阴极保护的几个误区及其解决方案

2013-04-18王芷芳

腐蚀与防护 2013年7期

王芷芳

（天津大学材料学院，天津300072）

阴极保护与防腐蚀层相结合是世界公认的最经济最有效的防护措施。在实施阴极保护过程中，合理设计，精心施工能保证该技术的优势最大化。但在目前应用过程中仍存在较多问题，如天津市燃气管道逐渐由郊区远距离单管长输管道向城市近郊区、工业区短距离管网建设阶段发展，过去不常遇到的问题如今都暴露出来了。为提高防腐蚀水平，有必要边实践、边总结最先进和最经济的技术。

1 阴极保护方法的选择

关于城市管道的阴极保护设计，人们似乎进入一个误区。如天津市一概采用牺牲阳极法，认为该方法具有干扰小、管理简单、电流分布均匀等优点，但该方法也有局限性，如费用高、受土壤电阻率限制、寿命有限等。目前广泛应用3PE管，使阴极保护电流须要量很小，电压也小，基本不会对邻近装置造成干扰。在管理方面，牺牲阳极是多组埋设，在城建中人为破坏和丢失现象十分严重，难于管理。如陕津管线进城8km曾用45支锌阳极，运行14a丢失18支，同时丢失多根测试桩。而54km的郊区的外加电流阴极保护至今运行正常，接地电阻≤1Ω，输出电流0.2A，管理人员只需维护一个辅助阳极地床并保证电源正常运行即可，在管理上比牺牲阳极要简单的多。由此例说明，外加电流具有装置寿命长，不受土壤电阻率限制，电流输出可调等优点，此外，外加电流在杂散电流大时也可任意调节电位。采用强制排流时，就是一种外加电流的阴极保护。

目前天津市要在五年内普及推广节能环保，用天然气取燃煤改善市区环境质量。从2012年初起在马路下方重新敷设DN600～700 3PE的天然气管线，为不影响交通，采取夜间施工，全部采用牺牲阳极保护。由于城市管线支线多，进入每个锅炉也都要加绝缘，造成绝缘接头用量很多，工程造价很高。

针对这一方案，建议划区片采用外加电流保护方法。其优点是可调节输出，划区片内管道建支线、扩建和新建，在多数情况下可纳入原有保护系统。此外，该方法还可避免过保护，不受土壤电阻率限制，减少绝缘接头数量，成本会大幅度降低。

阳极地床有两种方式：①低输出外加电流保护，以区片为单位，这种装置中，每个阳极床只安装1～2支阳极，输出电流小于1A，由于电压小干扰就小，可大大减小阳极地床的数量。②深井阳级地床，保护电流从深处流向地表，在流动电流途中不存外部管线，不会造成干扰，对被保护结构不同部位都是独立的终点，可以把遮蔽减少，致使电流分布均匀。一个阳极孔可以保护相当大区域又不造成干扰问题，此外阳极床位置可选择任意处，所需孔数最少，占地最小，特别适合城市及工业区。北京燃气从2007年起至今已用7～8口深井阳极保护城市不同区域管网实现追加阴极保护的工作值得借鉴。

2 外加电流的电源装置的选用

在国外，外加电流装置基本上都是整流器，而我国却普遍使用恒电位仪。恒电位仪只能控制参比电极所在点的管道电位恒定在规定值，不能解决整条管线各点处的电位恒定，更不能解决整条管线上电位分布均匀。对于恒电位仪再加自控装置，这种设备较复杂，易受外界干扰，一旦出现仪器故障，需请厂家修理。设备昂贵，维护困难，大大增加了阴极保护的投资成本。与之相比，整流器易控制、易维护、价格便宜，且完全可胜任阴极保护的需要。此外，长效参比电极要埋在终年潮湿环境中，不能浸在水中或太干燥的环境中，内部硫酸铜流失会使参比电极失效，而失去对恒电位仪的监控功能。据现场调查发现长年使用的硫酸铜参比电极绝大多数失效，恒电位仪无法工作。

3 牺牲阳极埋置数量

目前在设计阴极保护用的牺牲阳极存在数量过多，阳极质量过大，计算阳极寿命在百年或几百年。现用的三层PE管不同于过去曾用过的防腐蚀层，它外层的聚乙烯使绝缘性能非常好，因此它须要的保护电流密度非常小。例如陕津管线运行14a保护54km的DN400三层PE管输出电流一直保持在0.2A，计算实际运行的保护电流密度为3.7μA／m2。有一次该管线电源停电，但测全线管道电位都负于-0.85V（vs.cCSE）。后经调查，得知该线多处套管由于封口不严，套管内输送管外缠镁带，由镁带提供的保护电流使套管外的管道得以极化到保护电位。又如，天津宝坻有一条DN200三层PE管，采用深井阳极外加电流保护，仪器还未输出，但十多公里管线己达-0.90V（vs.CSE）的保护电位，后查找原因，是由于绝缘接头安装的接地电池的锌棒提供的电流已使全线管线得到极化。从上述二例，证明三层PE仅须要很小的保护电流，就容易极化至保护电位。如果阳极设计过多，三层PE管只须很小的保护电流，势必阳极输出电流很小；或当阳极埋在过高土壤电阻率如砂土，阳极发不出电流，以上二种情况阳极容易产生窒息而钝化。如新疆轮南油田地质是荒漠盐砂土，气候干燥少雨，土壤电阻率几百欧米，这种极高土壤电阻率用镁阳极，结果阳极输不出电流而钝化。就是土壤电阻率不高，过密设计阳极也会产生阳极钝化。

4 绝缘接头（或绝缘法兰）数量

通常认为“没有绝缘就没有阴极保护”是对的。但在市区，管网密集，如牺牲阳极设计中，出现为保护一条2～3km主干管道，对与它相连的十几或几十个支管都需采取绝缘。如天津海河后五公里管线设计中，由于在市区支线特别多，支线要与干线管绝缘，则绝缘接头需用几十个，造价不菲。且安装绝缘接头会带来加速腐蚀的后果，是由于阴极保护端电位负而非保护端电位正，产生几百毫伏电位差，造成电解腐蚀，使非保护端电流流出而加速腐蚀。如张家口燃气集团有一条外加电流保护的燃气管道，经数年后，在距绝缘接头不远处非保护端一侧出现了由于电解腐蚀造成的腐蚀坑，这就是阴极干扰造成的。这种副作用必须考虑。解决办法有从设计上尽量构成区域保护，把支管也纳入保护范围，减少绝缘接头（或法兰）的数量，在绝缘接头非保护端管道防腐等级要高一级，或在非保护端安装大块牺牲阳极以提高非保护端的负电位，减少与保护端的电位差。如果绝缘装置能安装在地上，在架空位置就可避免干扰。

5 土壤电阻率不高的土壤环境中要慎用镁阳极

在天津气改燃煤供热工程中，测试城区地下水位高1～2m就见水，土壤电阻率在15Ω·m左右，阴极保护设计可以用镁阳极，但在土壤潮湿的情况下，锌阳极可以扩大应用范围在30Ω·m，建议应该用锌阳极更安全，因为镁阳极开路电位-1.60V（vs.CSE），设计过密如100～200m放一支22kg／支镁阳极，使三层PE管道极易出现过负，超过最大极限保护电位-1.20V（vs.CSE），现场实测都达到-1.60V（vs.CSE）或更负，其后果会造成析氢，产生对涂层的剥离破坏，另外氢气渗入钢材内部，使钢材韧性降低，钢变脆机械强度下降。过负电位也易引起应力腐蚀破裂（特别对高强钢），因此，要慎重应用镁阳极。锌阳极开路电位-1.10V（vs.CSE）不会超过最大极限电位，相对而言比较安全。另外，城内干扰较严重，锌也是较好的排流用阳极。

6 阴极保护电位测量数据以地表参比测值为准

测量管道某点阴极保护电位实际就是该点与参比电极之间存在的电位差，由于测量回路存在电阻，测得的电位差包括电流流过金属和土壤时产生的IR降，且IR降有的几十甚至高达几百毫伏（当土壤电阻率较高时）使测量值与真实值存在较大误差，这种测量方法就是常用的地表参比法，它不考虑IR降及杂散电流干扰影响。为了尽量降低IR降，可将参比电极尽量靠近被测管道表面，此法称为近参比法。瞬间断电法消除IR降是从电流考虑，如试片断电电位即为管道测量点的阴极保护电位。极化探头法：探头由试片、参比电极和电解质组成，外部用绝缘体隔离，只留一个多孔塞子作为测量通道，这种结构可避免外界电流干扰，又使测得电位中IR降最小，用极化探头断电法测量可得到真实的极化电位。

7 管道阴极保护电位正常就可放心无忧了

对于运行多年的旧管线或三层PE管，曾经发现管道保护电位处于正常保护电位范围即均负于-0.85V（vs.CSE）或更负，但仍发现管道腐蚀。检查管道防腐蚀层发现，腐蚀部位一般都发生在防腐蚀层剥离区的下面或三层PE补口部位，这些部位由于防腐蚀层老化或失粘与管道分离，在剥离区下面，由于阴极保护电流受到防腐蚀层的屏蔽作用而不能到达管体，此处管体处于自然腐蚀电位，阴极保护不起作用，管道会继续腐蚀。又由于形成小阳极（剥离区管体）与大阴极（完好覆盖层管体）不利面积比，使小阳极腐蚀加剧。因此，不能单凭阴极保护电位来判断管道保护效果，还要随时关注防腐蚀层破损，特别要关注是否发生防腐蚀层剥离，要加强全面维护和管理，对剥离区的防腐蚀层要重新修复。