阴极保护技术在热力管道防腐方面的应用研究

2015-11-18张茜

山西建筑 2015年3期

张茜

(太原市热力公司，山西太原 030000)

0 引言

集中供热由于具有节能、环保的优点，近年来得到飞速发展，规模不断扩大。热力管道作为集中供热的主要设备，其运行状况直接关系到整个供热系统的供热质量。据调查，管道故障绝大多数是由于管道腐蚀引起的，其中尤以土壤对管道外壁的电化学腐蚀最为严重［1］。阴极保护是一种基于电化学腐蚀原理而发展起来的电化学保护技术。经验表明，阴极保护技术可以有效控制地下金属构件免遭电化学腐蚀。美国、日本和前苏联等发达国家早在二十世纪七八十年代就具有了较完善的管道阴极保护技术。在我国，阴极保护技术已成熟应用于油气管道，但在热力管道防腐方面却还处于初始阶段，采用阴极保护技术时也是将其他领域的经验简单照搬于供热管道上，没有考虑热力管道的特点。

1 热力管道腐蚀的原因分析

热力管道如今大多采用直埋敷设的方式，即管道直接埋于土壤之中。由于土壤中含有空气、水分和能进行离子导电的盐类，它作为一种特殊的电解质为热力管道的腐蚀提供了环境。热力管道在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀，依照电化学机理，管道金属作为阳极失去电子发生阳极氧化反应，土壤中的离子接受电子发生阴极还原反应。

阳极反应:

阴极反应:

和油气等埋地管道一样，热力管道的腐蚀受土壤的不均匀性、含盐量、含氧量、含水量、pH 值、温度、压力和微生物种类等环境因素的影响［2］。此外，由于热力管道是双线(供、回水)敷设并行且管道表面温度较高、一年中有4 个～5 个月处于高温运行状态，热力管道在土壤中的腐蚀机理如下。

1.1 电偶腐蚀

电偶腐蚀是指两种不同电位的金属相接触时，耐蚀性较差(电位较低)的金属成为阳极，腐蚀加速;而耐蚀性较高的金属成为阴极，受到保护。对于热力管道来说，由于供热温度的变化会产生热胀冷缩的现象，管道受热膨胀变形，受冷收缩发生断裂，为避免该现象产生破坏，一般会在管段上布置波纹管补偿器，补偿器由奥氏不锈钢制成，与金属管道焊接时，由于补偿器和管道的电位不同，在周围土壤和水分的电解质条件下，热力管道会被腐蚀。

1.2 杂散电流腐蚀

由于电气化铁路、以接地为回路的输电系统的客观存在，不可避免地造成杂散电流的产生。热力管道供回水相距较近，且是两条甚至两条以上的并行管道，当其中一条管道进行电焊时，部分电流会从管道的某一部位进入管道，沿管道流动一段距离后，会通过土壤进入其他管道，杂散电流流入部位的管道得到保护，但过大的杂散电流流入会造成管道局部过保护，如果电位过负，会导致管道表面析出大量氢而造成防腐绝缘层损坏，进而导致腐蚀的发生和加剧;而杂散电流流出的部位，管道以铁离子的形式溶入周围介质中，因而管道发生腐蚀。杂散电流具有强度高、危害大、范围广、随机性强的特点，往往造成热力管道的严重腐蚀。

1.3 氧浓差电池腐蚀

氧浓差电池腐蚀是地下管道最常见的腐蚀，管道的不同部位氧的浓度不同，在贫氧部位，管道的自然电位低，作为腐蚀原电池的阳极遭受腐蚀［3］。管道通过不同性质土壤交接处时，粘土部位的土壤孔隙度紧密，氧气的传递速度较慢，而疏松的土壤中氧气的传递速度快，造成了粘土部位特别是埋地管道靠近出土端部位氧浓差腐蚀严重。对热力管道来讲，管道底部与基坑内砂质部位接触不良，管道周围和管道中心部位的透气性差、氧浓度低，在周围土壤介质的作用下形成氧浓差电池被腐蚀。

1.4 温差电池腐蚀

供热管道有长达4 个～5 个月时间处于高温运行状态，温度的提高不仅会加快管道的腐蚀，且由于管道不同部位所处的环境温度不同，有温度差就会形成热力管道所特有的温差电池腐蚀。一般而言，靠近换热站的管道温度高，成为阳极，远离换热站的管道温度低，成为阴极，形成温差电池，靠近换热站的热力管道遭受腐蚀。

实际上，由于管道制造技术的局限性，其表面的状态并不均匀，化学成分、熔渣、焊缝甚至热影响区和局部应力都存在差异，从而导致了管道和土壤接触时存在电极电位差而构成了原电池，热力管道在土壤中的腐蚀往往是几种原电池共同作用的结果。

2 阴极保护技术

阴极保护技术是通过电化学方法，向被保护的金属施加一定的电流，使之极化，电位向负向移动，以达到在环境介质中处于阴极，即被保护状态的一种方法。根据提供电流方式的不同，分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

2.1 牺牲阳极阴极保护

将电位较负的金属(如锌、铝等)与钢质结构件连接，通过牺牲电位较负金属(溶解)产生的电流来保护钢质结构件的阴极保护方法称为牺牲阳极保护。目前常用的牺牲阳极材料有锌合金、铝合金、镁合金、铁合金等，适用于土壤中的材料主要是镁合金和锌合金，一般根据被保护管道的接地电阻、阳极的输出电流以及阳极的工作寿命计算所需阳极类型和数量。牺牲阳极阴极保护法不适用于高电阻环境，保护电流小且不可调，无法监测输出电流的变化，牺牲阳极需定期更换，但相比外加电流阴极保护，其优点也十分明显:不需要额外的外接电源，保护电流分布均匀、利用率高，施工成本相对低廉，投产调试后无需专门维护管理，对邻近的构筑物无干扰或者很小，适用于短距离、小口径、分散的管道。

2.2 外加电流阴极保护

外加直流电源负极与被保护的金属连接，电源正极通过辅助阳极将电流发送出去保护金属的阴极保护方法称为外加电流阴极保护方法。外加电流阴极保护主要有直流电源、辅助阳极、参比电极。直流电源提供保护体所需的阴极电流，手动或自动调节输出电流的大小，使保护体电位处于保护电位范围内，一般分为恒电位仪和整流器两种。辅助阳极将直流电源提供电流通过辅助阳极经环境介质到达保护体，目前有高硅铸铁阳极、铅银合金阳极、贵金属氧化物阳极、铂型阳极(铂铌、铂钛、铂钽等)等。参比电极一方面可以测量保护体电位，另一方面可以向恒电位仪提供控制信号，调节电流大小，常用的有埋地式(锌合金、银/氯化银)和便携式(铜/饱和硫酸铜)参比电极。外加电流阴极保护法要求有外加电源提供用电，安装维护成本相对较高，且对周围的金属构筑物容易产生干扰和屏蔽，但输出电流高且连续可调，保护范围广，不受高电阻环境的限制，输出电位和电流控制灵活，防腐效果可测，虽然一次投入成本高，但保护装置寿命长，运行成本经济，适用于长距离、大口径的管道。

3 控制要点

1)设计热力管道阴极保护工程方案时需收集掌握以下内容:被保护管道的位置(埋深及与其他构件的关系)、平行的其他管线(如供水、供气、输油等)的区段长度、与高压输电线的关系、管线的电绝缘性、阴极保护测试点的结构和位置等。

2)评判阴极保护工程效果的标准最重要的就是保护电位，管道的保护电位为-850 mV(相对于铜/饱和硫酸铜)或以下，除保护电位外，另一主要参数是被保护管道所需要的电流密度，它的大小主要取决于被保护金属的种类、表面状况、腐蚀介质的性质、组成、浓度等环境条件，除了这些功能性指标外，在工程方案设计时也需要考虑使用寿命和系统管理、可维性等可靠性指标。

3)加阴极保护电流前，必须确保管道的各项绝缘措施正确无误。应检查管道的绝缘接头的绝缘性能是否正常;管道沿线的阀门应与土壤有良好的绝缘;管道与固定墩、跨越塔架、穿越套管处也应有正确有效的绝缘处理措施，管道在地下不应与其他金属构筑物有“短接”等故障;管道表面防腐层应无漏敷点，所有施工时期引起的缺陷与损伤均应在施工验收时使用埋地检漏仪检测，修补后回填。

4)采用外加电流阴极保护时，为了确保平行敷设的供回水热力管道主干线保护电位均布，于平行敷设的供回水管道间安装均压线，均压线主要安装在补偿器井或阀门井内;庭院管网和主管线连接处的普通法兰应改造成绝缘法兰，避免保护电流流失到庭院网上。

5)阴极保护在使用过程中应加强维护和管理，包括恒电位仪的巡检和维护、参比电极的维护、阳极地床的维护、测试桩的维护等，定期监测管道对地保护电位、阳极接地电阻、绝缘法兰两侧电位差、测试桩与大地的绝缘情况;饱和硫酸铜参比电极在使用前要校准，配置时一定要过饱和，定期检查防止干涸;此外，应定期记录恒电位仪的输出电流、电压并整理分析数据，发现异常应立即采取有效措施，确保阴极保护效果的有效性。