局部强化外加电流阴极保护对长输管道防腐效果的研究

闫家鹏

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142)

长输管道一般都是埋地敷设，受土壤中温度、酸度、杂散电流等一系列变化复杂的埋设条件影响，管道外部的腐蚀极易加速，使用寿命会缩短[1-2]。对于长输管道阴极保护技术是目前较为行之有效的防腐措施。阴极保护的方法可以分为两大类：外加电流法和牺牲阳极法[3-4]。两种方法在原理上相似，均为集聚被保护金属表面的电子来降低该金属的腐蚀电位[5-6]。外加电流法通过将外电源负极与所要保护的金属相连接，辅助阳极与电源正极相接，从而构成通路，为金属提供保护电流。该方法的优点在于保护电流大小可调，保护装置寿命长，环境电阻率限制作用小等[7-9]。在长输管道中主要应用外加电流法进行保护。这就对土壤的导电率有一定要求，土壤电阻率一般应小于50 Ω·m，即一般在地下水位较高或潮湿低洼处，并且土层厚，无块石的地段，外加电流阴极保护效果较好。但在实际的长输管道埋设中总会存在一些局部空洞(即，管道周围没有土壤导电，形成湿空气腐蚀环境)的现象，与管道接触的仅为湿空气，地下湿空气可能含有多种腐蚀性的离子，土壤的孔隙有利于氧气的渗入和水分保存，孔隙度越大管道腐蚀越严重[10]；同样，在长输管道的“管中管”封闭空间内没有构成阴极保护的电流回路，阴极保护基本上没有发生作用[11]。所以，在埋地管道的空洞环境中空气电阻大，达不到阴极保护要求的导电率条件，而出现局部保护减弱甚至失效，导致管道腐蚀严重。

本文设计出一种三层紧密结构组成的局部强化外加电流阴极保护方案，通过对比实验的方法，研究此方案对处于空洞环境中的管道的防腐保护效果。

1 方案设计及实验方法

1.1 局部强化外加电流阴极保护方案设计

通常的埋地管道外加电流阴极保护方案如图1。其原理是：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。辅助阳极埋设位置与被保护管道有一定距离，使电流分布能较均匀。被保护金属在大地中为阴极，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。

图1 通常的外加电流阴极保护示意图Fig.1 Schematic diagram of common external current cathodic protection

本文设计的方案为局部强化外加电流阴极保护，如图2。

本方案中，电解池是由三层紧密结构组成，依次为被保护金属、固体电解质层、辅助阳极加导电涂层，夹在中间的固体电解质层提供了阴极保护电流的离子迁移通道。这种紧密结构的突出特点是在辅助阳极与被保护金属之间能够建立强度均匀的电场，从而使保护电流均匀地分布到被保护金属的所有表面上，对管道进行有效的防腐保护，弥补了传统外加电流阴极保护因管道外空洞环境电流回路电阻过大而对管道的保护失效的现象。

参比电极是测量被保护金属电位的基准电极，选用与固体电解质相匹配的固体参比电极。

极化电源使用恒电位仪。保护电流由恒电位的正输出端流出，流经辅助阳极和固体电解质层到达被保护金属，汇流后返回恒电位仪的负输出端。

利用固体电解质涂料在金属表面构造出完整的电解质环境，以金属阳极加导电涂层作为辅助阳极，解决了长输管道湿空气环境下金属腐蚀的问题。

图2 局部强化外加电流阴极保护示意图
Fig.2 Schematic diagram of partly enhanced external current cathodic protection

1.2 实验材料

用三个塑料长方体有盖盒子作为实验容器。为方便实验，以9块薄碳钢板代替管道作为目标电极材料(被保护体)，尺寸为100×100×5 mm，其化学成分为C 0.20%，Si 0.35%，Mn 1.45%，P 0.045%，S 0.045%，密度ρ=7.85 g/cm3。配备三组电源。固体电解质涂料由7%～10%的蒙脱石固体电解质与水性聚氨酯树脂以1∶1共混，加入水和助剂组成。阳极材料选用紫铜片；导电涂层采用片状石墨与树脂的复合树脂导电材料。参比电极为石墨电极，其表面状态稳定，与固体电解质涂料组成的电极系统的抗极化性能好。从室外1 m以下取潮湿土壤作为实验用土壤。

1.3 实验方法

实验前将9块目标电极(钢板)用细砂纸将表面打磨光滑去锈，清理干净后称重并测量表面积，记录其数值，保存在干燥容器中备用。

1.3.1 实验分组

(1)A组实验：模拟空洞环境对钢材腐蚀速率的实验组

在长方体容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持湿空气环境，将三块目标电极A1、A2、A3悬挂在土壤上方，距土壤50 mm的高度，土壤中埋入阳极材料，并采用外加电流阴极保护。

(2)B组实验：模拟正常的外加电流阴极保护条件下钢材腐蚀速率的实验组

在长方体容器的底部放入200 mm厚的土壤，将三块目标电极B1、B2、B3竖直埋入土壤，并且距目标电极200 mm处土壤中埋入阳极材料，并采用外加电流阴极保护。

(3)C组实验：模拟采用三层紧密结构的强化外加电流阴极保护条件下钢材腐蚀速率的实验组

在长方体容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持湿空气环境。在将三块目标电极C1、C2、C3表面涂1 mm厚的固体电解质，并植入参比电极。在固体电解质外涂约0.2 mm厚导电涂层，并加上阳极。然后把三块目标电极悬挂在土壤上方，距土壤50 mm的高度，并采用外加电流阴极保护。

1.3.2 实验过程及时间

实验时间为30天。在实验过程中每天向土壤中加入少量水，保持土壤湿润，以模拟真实土壤环境。在实验结束时，取出目标电极，用细砂纸仔细打磨去除表面锈层，干净后称重并记录质量。

2 结果与讨论

2.1 实验结果数据如表1

表1 实验结果数据Table 1 Experimental data

2.2 实验结果分析

由表1数据可以看出，A组模拟在道空洞环境下埋地管道的腐蚀速率，年平均速率为0.0887 mm/a；B组模拟埋地管道采用通常的外加电流阴极保护后的腐蚀速率，年平均速率为0.0059 mm/a；C组模拟埋地管道采用本文设计的局部强化外加电流阴极保护方案后的腐蚀速率，年平均速率为0.0030 mm/a。

三组钢板年腐蚀速率的比较如图3。A组的平均腐蚀速率远远大于B组和C组，而C组较B组更小。B组的平均腐蚀速率大约是A组的6.7%，C组的平均腐蚀速率大约是A组的3.4%。

图3 三组实验的年腐蚀速率比较Fig.3 Comparison of annual corrosion rates of three groups of experiments

如A组实验所示，在道空洞环境下埋地管道由于湿空气环境的电阻过大，阴极保护近乎失效，而钢材在湿空气中极易腐蚀，所以腐蚀速率大。如B组实验所示，在埋地管道采取外加电流阴极保护措施后，电位较低，由外电路向被保护金属通入电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，以供去极化剂还原反应所需，从而使金属氧化反应(失电子反应)受到抑制。但A组实验与B组相比，说明即使有外加电流阴极保护，埋地管道在空洞环境中腐蚀也非常严重，接近失效。C组实验采用本文设计的方案，使得埋地管道即使在空洞环境中，采用局部强化外加电流阴极保护方法，管道的腐蚀速率大大降低，仅为空洞环境的3.4%。原因是这种紧密结构的外加电流阴极保护在辅助阳极与被保护金属之间能够建立强度均匀的电场，不受空洞环境的影响，使保护电流均匀地分布到被保护金属的所有表面上，对管道进行有效的防腐保护。

3 结论

在设计和施工长输管道时，在预测到可能出现空洞或加装套管的被保护管道处，采用本文设计的局部强化外加电流阴极保护方案，即局部采用由三层紧密结构组成的电解池，可以有效地解决原来长输管道中某些地方由于加电流阴极保护的回路电阻过大而保护失效的问题，将局部防腐失效的管道腐蚀速率降低到原来的3.4%左右，保护效果显著。