埋地钢质管道阴极保护方式及其维护

周阳

摘 要：长输埋地金属管道多处于复杂的土壤环境中，在周围环境介质（土壤、地下水、细菌及外界杂散电流）的长期作用下，如不采取有效措施，会对金属本体产生腐蚀，这种腐蚀破坏速度很缓慢，但对油气管道的危害是巨大的。通过对埋地金属管道施加阴极保护，可以有效防止和减缓埋地管道的腐蚀。因此，阴极保护在油气管道管理中占据十分重要的地位。本文主要探讨长输油气管道运行中的阴极保护方式及其维护。

关键词：金属；管道；保护；维护

1 金属腐蚀

1.1 金属腐蚀的本质

金属腐蚀的本质就是金属由元素状态返回自然状态（矿石）的过程。腐蚀自始至终完全是一个纯自然过程，自然界中很多物质都会因此而发生变质。因此腐蚀是一种普遍存在的自然现象。

金属在电解质溶液中由于电化学作用而发生的腐蚀称为电化学腐蚀。它是金属腐蚀中最普遍的一种方式，特别是埋地管道的腐蚀主要为电化学腐蚀。

1.2 埋地金属管道的腐蚀

1.2.1 土壤腐蚀

土壤腐蚀基本上属于电化学腐蚀，因为土壤物质组成比较复杂，含有大量的水，空气和各种盐类，埋地管道周围介质便有了电解质溶液的特征，埋地金属管道在土壤中将发生电化学腐蚀。埋地金属管道在土壤中的腐蚀速度比一般水溶液中慢。其中土壤电阻率是影响腐蚀速度的主要因素。

1.2.2 杂散电流腐蚀

杂散电流是指除阴极保护电流以外的电流，比如高压电塔的接地、电气化铁路由于各种原因排入大地的电流都称为杂散电流。当埋地管道靠近杂散电流源时，如果管道防腐绝缘层有破损，杂散电流就会通过破损处进入金属管道中，并在管道中持续流动，如果该段管道防腐层破损较多，杂散电流会在另一处防腐层破损点流出，返回杂散电流源负极。流入点成为阴极，流出点成为阳极，腐蚀发生在杂散电流的流出点，这种腐蚀破坏形式称为杂散电流腐蚀，也称电蚀。

1.2.3 细菌腐蚀

细菌在特定条件下，参与金属的腐蚀过程。最具代表性的一种是硫酸盐还原菌，这种细菌易在pH值6～8、碱性和透气性较差的土壤中繁殖。利用自身的生息，将硫酸盐离子还原，在铁表面的生成黑色的（FeS），并发出臭鸡蛋味（H2S）。细菌利用这个反应释放的能量来繁殖，加速了金属腐蚀。

2 埋地管道的阴极保护

2.1 阴极保护的原理

埋地金属管道，由于金属本身制造时的不均匀性或外界环境的不均匀性，大多会形成微观的腐蚀原电池。阳极区发生腐蚀，失去电子。阴极区发生阴极反应，阴极区不会发生腐蚀。因此，如果给金属加以阴极电流，使金属表面全部阴极极化，使腐蚀电池中微阴、微阳极电位相等，阻断了微阴、微阳极之间的电流流动，从而使被保护金属停止腐蚀。这就是阴极保护原理。

2.2 阴极保护准则

①一般情况下，在通以阴极保护电流时，测得的管地电位应为-850mV（CSE）或更负，该值应为消除IR降后的数值。

②当管道处于有害菌土壤环境中，测得的管地电位应为-950mV（CSE）或更负。

③不同的土壤电阻率阴保电位也不尽相同，当土壤电阻率100Ω·m至1000Ω·m时，阴保电位应负于-750mV（CSE）；当土壤电阳率大于1000Ω·m时，阴保电位应负于-650mV（CSE）。

④最大保护电位应考虑防腐层的种类，以不破坏管道表面的防腐层为原则。消除IR降后的最大保护电位通常不宜比-1200mV更负。

⑤对3PE防腐层管道，如果管道自然电位接近或负于-850mV（CSE），最小保护电位应为自然电位负向极化100mV。

3 金属管道牺牲阳极阴极保护

3.1 牺牲阳极阴极保护

选择一种比钢铁电极电位更负的金属材料，并用导线将被保护管道与之相连接，由于这种金属材料的电极电位比管道更负，该金属就成了腐蚀电池的阳极，管道就成了阴极而被保护。这种金属材料就称为牺牲阳极。牺牲自己去实现对被保护金属的防护，是牺牲阳极保护的最大特点。

牺牲阳极适用于大部分管段防腐层绝缘质量良好，腐蚀轻微，土壤电阻率低，短而孤立的管道，单独用户的支线，附近有较多金属构筑物。

3.2 牺牲阳极的种类及性能

3.2.1 镁及镁合金阳极。

镁是活泼的碱土金属元素，25℃时的标准电极电位值为-2.37V。对钢铁有有效电压0.65～0.75V，镁与钢铁类被保护体组成的保护回路中，驱动电压最大。电流效率只有（40～50）%，电流效率比较低，根据使用的场合不同，可以把它做成块状、带状、线状或板状。

镁在海水中易造成过保护，很少应用于海水中。镁在碰撞时易产生火花，因而不能应用于有防爆要求的场所。阳极开路电位较高，适用于土壤电阻率为15～150Ω·m高电阻率的土壤中。

3.2.2 锌及锌合金阳极。

锌是最早使用的牺牲阳极材料，在土壤中具有较高的电流效率，电流效率可达90%，其电位稳定，阳极输出电流能随被保护金属的状态，环境的变化而自动调节。锌及锌合金阳极不适宜高温淡水或土壤电阻率过高的环境。一般都铸造成梯形断面。

3.2.3 铝合金阳极。

铝合金阳极单位重量发生电量最大，有自动调节输出电流的作用，在海水中性能优良，目前土壤中使用的铝合金阳极性能尚不稳定。故极少应用于埋地金属管道的牺牲阳极。

3.2.4 镁、锌复合式阳极。

复合式阳极是由两种材料组成，一般锌在芯部，镁在外部。当镁消耗完之后，锌阳极再发挥其高效率、长寿命的特点。

3.3 填包料

为了使牺牲阳极更好地发挥其作用，就必须使牺牲阳极置于低电阻率的介质环境中，这种具有低电阻率的介质就是填包料。填包料可以改善阳极的使用环境，降低阳极接地电阻，增大输出电流，使阳极溶解均匀，阳极的使用寿命得到延长。化学填包料一般由不同的易溶无机盐与膨润土组成。

3.4 牺牲阳极的埋设

3.4.1 牺牲阳极的埋设可分为立式或水平式。牺牲阳极的埋设深度一般与被保护管道深度一致。

3.4.2 牺牲阳极的分布可采用单支或集中成组两种方式。成组分布时，阳极间距以2～3m为宜。阳极埋设位置一般距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.5m。

3.4.3 通常在相邻两组牺牲阳极管段的中间部位设置测试桩，桩的间距应大于500m。

3.4.4 埋设牺牲阳极时，应避免管道与阳极之间存在其他金属构筑物。

3.5 牺牲阳极运行与维护

3.5.1 牺牲阳极埋设后，填包料浇水10天后进行保护参数的投产测试。

3.5.2 牺牲阳极投入运行后相邻两组阳极之间的所有管道保护电位应达到最小保护电位标准。

3.5.3 牺牲阳极投入运行后，应定期进行监测，至少每半年测量一次管道保护电位和阳极输出电流、阳极开路电位、阳极接地电阻和阳极埋设点土壤电阻率，可根据需要作加密测试。

3.5.4 对牺牲阳极保护系统，每年至少应维护一次。

4 金属管道外加电流阴极保护

将金属管道与直流电源的负极相连接，让金属管道成为保护系统中的阴极，同时消除金属中的电位差，使腐蚀电流下降为零。从而使金属管道免遭电化学腐蚀的方法，称为金属管道的外加电流保护。外加电流阴极保护系统主要由辅助阳极、附属设施、电源设备和被保护管道四部分组成。

4.1 辅助阳极

辅助阳极是外加电流阴极保护系统中不可缺少的重要组成部分，它将保护电流从电源引入土壤中，再经过土壤流入管道，最后回到电源的负极。这个过程中金属管道为阴极，其表面只发生还原反应，而辅助阳极表面则发生丢失电子的氧化反应，辅助阳极本身存在一定的消耗。

4.1.1 常用辅助阳极。

①高硅铸铁阳极：阳极的允许电流密度5～80A/㎡，自身消耗率小于0.5kg/（A·a）。适合土壤和淡水中。

②石墨阳极：阳极的允许电流密度5～10A/㎡，自身消耗率小于0.6kg/（A·a）。

③钢铁阳极：自身消耗率8～10kg/（A·a）。

④柔性阳极：最大输出电流密度82mA/m。

⑤贵金属氧化物阳极：在钛基体上覆盖一层导电的混合贵金属氧化物而构成，工作电流密度为100A/㎡，消耗率极低，寿命长。

4.1.2 填充料的作用。

①可以增大与土壤的接触面积，减少阳极接地电阻；②使得电化学腐蚀首先在填充料上发生，大大延长阳极的使用年限；③利于阳极产生的气体（氧气、一氧化碳、二氧化碳）逸出，不至于在阳极表面产生“气阻”，增大阳极接地电阻。

实践应用表明：石墨阳极应加填充料；高硅铸铁阳极应视埋设位置而定，在沼泽地，流沙层可不加填充料；柔性阳极阳极宜加填充料；钢铁阳极可不加填充料。

填充料的含碳量宜大于85%，最大粒小于15mm，填充料厚度一般为100mm。当用柔性阳极时，填充料的最大粒径宜小于3.2mm。预包覆焦炭粉的柔性阳极可直接埋设，不必再加入填充料。

4.1.3 阳极地床埋设形式。

4.1.3.1 浅埋式阳极地床。

浅埋式阳极地床顾名思义就是埋入地下较浅，一般距地表约1～5m的土层中，大多数阳极均采用浅埋式。浅埋式阳极又可分为立式和水平式两种。

①立式阳极地床：将一根或多根阳极垂直埋入地下。阳极间用扁钢连接。立式阳极的优点：a接地电阻变化较小。b尺寸相同的情况下，采用立式阳极地床的接地电阻要比水平式的接地电阻小（示意图如图2）。

②水平式阳极地床：以水平方式将阳极埋入地层中。水平式阳极的优点：a安装容易，便于施工。b便于检查阳极的状况。

4.1.3.2 深埋式阳极地床。

当周围环境受限或者地床周边有其他金属构筑物对阳极地床存在干扰和屏蔽时，应采用深埋式阳极。根据阳极地床的埋设深度不同可分为次深（20～40m），中深（50～100m）和深（超过100m）三种（结构图如图3）。

4.2附属设施

4.2.1阳极地床埋设后还要定期检测管道阴极保护参数，所以在管道沿线应设置测试桩。为了避免重复和节约材料，测试桩可兼作里程桩。

4.2.2 电绝缘装置

安装电绝缘装置的目的是将被保护管道与不应受到保护的管道从导电性上分开。目前，国内一般采用绝缘法兰或绝缘接头作为电绝缘装置。

4.2.3 长效参比电极

采用长效埋地型硫酸铜参比电极，它是阴极保护恒电位仪恒电位模式工作控制的基准信号源，同时也是沿线电位传送器进行管/地电位采集和远传的基准信号源。

4.2.4 均压线

均压线安装于同沟敷设、近距离平行或交叉的管道，以消除不同管道之间的电位差，从而避免干扰腐蚀。均压线安装后，两管道间电位差不超过50mV。

同沟敷设的两管道每5～10km设置均压线连接。均压线设置在电位/电流测试桩处，实现同沟敷设的两管道间的均压连接。

4.2.5 跨接电缆

为使全线站外长输干线处于同一阴极保护系统，保证阴极保护电连续性，采用跨接电缆将进、出站管道绝缘接头的保护端连通。

4.3 电源设备

阴极保护系统中，需要一个稳定的直流电源，能保证长期持久的供电。目前，常用电源设备为恒电位仪。（以PC-1B恒电位仪为例）

4.3.1 PC-1B恒电位仪工作原理。

当仪器处于“自动”工作状态时，给定信号和经阻抗变换器隔离后的参比信号一起送入比较放大器，经高精度、高稳定性的比较放大器比较放大，输出误差控制信号，将此信号送入移相触发器，移相触发器根据该信号的大小，自动调节脉冲的移相时间，通过脉冲变压器输出触发脉冲调整极化回路中可控硅的导通角，改变输出电压、电流的大小，使保护电位等于设定的给定电位，从而实现恒电位保护。

4.3.2 设备日常维护。

①恒电位仪等电源设备应做到无灰尘、无缺件、无外来物、技术状态良好。

②恒电位仪等电源设备应定期对运行机与备用机进行切换运行，切换周期以每月一次为宜。

③恒电位仪等电源设备应每月维护保养一次，以保证仪器设备技术性能达到出厂技术指标。

④恒电位仪等电源设备应有避雷措施。

⑤应逐台建立设备档案，认真填写运行、维修、事故记录。

⑥在设备维修中，不得擅自改变结构和线路，需要改装时，要提出申请，报业务主管部门批准，并绘制改装后的图纸存档。

⑦恒电位仪等电源设备报废，应按具备下列条件之一者执行：

a恒电位仪等电源设备使用已达十年以上；

b无法修复或修复已不经济；

c技术性能已明显落后。

⑧按时填报pis系统报表。

实践证明，两种阴极保护方式的合理运用，采用科学的管理方法，遵循技术规程，埋地管道的腐蚀是可以有效控制的，从而降低腐蚀穿孔事故的发生率，大大延长管道的使用寿命。