流阴极保护
从永清至天津西青区子牙河的54km管线主要在农田中敷设，沿线的金属构筑物少，相互干扰较小，采用外加电流的保护方式。为了避免保护电流的流失，在外加电流保护管段的两端加装了高电阻值的绝缘接头(因输气管内壁不做防腐，为防止管内有积水时绝缘接头两端的管段在电解液中导电而失去绝缘作用，故将其埋设在高点处)。在王庆坨设置阴极保护站，沿永清方向保护36km、天津方向保护18km。站内设恒电位仪两台(PS—1型)，可以互相切换，并由自动控制台控制，以保证阴极保护系统连续运行。阳极地床位于管道垂直方向250m处，由40支100mm×1500mm的高硅铸铁阳极组成，阳极为立式埋设，埋深3m，周围填充150mm厚的焦炭(粒径≤10mm，含碳量≥85%)。
2.2外加电流阴极保护的实施效果
外加电流阴极保护的实施效果见表3。
| 保护参数 | 数值 |
| 管道沿线自然电位(V) | -0.468～-0.693 |
| 绝缘接头电阻(埋地安装前) | (MΩ)100 |
| 土壤电阻率(阳极地床处)(Ω·m) | 25.13 |
| 阳极接地电阻(Ω) | 0.16 |
| 输出电压(V) | 1.7 |
| 输出电流(A) | 1.2 |
| 控制点电位(V) | -1.250 |
| 管道沿线保护电位(V) | -1.029～-1.456 |
| 绝缘接头外侧电位(V) |
-0.710(永清非保护侧) -1.344(子牙河牺牲阳极侧) |
| 注以上数据均系相对于Cu/CuSO4参比电极测得。 | |
由表3可知：①阳极接地电阻1Ω，当恒电位仪大功率状态运行时能大量节约电能。②管道沿线各测试桩内测得的极化电位均达到了-0.85V的标准，保护效果良好。有的保护电位小于控制点电位是因为在有套管的地方安装了镁带阳极，而镁阳极的电位为-1.8V左右，所以在相邻近的管道上测得的电位较小。③两个绝缘接头的里外侧有明显的电位差，表明其绝缘有效。
2.3牺牲阳极保护
全部管线除外加电流的54km外，余下的10km管道全部采用了牺牲阳极保护，共埋设锌阳极79支，其中22.2kg/支的阳极30支，14.8kg/支的阳极49支。锌阳极以成组方式(4～5支为一组)埋设于管道旁，距管道垂直距离>1.5m，阳极周边用填料包围以减少接地电阻及促进腐蚀产物的溶解。汇流点及中间点设测试桩12支，测试桩基本按照1支/km的原则埋设，并附有1支长寿命参比电极。在管道穿越公路、铁路等处设有套管的部位实施了镁带阳极保护，以使套管内受屏蔽的管道得到保护，镁带规格为19mm×9.5mm。施工时沿螺旋焊缝方向缠绕，使保护电流尽可能地均匀。
2.4牺牲阳极保护的实施效果
①管道自然电位：-0.410～-0.738 V
②管道保护电位：-0.934～-1.092 V
③阳极输出电流(每组)：15.6～23.4mA
④阳极开路电位：-1.003～-1.104V
⑤土壤电阻率：9.19～13.56 Ω·m
由此可知：
①保护电位达到了保护标准规定的-0.85 V，保护效果好。
②阳极开路电位符合要求。
③阳极可确保使用30a。
3 天津市外环线高压管道工程
工程位于天津市外环线的南半环，西起南开区华苑小区，东至东丽区丽津路的高中压调压站，全长21.7 km。管材选用529mm螺旋缝埋弧焊接钢管。钢管外防腐采用阴极保护与聚乙烯三层结构的联合保护方式。
3.1保护方案
该工程全部采用牺牲阳极进行保护。在管道穿越李港铁路处有套管的地方还实施了套管阳极的施工，阳极采用块状锌阳极，埋于套管与输送管之间的下部空腔中。为保护绝缘接头不被高压击穿，在绝缘接头处还埋设了接地电池。
根据现场土壤电阻率的不同，牺牲阳极采用锌及镁两种合金材料，共埋设锌合金阳极(25kg/支)121支，镁合金阳极(14.5kg/支)31支。牺牲阳极单只分散式水平埋设于管道旁，距管道垂直距离>0.3m，埋深>1 m，间距为150～250m，在施工难点处间距<100m。阳极周围由60kg填料包围，以减小接地电阻及促进腐蚀产物的溶解，汇流点及中间点设测试桩23支。
3.2牺牲阳极保护的实施效果
具体测量结果见表4。
| 保护参数 | 牺牲阳极种类 | |
| 锌合金 | 镁合金 | |
| 管道 自然 电位(V) | -0.495～-0.698 | -0.512～-0.700 |
| 管道保护电位(V) | -1.053～-1.139 | -0.971～-1.474 |
| 阳极开路电位(V) | -1.109～-1.181 | -1.572～-1.687 |
| 阳极输出电流(mA) | 4～10 | 8～30 |
| 土壤电阻率(Ω·m) | 7.54～13.82 | 25.12～32.66 |
表4表明：
①保护电位达到了保护标准规定的-0.85V，保护效果良好。
②阳极开路电位符合要求。
③绝缘接头绝缘有效。
④阳极可确保使用50a。
4 经济 效益及 分析
上述3个工程的经济指标情况见表5。
| 工程名称 | 总造价(万元) | 阴极保护投资(万元) | 保护面积(m2) | 价格(元/m2) |
| 宁波供水工程 | 13000 | 130 | 180000 | 7.2 |
| 陕气进津工程 | 11000 | 83 | 85600 | 9.7 |
| 外环线高压管道 | 60000 | 56 | 36000 | 15.6 |
可以看出，阴极保护在工程总造价中的比例基本<1%，其造价为10元/m2左右。只要保证施工质量，及时监测，确保管道达到保护电位，就可确保管线在设计年限内(20～30a)不因腐蚀 问题 出现事故，属于典型的低投入、高产出技术。若单独采用增加防腐层等级的 方法 ，不仅费用增加很多，而且并不安全，在现场施工中不可避免地会造成防腐层的破损，而在破损处会形成“大阴极、小阳极”的腐蚀原电池，使破损处很快穿孔，造成巨大损失。
只有采用防腐层与阴极保护的联合技术才能从根本上防止腐蚀事故的发生，建议在埋地钢质管道中大力推广 应用 。
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