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1、石油天然气埋地钢质管道牺牲阳极法2007-12-3 9:10:14摘要：为保证城镇燃气钢质埋地管道的安全经济运行，防腐是关键。本文从腐蚀机理出发，探讨了牺牲阳极法阴极保护的原理及应用特点，并就日常监检过程中所遇到的一些问题进行分析讨论。关键词：埋地钢质管道 腐蚀 牺牲阳极 阴极保护 城镇燃气工程大量运用钢质埋地管道，虽然近年来，较大直径PE管道被普遍应用，但由于实际使用上的局限性，在一些大直径、高压力等场合仍以钢质管道为主，但是金属管道在使用过程如保护不当会产生腐蚀，导致失效。腐蚀是金属与环境间物理化学的相互作用，造成金属性能的改变，导致金属、环境或由其构成的一部分技术体系功能的损坏。管道腐蚀
2、按腐蚀环境可分为大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀和化学介质腐蚀。按机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。所谓电化学腐蚀是金属与电解质发生电化学反应，在反应过程中，金属被氧化至高价态，而存在于电解质中的其它反应物，即电子的受体被还原成较低的价态，金属失去电子氧化的过程就是电化学腐蚀。其中大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀均为电化学腐蚀。其特点是介质为离子导电的电解质，金属电解质界面反应过程是因电荷转移而引起的电化学过程，必须包括电子离子在界面上转移，界面上的电化学过程可以分为两个相对独立的氧化和还原过程，电化学腐蚀过程伴随着电流的流动。金属腐蚀缩短了管道的使用寿命，降低了管道的输送能力，引起成本的增加，最为严重
3、是由于燃气管道的输送介质是天然气或液化石油气等具有的可燃易燃特性，增加了发生意外事故的可能性，对人民生命财产安全造成极大的危害。据国外媒体报道，在管道损坏事故中45%是由管道外腐蚀引起的。另据统计表明，美国输气干线和集气管线的泄漏事故中74%是由腐蚀造成的。更有国外统计资料表明，全世界每年由于腐蚀而损失的金属材料约占当年金属产量的25-35%，超过1亿吨，金属腐蚀直接或间接地造成了巨大的经济损失和资源浪费。作为城镇燃气中的金属管道腐蚀是以土壤腐蚀为主要形式，土壤是多相物质组成的复杂混合物，颗粒间充满空气、水和各种盐类，使土壤具有电解质的特征，地下埋地管道祼露的金属在土壤中构成了腐蚀电池，土壤腐
4、蚀受多种因素影响，其中以土壤电阻率为最主要，它是表征土壤导电性能的指标，常作为判断土壤腐蚀性最基本参数，一般情况下，土壤电阻率越大，其腐蚀性越小。另外，土壤的PH值、氧化还原电位、含盐种类和数量、含水率、透气性、湿度、有机物含量、细菌、杂散电流等也影响土壤的腐蚀性。一、阴极保护的方法：把埋地管道作为阴极进行保护是一种防止管道电化学腐蚀的行之有效的方法。阴极保护可分为牺牲阳极法和强制电流法。牺牲阳极阴极保护法是由一种比被保护金属更低的金属或合金阳极材料与被保护金属连接，并处于同一电解质中，阳极材料因金属性强而优先溶解，释放出电流供被保护金属阴极化，随着电流的不断流动，阳极材料不断消耗，使被保护金
5、属处于保护状态。强制电流法是通过外部直流电源而被保护金属通以阴极电流使之阴极极化，而达到阴极保护目的。阴极保护的原理见图一。为了控制腐蚀的发生发展，根据电化学保护机理，给金属补充大量电子，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，金属原子不容易失去电子而变成离子溶解，这就是阴极保护的原理。给金属补充大量电子需要一个负电位，能使金属腐蚀停止（或可忽略）所需的电位值就是阴极保护的保护电位，其值我国石油行业标准SYJ36-89作出了相关规定，在通电情况下管道的保护电位为-850mv（相对于铜/饱和硫酸铜）或以下，这一标准常被用于阴极保护工程的效果评判。与保护电位相对应的另一主
6、要参数是保护电流密度，是指被保护管道单位面积上所需的保护电流，它主要受表面状况（有无覆盖层及类型、覆盖层介质）、环境条件及被保护金属的种类等。不同的防腐层所需的电流密度可参照表一。另外，为确保阴极保护效果，被保护管道表面与土壤接触，稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mv。二、城市燃气埋地钢质管道阴极保护的选择阴极保护中的牺牲阳极法和强制电流法，具体设计使用时必须考虑工程规模的大小、有无方便可靠经济的电源、被保护管道所需电流密度的大小、被保护管道与周围地下金属构筑物的相互影响、土壤等因素。两者各自的优缺点见表二在实际工程中，应根据工程规模、防腐层质量、土壤环境条件、电源的利用和经济
7、性进行充分比较，择优选择。由于牺牲阳极法简便易行，不需外部电源，对周围构筑物干扰小等因素，广泛应用于管理能力相对薄弱的中小型投资公司、建设项目、工程规模较小的管网、杂散电流较小或没有的地区、低土壤电阻率环境（土壤电阻率小于100M）的金属管网中，另外由于近年来钢管表面防护技术的不断发展，防腐层的质量、寿命明显提高，同时防腐费用也在不断下降，更有利于牺牲阳极法的推广运用，故本文以下主要对牺牲阳极法阴极保护的应用作一些探讨。三、牺牲阳极法的控制要点。为了有效防止埋地钢管的电化学腐蚀，充分发挥牺牲阳极法阴极保护的作用，提高保护的有效性，必须正确把握牺牲阳极保护从设计、安装到最后的使用管理工作过程的各
8、个环节。（一）、牺牲阳极保护的设计控制设计上的控制主要是在选择合适的电流密度，测试施工区域的土壤特性后进行阳极种类的选择，工艺计算（阳极接地电阻、输出电流、阳极数量、工作寿命）和安装方式的确定。1、 阳极种原选择通常的做法是根据环境土壤的电阻率大小选择牺牲阳极的种类，再根据保护电流的大小选取阳极规格，可参照表三进行选择。城镇燃气管网中，一般而言，普通土壤环境下多使用棒形镁或锌阳极，高电阻率土壤环境下可使用带状镁阳极。2、 工艺计算通过工艺计算可以求得需保护管道阳极接地电阻，阳极的输出电流，所需阳极的数量及阳极工作寿命，为阳极的安装施工及后期管理提供理论依据。上述参数的计算公式本文不作介绍，需要
9、注意的是在接地电阻计算时，应考虑有无填料及安装方式；在阳极输出电源计算时，必须正确计算出阳极总电阻；阳极数量的计算应注意要选取合适的备用系数。（二）、阳极安装方式的选择城镇燃气管网钢质管道阳极安装应考虑确保阳极在土壤中的性能稳定，需要在阳极四周辅以化学填料包，它能改善阳极的工作环境，降低接地电阻，增加阳极电流输出，减小不必要的阳极极化及维持阳极地床长期湿润；填料包应在各个方面均保持5-10CM为宜；化学填料包应选用电阻率低，渗透性保湿性好，不易流失的材料配方。阳极分布可采用单支式或集中式，其埋设可采用立式、水平式，埋设方向有轴向式和径向式，选用何种方式应根据管道长度、土壤特性、空间位置等全面考
10、虑。另外，为了确保阴极保护效果，阳极应埋在距墙壁3-5米处，最小不宜小于0.3米，其埋设深度以阳极顶部距管顶不小于1米为宜。成组埋设时，以2-3米间距为宜，牺牲阳极在管道长度方向上以200-300米一组为最好。总之，阳极地床的布置应根据管道长度、埋设深度、土壤特性、空间位置等全面考虑，选择最佳方式。（三） 、牺牲阳极安装质量的控制正确合理的设计，只有良好的施工才能确保阴极保护的真正效果，笔者根据10多年来安装监督检验工作的实践总结了在施工中的控制要点及注意事项。1、根据CJJ95-2003城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程的规定，如要有良好的阴极保护效果，必须确保管道覆盖层的绝缘电阻值大于1
11、0000m2。因此在管道施工时应把握以下几个因素：第一对于现场作表面防腐的管道正式施工前应做机械性能检测，包括粘结力、抗土壤应力等，符合后再应用于现场防腐，在防腐处理过程中应彻底清除钢管表面的铁锈、氧化皮及浮灰，选用防腐性能、电绝缘性能好的材料（同时考虑使用寿命、各项费用、敷管速度、对外部影响等因素），对焊口的补口应采用与钢管相同的防腐材料，钢管防腐层及补口处应作100%电火花测试合格，管沟底部和管顶上部的土质应满足运行中不会损坏防腐层为基本原则。第二对于在专业防腐企业进行防腐处理的钢管，应注意在运输过程中的不被损伤，在管道安装时应逐根检查，并进行电火花测试，发现伤口及时修补，并进行绝缘电阻测
12、试直至达到要求。2、安装时应确保管道纵向的连续导电。确保阴极保护电流通畅，是实现阴极保护的必要条件，应对管道的非焊接部位如法兰、大小头承插头、丝扣连接等的电阻值进行100%测试，对于达不到标准要求的结构应采用电缆跨接方式确保管道的电连续性，特别应注意在电缆二个接头处要去锈、去漆，结合严密、牢固。3、严格控制牺牲阳极连接导线与钢管表面的连接方式。个别安装单位贪图省力，把导线直接焊在钢管上，而不是通过铜鼻子、加强板与钢管连接，降低了连接的可靠性，增大了阴极电流的流动阻力，不利于钢管的防腐。另外连接处应保证可靠的绝缘。四、 牺牲阳极设计安装使用中几个问题的探讨（一） 、城镇管网的施工中，往往会产生管
13、网施工的另碎性，产生了大规模的分期施工，而设置的绝缘装置，形成了相互独立、体系不统一的阴极保护系统。但是检查结果表明，管道在施工后短时间内很少发生腐蚀或速度很慢，因此在新旧管道施工时间间隔较短（不到一年）的情况下，可不做电绝缘处理而使之成为连续的阴极保护系统。（二） 、根据实践得出，当支管长度不超过50米时，主干管与支管间也可不设绝缘装置，而作为一个整体来加以保护，否则支管也应设阴极保护。（三） 、在有交直流电气化铁路、高压输电线、发电厂、变电所的地网及其它引起的杂散电流对被保护管道有影响的地方，应做非常良好可靠的电绝缘处理，具体可照图二。设计及施工时，除整体设置牺牲阳极外，在局部特殊的管段，
14、应加强保护，对于采用套管方式穿越公路、铁路和河流、湖泊时，在管道与套管结合部位的施工一定要确保电绝缘的效果，在套管两端的绝缘密封施工一定要严格把住质量与效果，严防地下水的渗入。当难以确保长期密封效果时，可考虑采用独立的阴极保护。管架上的钢管如采用在管道与支架之间的绝缘垫，则要注意材料在大气中的老化及管道热胀冷缩引起的机械移动，导致绝缘性的下降，导致阴极电流的流失，且应经常检查。在无套管穿越施工中，必须保证穿越层的土质松软无砖石，确保防腐层在穿越时不受损伤。在设计方面可以考虑增加阳极数量，确保保护效果。对穿越电气化铁路时，最好做接地电池防护。（四） 、资料显示和实践证明 ，牺牲阳极用于土壤电阻率
15、100M场合效果较好，当土壤电阴率大于100M时，则不宜采用牺牲阳极法的阴极保护。由于土壤上电阻率是牺牲阳极设计中很关键重要的参数，因此必须确保管道敷设地带的土壤电阻率的测量、选取正确，符合实际，特别当管道较长时，不同的地域土壤电阻率可能会有很大差异，为此必须对土壤进行准确的分析测试，不得采用就近或平均等方法选取。（五） 、测试桩的设置不能拘泥于规范要求，而应根据埋设环境，地理情况合理设置，应遵循宁多不缺的原则。在埋设环境变换处如套管处、异种金属连接处、新旧管道连接处、干线与支线管道连接处、杂散电流存在交汇处、距离阴极保护较远处等部位都应增加测试点，从而能更加及时、准确地了解管道不同部位的保护
16、效果。测试桩类型选择时，应根据位置、结构和需要而定，一般而言在距离牺牲阳极较远的地方，可设置电位测试桩，能方便地知道被保护管道的保护电位，并可以判断保护效果。而靠近阳极处，可设置综合测试桩，不但可以测量被保护管道的保护电位，还能通过测量牺牲阳极输出电流判断阳极消耗情况，使之能及时更换阳极来达到保护的期限和效果。（六） 、牺牲阳极在使用过程中应加强管理。使用单位应制定切实有效的管理制度并应贯彻落实，要做好燃气管道的日常巡检，对于埋地钢管的巡检重点应放在对牺牲阳极（如采用此法）测试桩技术数据的检查分析上，发现不正常时应立即采取有效措施，确保阴极保护的有效性。五、结束语城镇燃气埋地钢质管道只有采取良好的防腐层和合理的阴极保护措施并能实施有效监督管理，才能更好、更有效地控制腐蚀；也只有在设计施工，安装监督检验，运行管理等各个环节认真把关，严格执行规定、规范和标准要求，才能更好地控制腐蚀。在非金属燃气管道还不能全面取代钢质管道的今
