长输天然气管道的阴极保护系统设计与应用

闵珊珊　甘宇　曾涛

摘 要 我国的天然气资源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现。本文主要介绍了长输天然气管道阴极保护设计原理及系统设计，阐述了长输天然气管道阴极保护投入运行的调试方法，对今后长输天然气管道阴极保护的系统设计及投入运行的调试、日常管理有一定的帮助。

关键词 长输天然气管道 阴极保护 系统设计 应用

中图分类号：TG174 文献标识码：A

0前言

目前，我国天然气资源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现，由于长输天然气管道均采用埋地方式敷设，穿越地形、地段复杂，土壤性质各异，对管道存在着不同程度的腐蚀，如果能应用现代腐蚀理论和防腐技术，腐蚀造成的经济损失可以降低25～30%。实践证明，单纯地对地钢管采用防腐涂层的防护办法不能有效解决埋地管道腐蚀问题。采用管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防腐蚀措施。

1长输天然气管道阴极保护设计原理

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位，腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子，我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。

阴极保护的原理：给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

1.1牺牲阳极法

将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。 在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。

1.2强制电流法（外加电流法）

将被保护金属与外加电源负极相连，辅助阳极接到电源正极，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。其方式有：恒电位、恒电流等。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应，因此，辅助阳极本身存在消耗。

2长输天然气管道阴极保护系统设计

2.1阴极保护方法

埋在土壤中的金属管道由于各种原因管道表面将出现阳极区和阴极区，并在阳极区发生局部腐蚀。阴极保护是指将被保护金属（如煤气管道）进行阴极极化，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位，消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池，使金属免遭环境介质（如土壤）的腐蚀，即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀，从而达到延长被保护管道的使用寿命，提高其安全性和经济性的目的。使用阴极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，以降低阴极保护的费用。阴极保护技术根据保护电流的供给方式，可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。采用牺牲阳极法的主要优点有：无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低等特点，适合于区域范围较小的埋地钢管的防腐蚀。强制电流法则有保护范围大、适合范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点，故适合用于长输管线的防腐。

2.2设计要点

为防止绝缘设备遭受雷击及静电火花引起的破坏，在所有安装绝缘设备处各安装一副接地电池。接地电池安装前必须进行检查，在地下水丰富的地方，接地电池容易出现失效、短接的现象。

杂散电流的预防措施。杂散电流能使地下管道产生强烈的电化学腐蚀。我国的行业标准规定，管道附近土壤中电位梯度大于0.5mV/m时认为有干扰的可能，当电位梯度大于2.5mV/m时应考虑采取防护措施。当管道在杂散电流处有1cm的防腐层破损，且此处有1mA的杂散电流流出时，该处的腐蚀速度将达到12mm/a。在杂散电流对管道的腐蚀和干扰。

穿跨越處的特殊保护。公路和铁路穿越工程，由于承重，需要加设保护套管。理想的套管穿越，是主管道和套管之间两端用软性材料密封和中间安装绝缘支架，管道应与套管保持较好的电绝缘。但在实际工程中，出现没有阴极保护电流穿过套管壁流向套管内主管道表面，使得位于套管内的主管道处于自由腐蚀状态，而套管则得到很好保护。

2.3阴极保护设计方案

A（城市）至B（城市）管道沿线土壤电阻率变化大，最低25.1 ·m，最高392.8 .m，一般地段在40～60 .m。沿线几处高压输电线路接地与管道距离较近，经过双参比电极法测试，杂散电流的电位梯度为2.8～5.4mV/m。杂散电流干扰严重，管道沿线必须采取锌排流阳极并做牺牲阳极使用。根据工程的实际情况，A（城市）至B（城市）全线共设置阴极保护站两个，分别是首站A（城市）和末站B（城市）。管道在穿越段设置带状锌阳极保护，沿线采用牺牲阳极既起到辅助保护，又可以排除管道上杂散电流和静电。

3长输天然气管道阴极保护投入运行调试与日常管理

3.1运行调试

主要有4个步骤：（1）阴极保护投入前对被保护管道的检查；（2）对阴极保护施工质量的验收；（3）阴极保护投入运行的调试；（4）阴极保护站投入运行；（5）保护电位的控制。当管道全线达到最小阴极保护电位指标后，投运操作完毕，各阴极保护站进入正常连续工作阶段。

3.2阴极保护系统的日常管理

（1）每月测量一次全线管道保护电位，每季度测量一次阳极床接地电阻；

（2）每天记录一次阴保间恒电位仪的保护电位、输出电压及输出电流，每月可交换A/B机工作，延长仪器工作寿命；

（3）管道电流、电位测试桩注意保护，防止人为破坏，并且每年保养一次；

（4）所有测量数据需填写记录表，存档，以便查阅。

参考文献

[1] 胡士信.管道阴极保护技术现状与展望[J].腐蚀与防护，2004，25（03）：93-101.