埋地天然气管网外加电流的阴极保护措施研究

2022-12-03杨立超

低碳世界 2022年8期

杨立超

（广州机械设计研究所，广东广州 510600）

0 引言

近些年，城市基础设施逐渐健全，诸多资源均实现普及应用，其中天然气使用及需求规模日益扩大，相应管网分布于城区地下。相伴而来的管道腐蚀问题，得到较多的关注。随着科技工艺的不断成熟，用于埋地管网的防腐方法得到了不同程度的调整，各类方法得以发挥自身的功能优势，用于提升管道的防腐效果。如今国内普遍应用的天然气管道防腐方法有阴极保护、优化土壤环境、涂层保护。本文主要探究阴极保护在此类管线中的应用。

1 埋地天然气管网腐蚀

1.1 腐蚀机制

对于埋地管道来说，土层就是腐蚀环境，其不具备均匀性，而且和其他类型的腐蚀环境相比更加复杂。金属材质的管道被腐蚀，本质上是电化学反应。土层非均匀性的特点，令管道局部之间以及不同金属材质的管道之间，均容易形成电位差，产生阴极与阳极。出现土壤腐蚀后，阴极区为氧化还原，阳极区则变为金属阳离子，属于氧化反应，此时阴极夺得电子，经过还原反应后，产生电池效应[1]。

1.2 腐蚀类型

（1）化学腐蚀，这是由金属和接触对象之间直接产生化学反应后，出现腐蚀现象，该类腐蚀一般由金属材料和氧化剂的氧化还原反应造成。由此形成的腐蚀物质通常存在于金属构件表层，腐蚀过程中不会形成电流。

（2）电化学腐蚀，其是由金属和电解质溶液之间的电化学作用造成的腐蚀，该过程属于氧化还原反应，这是埋地管道比较常见的腐蚀情况。反应期间，金属丧失电子并被氧化，也就是阳极反应过程。而介质在金属管道表层取得电子并还原，这就是阴极反应的过程。

（3）细菌腐蚀。金属材质管道埋设于硫酸盐土层内，细菌一般不会对管道造成不良影响，而在阴极反应中的氢，把硫酸盐逐渐还原成硫化物，相应还原菌借助有机质不断繁殖，由此形成对管道有腐蚀作用的环境条件，加剧腐蚀的程度。对细菌腐蚀有影响的条件包括土层酸碱性、温湿度、有机质等。

2 外加电流阴极保护

2.1 基本概述

外加电流的阴极保护方法主要是借助直流电源给保护对象输送阴极电流，也就是电流负极与天然气管道连接，而正极则与辅助阳极相连，电流依托于土壤介质和管道接触出现阴极极化，控制电极的电位差，令腐蚀电流无线趋近于零，几乎能直接忽略[2]。

金属材质管道面临的是电化学腐蚀问题，可借助腐蚀电流参数反映出来。为控制腐蚀效率，就应当让腐蚀电流尽可能小，或是让电池回路内的电阻尽可能大。经过实践表明，阴极保护能实现ΔE（电极电位差）为零。而如果要真正达到该种程度上的防腐效果，就要通过极高阴极保护电流，这方面成本偏大。但倘若将涂层保护与阴极保护组合应用，就能有效减少电流的消耗量。

2.2 深井阳极

深井阳极是外加电流阴极保护方法的主要类型之一，控制电源与阳极井床、金属部件共同形成极化回路，此系统内的深井阳极与恒电位仪正极相连，往周围发送电流，埋地管道则和负极连接，构成阴极保护结构（图1）。深井阳极方法占用空间面积不大，而且发射电流分布较为匀称，表层电场强度偏低，不会对保护对象之外的部分造成明显影响。同时，该项技术抵御零散电流扰动的性能较好，保护覆盖面积较广，可以用在城市天然气地下管线项目中。

图1 阴极保护结构

3 外加电流阴极保护在埋地天然气管道中的实践运用

某城市从20世纪开始进行市区天然气管道的调节建设，受到当时技术工艺的限制，大多数都是无缝钢管，之后由PE 管逐渐取代传统钢管，用于市政及庭院的天然气管道。而未被取代的钢管，已经持续服役较长时间。

3.1 确认保护方式

埋地钢管选择涂层结合阴极保护的处理方式，其基本原理和牺牲阳极组合外加电流保护相同。注意要结合管道所处土壤环境状态、覆盖层状况、项目规模、防腐成本等，确认保护方案。综合考虑阴极保护的各种方式，牺牲阳极比较适合土壤电阻率不足100 Ω·m 的环境，但如果电阻率超过该标准，输出电流不足，此时就要增加阳极牺牲量，才能达到预期效果。而外加电流的阴极保护方式中，其持续输出电流具备可调性，电阻率对其没有干扰，该方法保护对象较广。在天然气管道上方覆盖层自身品质较佳，如3PE 结构，实际保护电流密度处于μA/m2等级，这种情况下外加电流与牺牲阳极都有较好的处理效果。反之防腐层自身条件不佳，而牺牲阳极支持电流只达到mA 等级，说明并不适合使用这一方法，但倘若保护对象范围不大，牺牲阳极成本更低。

3.2 确认电流密度

在确认保护电流的密度时，需按照令腐蚀反应停止或控制腐蚀到可承受水平的衡量标准，这是落实阴极保护的关键参数。其数值一般由保护对象材质类型、表层程度、腐蚀介质、绝缘层效果等因素决定，其中既有绝缘层的电阻值以及土壤的电阻率对密度参数有更大的影响。在涂层有差异时，可结合设计服役年限，选择合适的电流密度。实践作业中，技术员很难直接通过测试管道表面确认密度参数，通常是根据处理对象的总保护电流数值和总面积的比值来确认[3]。

3.3 辅助阳极材料

在外加电流的阴极保护处理下，辅助阳极的材料类型较多，比如石墨、混合金属的氧化物、碳钢与聚合物等。而最终选定的辅助材料，需满足以下4 项基本性能：①导电性高，在大电流密度环境下，阳极极化需偏小，钝化概率低；②抗腐蚀性强，延长阳极材料的应用周期，降低更换频率；③拍流量高，阳极需要拥有良好的机械性，方便制备、转运、安设；④后期运维成本少。

聚合物阳极的导电介质为石墨粉，电流导线是铜电缆芯，将聚合物当成基材，形成长线状的辅助阳极，能解决改造项目中防腐层老化以及阴极保护电流明显提升的问题。聚合物可用在埋地钢管的阴极保护处理中，作业难度低、防腐功能性较强。聚合物阳极的突出特征为保护电路布局均匀，不会使附近金属设施遭受干扰，能结合保护管线，用于随意裁剪制作，这使得其可用性大幅度提高，同时对土层环境也没有污染。对于裸管、涂层已经不能起到有效保护的管线、被屏蔽的管网范围，以及电阻率偏大的土层环境，聚合物阳极的作用更加明显。

混合金属的氧化物阳极是由在钛基体表面烧结贵金属的氧化物构成，要求所选氧化物的柔性、抗腐蚀性、导电性都表现良好且稳定。该种辅助阳极材料方便制作，自重偏低，利于运输与安设。在氧化物涂层实际电阻率仅达到10-7Ω·m 级别，消耗速度慢、极耐酸性条件下，运行电流密度仅达到100 A/m2，此种阳极应用周期普遍达到20年。另外，实践施工中，技术员可改变氧化物类型，适应项目环境。

3.4 现场布置应用

3.4.1 辅助阳极地床

地床可以将保护电流引进地下，通过土壤后接触管道，实现阴极极化，达到保护的效果。在钻建直立型的地床安装中，此处设置两个保护站，安装深度是60 m，直径尺寸是500 mm，和保护管道相距50～100 m 不等，挑选地势偏低、含水量高、地层偏厚处作为井点。在井中分段设置阳极体，其是由碳素填料、阳极、排气管与引线电缆等整装成一体，方便转移与安设的同时，还能确保装配精度及品质[4]。

布置辅助阳极中，拟选择高硅铸铁的阳极，其是预制包装，单组阳极体内包括3 个此种阳极，尺寸是ϕ325×6000 mm。阳极需位于深井中心，对应导线自由段需设置永久深度参数标记，现场安装中，技术员需先查看阳极与导线之间的固定性与电阻。另外，考虑到深井内水位偏高，所以在吊装阳极处理中不可引出电缆，需要在相应组合体上额外设置吊绳。安设结束后及时回填土，在地面上布置排气设备。项目总体井深设置成60 m，而局部由于地质环境比较特殊，深度不能达到此标准，就应改变施工点位，在确保布局合理的前提下，挑选地层环境更好的点位设置深井，或者在深度不足的情况下，增加深井数目、向井中添加电解液。

3.4.2 布置电源装置

所有阴极保护站中配备电源装置，其一般包含两台各自独立运行的恒电位仪，以及一个控制台，前者互为备用，用于确保阴极保护持续运转。在阴极保护系统内，通电点是恒电位仪的阴极电缆和保护对象连接处，此处主要的安装任务有阴极与零位电缆、参比电极。借助阴极电缆把恒电位仪与保护对象连在一起，管道进入被保护模式中，实现弱化腐蚀，两台恒电位仪均带有一处通电点。管道和阴极电缆之间建议选择铝热焊的方式，而后利用环氧煤沥青玻璃布进行细化处理。零位电缆把恒电位仪的零位接阴测和通电点连接，将所获取的数据和参比电极进行比较，系统实现自动调控。其中，参比电极是预制包装的硫酸铜，需将其布置在通电点和测试点不远位置的冻土层之下，在埋设时把其放于清水内至少1 d，令其彻底湿润，并且需将其尽可能靠近管线进行立式埋设安装。现场作业中需保持轻拿轻放，避免对其壳体造成损伤[5]。

3.4.3 管道绝缘连接

管道的绝缘程度对阴极保护系统稳定性有明显影响，可以说，绝缘性与阴极保护同步变化。电绝缘的布设一般选择在干线和支线衔接处、分散电流扰动区、异种金属和新老管道衔接处等。另外，持续稳定的电流是实现阴极保护的重要条件，一般天然气钢管选择焊接处理的方式，这是因为焊接带来的电阻极小，能够适应阴极保护对电流的需要。而对于丝扣或是法兰等连接形式的管道，如果配置导电性弱的垫子，容易发生接触不良的问题，不利于保持电流稳定性，限制后端的保护效果。对此，技术员需检查阀井内的所有阀门，提前跨接导电性不佳的部分。

3.4.4 测量电位方式

如今比较常见的测量方法有4 类，分别是电表参比（Ⅰ）、瞬间断电（Ⅱ）、试片断电（Ⅲ）、极化探头（Ⅳ）。经过对比分析发现，Ⅰ与Ⅳ没有限制条件，而Ⅱ方法要求管道和外部电源可以断开、Ⅲ方法需要确保没有杂散电流扰动。在IR 降（由电流和电阻引起的偏差）方面，仅有Ⅰ方法有明显的影响，其他3种方法均没有产生较大的影响，其中Ⅳ方法的影响程度最低。在使用方面，Ⅰ方法作业最为简单，而且成本少，但容易产生明显误差；Ⅱ方法作业难度大，成本多且有较高的装置要求；Ⅲ与Ⅳ都相对简单，但后者成本更高，测量精度更佳[6]。