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1、1阴极保护技术在埋地钢质管道中的应用摘要：通过介绍阴极保护技术在 3 个工程中的实际应用，分析了这一工艺在埋地钢质管道防腐中的重要作用，并且对阴极保护的经济性进行了评价。 关键词：埋地钢质管道 外加电流阴极保护 牺牲阳极保护 阴极保护在金属防腐工艺中，是电化学保护方法的一种。它通过对被保护金属体施加电流，从而使其电极电位负移，使金属减弱由原子态自发变为离子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生。由于这个过程必须在电解质中进行，因此埋地钢管非常适宜采取阴极保护。若阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，从而在安全性和经济性方面达到完美组合，则是目前公认的最佳防腐方案。1 宁波城市供水工程宁波城市供水
2、工程是从奉化市的肖镇至宁波市江东区梅墟敷设一条 1600mm的输水钢管，管线全长 38 km，外防腐采用环氧煤沥青二布三油形式。1.1 外加电流阴极保护从肖镇至北渡的 17km 以及北渡至江东梅墟的前 4.2km 管道，基本无地下金属构筑物，采用了外加电流阴极保护。肖镇阴极保护站：设恒电位仪 2 台(1 用 1 备)，将 30 支 YJBSiCr 50mm1200mm 双端接头的含铬高硅铸铁阳极在距管道 100m、沿管道垂直方向上一字形水平埋设。北渡阴极保护站：设恒电位仪 3 台(2 用 1 备)，向两侧供电。埋设两组阳极(规2格、数量同上)，每台仪器对应一组阳极。汇流点设在进、出绝缘法兰的外
3、侧。全程设有电位测试桩 18 个(1 个/km)，电流测试桩 2 个和绝缘法兰测试桩 4 个。管道进、出站设绝缘法兰以进行有效的电绝缘(绝缘电阻5 M)。由于绝缘法兰两侧存在一定的电位差，会对另一侧未通电保护的泵站内管道产生阴极干扰、加速腐蚀，因此对站内管道实施了牺牲阳极保护，即两个泵站内各埋设了两组 22 kg/支的镁阳极。此外，为了防止保护电流的流失，同时须做好绝缘处理，如架空管桥处的钢管与支墩接触处用橡胶垫片进行绝缘、所有与管道连接的金属件不允许接地等。1.2 外加电流阴极保护的实施效果实际测定的保护参数见表 1。表 1 保护参数测量值保护参数肖镇泵站北渡泵站(进水侧)北渡泵站(出水侧)
4、土壤电阻率(m)51.33 17.08 17.93阳极接地电阻()0.8 0.42 0.34输出电压(V)6.22 7.06 3.40输出电流(A)7.21 7.50 3.96控制点电位(V)-1.251 -1.125 -1.053保护电位(V)-0.852-1.166 -0.970-1.092 -0.960-1.062结果表明：阳极地床接地电阻1 ，符合规范要求。各测试桩中电位数据均达到-0.85V 的保护标准。汇流点最高控制电位为-1.251V 时，说明管道全线达到了保护电位；仪器输出电流、电压都不大，说明该段管道防腐层做得好，绝缘法兰绝缘效果好；阳极地床接地电阻小，使得阴极保护的日常维护
5、费用低。1.3 牺牲阳极保护北渡至江东梅墟段管道除去实施外加电流的 4.2km 外，其余 17km 因地下金属构筑物较多，且多次与其他管道平行、交叉，故采用了牺牲阳极保护，这是为了4减轻与其他金属构筑物之间的相互干扰。牺牲阳极选用镁阳极，1km 设 4 组，每组由 4 支 14kg 的镁阳极组成，其中 3组直接焊在管道上，1 组通过测试桩连接，以便进行电参数测量，了解阳极使用寿命。1.4 牺牲阳极保护的实施效果牺牲阳极保护的实施效果见表 2。表 2 牺牲阳极保护的实施效果保护参数数值阳极开路电位(V)-1.598-1.697管道保护电位(V)-1.03-1.05管道自然电位(V)-0.573-
6、0.741埋点土壤电阻率(m)10.3615.26阳极输出电流(4 支)(A)0.110.15结果表明：阳极开路电位符合要求。管道保护电位-0.85V，且比较均匀。5按阳极出电流计算阳极寿命20a。2 陕气进津管道工程陕甘宁气田北京输气管道天津支线工程(简称陕气进津管道工程)是天津市的重点工程，对于改善天津市的能源结构具有重大意义。管线西起河北省永清县，东至天津市第一煤气厂，全长 64km，选用 426mm 螺旋缝埋弧焊接钢管。钢管外防腐采用阴极保护与聚乙烯三层结构的联合保护方式。2.1 外加电流阴极保护从永清至天津西青区子牙河的 54km 管线主要在农田中敷设，沿线的金属构筑物少，相互干扰较
7、小，采用外加电流的保护方式。为了避免保护电流的流失，在外加电流保护管段的两端加装了高电阻值的绝缘接头(因输气管内壁不做防腐，为防止管内有积水时绝缘接头两端的管段在电解液中导电而失去绝缘作用，故将其埋设在高点处)。在王庆坨设置阴极保护站，沿永清方向保护 36km、天津方向保护18km。站内设恒电位仪两台(PS1 型)，可以互相切换，并由自动控制台控制，以保证阴极保护系统连续运行。阳极地床位于管道垂直方向 250m 处，由 40 支100mm1500mm 的高硅铸铁阳极组成，阳极为立式埋设，埋深 3m，周围填充150mm 厚的焦炭(粒径10mm，含碳量85%)。2.2 外加电流阴极保护的实施效果外
8、加电流阴极保护的实施效果见表 3。表 3 外加电流阴极保护的实施效果6保护参数数值管道沿线自然电位(V)-0.468-0.693绝缘接头电阻(埋地安装前)(M)100土壤电阻率(阳极地床处)(m)25.13阳极接地电阻()0.16输出电压(V)1.7输出电流(A)1.2控制点电位(V)-1.250管道沿线保护电位(V)-1.029-1.456绝缘接头外侧电位(V)-0.710(永清非保护侧)-1.344(子牙河牺牲阳极侧)7注以上数据均系相对于 Cu/CuSO4 参比电极测得。由表 3 可知：阳极接地电阻 1，当恒电位仪大功率状态运行时能大量节约电能。管道沿线各测试桩内测得的极化电位均达到了-
9、0.85V 的标准，保护效果良好。有的保护电位小于控制点电位是因为在有套管的地方安装了镁带阳极，而镁阳极的电位为-1.8V 左右，所以在相邻近的管道上测得的电位较小。两个绝缘接头的里外侧有明显的电位差，表明其绝缘有效。2.3 牺牲阳极保护全部管线除外加电流的 54km 外，余下的 10km 管道全部采用了牺牲阳极保护，共埋设锌阳极 79 支，其中 22.2kg/支的阳极 30 支，14.8kg/支的阳极 49 支。锌阳极以成组方式(45 支为一组)埋设于管道旁，距管道垂直距离1.5m，阳极周边用填料包围以减少接地电阻及促进腐蚀产物的溶解。汇流点及中间点设测试桩 12支，测试桩基本按照 1 支/
10、km 的原则埋设，并附有 1 支长寿命参比电极。在管道穿越公路、铁路等处设有套管的部位实施了镁带阳极保护，以使套管内受屏蔽的管道得到保护，镁带规格为 19mm9.5mm。施工时沿螺旋焊缝方向缠绕，使保护电流尽可能地均匀。2.4 牺牲阳极保护的实施效果管道自然电位：-0.410-0.738 V管道保护电位：-0.934-1.092 V阳极输出电流(每组)：15.623.4mA阳极开路电位：-1.003-1.104V土壤电阻率：9.1913.56 m由此可知：保护电位达到了保护标准规定的-0.85 V，保护效果好。8阳极开路电位符合要求。阳极可确保使用 30a。3 天津市外环线高压管道工程工程位于
11、天津市外环线的南半环，西起南开区华苑小区，东至东丽区丽津路的高中压调压站，全长 21.7 km。管材选用 529mm 螺旋缝埋弧焊接钢管。钢管外防腐采用阴极保护与聚乙烯三层结构的联合保护方式。3.1 保护方案该工程全部采用牺牲阳极进行保护。在管道穿越李港铁路处有套管的地方还实施了套管阳极的施工，阳极采用块状锌阳极，埋于套管与输送管之间的下部空腔中。为保护绝缘接头不被高压击穿，在绝缘接头处还埋设了接地电池。根据现场土壤电阻率的不同，牺牲阳极采用锌及镁两种合金材料，共埋设锌合金阳极(25kg/支)121 支，镁合金阳极(14.5kg/支)31 支。牺牲阳极单只分散式水平埋设于管道旁，距管道垂直距离
12、0.3m，埋深1 m，间距为 150250m，在施工难点处间距100m。阳极周围由 60kg 填料包围，以减小接地电阻及促进腐蚀产物的溶解，汇流点及中间点设测试桩 23 支。3.2 牺牲阳极保护的实施效果具体测量结果见表 4。表 4 保护参数测量值保护参数牺牲阳极种类锌合金9镁合金管道自然电位(V)-0.495-0.698 -0.512-0.700管道保护电位(V)-1.053-1.139 -0.971-1.474阳极开路电位(V)-1.109-1.181 -1.572-1.687阳极输出电流(mA)410 830土壤电阻率(m)7.5413.82 25.1232.66表 4 表明：保护电位达
13、到了保护标准规定的-0.85V，保护效果良好。阳极开路电位符合要求。绝缘接头绝缘有效。阳极可确保使用 50a。4 经济效益及分析上述 3 个工程的经济指标情况见表 5。表 5 阴极保护经济效果评价10工程名称总造价(万元)阴极保护投资(万元)保护面积(m2)价格(元/m2)宁波供水工程 13000 130 180000 7.2陕气进津工程11000 83 85600 9.7外环线高压管道60000 56 36000 15.6可以看出，阴极保护在工程总造价中的比例基本1%，其造价为 10 元/m2 左右。只要保证施工质量，及时监测，确保管道达到保护电位，就可确保管线在设计年限内(2030a)不因腐蚀问题出现事故，属于典型的低投入、高产出技术。若单独采用增加防腐层等级的方法，不仅费用增加很多，而且并不安全，在现场施工中不可避免地会造成防腐层的破损，而在破损处会形成“大阴极、小阳极”的腐蚀原电池，使破损处很快穿孔，造成巨大损失。只有采用防腐层与阴极保护的联合技术才能从根本上防止腐蚀事故的发生，11建议在埋地钢质管道中大力推广应用。
