埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护的设计思路研究

朱　炼（重庆燃气集团股份有限公司，重庆　404100）

埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护的设计思路研究

朱炼
（重庆燃气集团股份有限公司，重庆404100）

摘要：本文首先简要分析了埋地钢质燃气管道的腐蚀机理，在此基础上提出埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护的设计思路。期望通过本文的研究能够对埋地钢质燃气管道使用寿命的延长有所帮助。

关键词：钢质燃气管；阳极；阴极保护

近年来，随着天然气在国内各大主要城市的广泛应用，使得燃气管道遍布城市地下，由于管道本身采用的是金属材质，在地下环境中，金属极易腐蚀，这样很容易造成燃气泄漏，严重时则会引起火灾、爆炸等重大安全事故，后果不堪设想。为此，必须对埋地金属燃气管道的防护予以足够的重视。

1　埋地钢质燃气管道的腐蚀机理分析

在众多腐蚀环境当中，土壤是一种较为特殊的腐蚀环境，这是由其非均匀的特质所决定的。对于金属材质而言，其在土壤中的腐蚀属于电化学的过程，土壤本身的不均匀性会引起同一金属不同部位之间的电位差，由此便会形成阳极区和阴极区。当出现土壤腐蚀时，阴极过程为氧还原，在阴极区域内会生成OH-离子，而在阳极区，金属由于失去一个或是多个电子，会转变为金属阳离子，进而引起阳极氧化反应，此时阴极区会获得电子，并随之发生阴极还原反应，由此形成了电池效应。通常情况下，绝大部分土壤的腐蚀过程均是由阴极过程控制的，具体而言，就是腐蚀微电池控制腐蚀，这种情况与电解液中的金属腐蚀现象极为类似。当土壤本身比较干燥且疏松时，随着氧的渗透率增加，腐蚀过程则会转为由阳极控制，该情况与大气腐蚀的特征非常接近。

1.1化学与电化学腐蚀

1.1.1化学腐蚀。这种腐蚀类型具体是指金属与O2、Cl2和SO2发生化学反应后所引起的腐蚀，即氧化还原反应引起的腐蚀。当腐蚀发生之后，腐蚀产物会附着在金属的表面上，腐蚀的过程中不会产生电流。

1.1.2电化学腐蚀。这种腐蚀类型是金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的腐蚀。埋地金属燃气管道的腐蚀便属于此类腐蚀。在反应的过程中，金属由于失去电子被氧化，整个反应过程被称之为阳极反应过程；而介质当中的物质由金属表面获得电子被还原的反应过程被称之为阴极反应过程。

1.2细菌腐蚀。当钢质的燃气管道在含有硫酸盐的土壤中时，土壤环境中存在的细菌并不会对钢管造成腐蚀，但在阴极反应过程中，氢会与硫酸盐发生反应，并生成硫化物，硫酸盐还原菌则会借助有机质进行大量繁殖，由此便会形成腐蚀钢质管道的化学环境，这样一来，钢管的腐蚀也会随之加剧。

2　埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护的设计思路

2.1牺牲阳极阴极保护设计要点

2.1.1合理选择阳极种类。在牺牲阳极阴极保护的设计中，阳极材料的选择至关重要，其直接关系到保护效果。目前，在工程中常用的牺牲阳极材料有以下几种：镁、铝、锌及其合金。相关研究结果表明，在土壤环境当中，镁合金阳极开路的电位较高，适合在电阻率高度区域内的工作；锌合金阳极由于本身的自腐蚀性较小，加之电流效率较高、寿命长，故此其适合在电阻率较低的区域中使用；铝阳极的单位发电量要高于镁和锌，但其在土壤当中的性能不太稳定，由此导致了阳极效率较低，所以在设计中使用的相对较少。

2.1.2阳极数量的确定。通常情况下，阳极的数量需要通过相关的计算进行确定，具体如下：

①总保护电流。可用It表示总保护电流，其计算公式如下：

It=πDL·i（1）

在上式当中，D代表被保护钢管的外径，L代表钢管的长度，i代表保护电流密度（可取30μA/m2）。下面以DN400管径为例，长度为1000m管道所需的保护电流为3.14×0.426×1000i=40mA。

②单个阳极的输出电流。可通过相关的经验公式对单个阳极的输出电流Ia进行计算，具体如下：

Ia=120000fy/p（2）

上式当中，f代表牺牲阳极的质量系数（可取1）；y代表被保护金属对地电位系数（电位为-0.85V时，可取1）；p代表土壤的电阻率（通常为30-50Ω·m），本文按最高值进行计算，则Ia=24mA。

③阳极数量。可用下式对阳极的具体数量进行计算：

N=σIt/Ia（3）

在上式当中，σ代表备用系数（可取2-3）。本文按照3进行计算，则阳极数量为5.1只。

2.1.3牺牲阳极的布设。牺牲阳极应当采用单只或是成组的方式进行布设，同一组内的阳极应当批号相同且开路点位相等；埋设的位置应当以距离管道外壁3m-5m处为宜，且必须埋设在冰冻线以下；若是地下水位低于3m时，可根据实际情况适当深埋；在平原地区，可采用等距的方式进行布设，并尽可能向接头位置处靠近。

2.2设计中的注意事项

2.2.1绝缘连接。为了有效避免阴极保护电流流至与大地连接的非保护构筑物上，在设计阴极保护管道系统时，应当进行电绝缘。由此一方面能够防止电流的不必要流失，从而减轻电偶腐蚀，另一方面还能防止干扰。在进行绝缘时，可将其设置在以下部位：干支管的连接位置处；新旧管的连接位置处；裸管与覆盖层连接处；电气接地处等。

2.2.2套管。当埋地钢质燃气管道穿越公路时，一般需要采用套管，不管采用的是何种材质的套管，都会存在屏蔽作用，这样一来，会使外部的阴极保护电流无法流至燃气管道上，此处也成为阴极保护的盲区，若是套管内部因特殊原因进水，该位置处的将会失去保护。对于套管的屏蔽问题，常规的做法是采用带状锌阳极，将之以螺旋状的方式缠绕在管道上，并每间隔2m左右与管道进行一次焊接。

2.2.3干扰。强电线路对埋地的钢质管道存在一定程度的交流干扰，这样不但会对管道产生交流腐蚀，而且线路故障时产生的瞬时感应电压还可能击穿管道中的绝缘装置，极易引发安全事故。对于此类问题，可采取如下解决方法：牺牲阳极的施工应当在管道全部完工后立即进行，以此来确保阳极接地的有效性；可适当加大管道与接地导体之间的距离，以3m左右为宜；可在管道与绝缘装置及接地体之间以串联方式加装接地电池，由此能够使瞬间感应电压过渡至管道上，并通过接地装置泄放出去。

结语

综上所述，埋地钢质燃气管道在土壤环境中容易发生电化学腐蚀，一旦管道被腐蚀后，便会导致燃气泄漏，如果未能及时发现，则有可能引起燃气爆炸的恶性事故，其危害性较大。为此，必须做好埋地钢质燃气管道的腐蚀防护工作。牺牲阳极的阴极保护是埋地钢质燃气管道常用的一种腐蚀保护措施，大量工程实践表明，这种方法可行且效果良好。

参考文献

[1]武烈．我国阴极保护技术的发展及其高新技术的探索[J]．腐蚀与防护，2013（06）．

中图分类号：TU996

文献标识码：A