埋地管線陰極保護 

 金屬腐蝕是非常普遍的現(xiàn)象，在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國防建設(shè)中都己成為普遍而嚴重的技術(shù)問題。腐蝕給各國的國民經(jīng)濟所造成的損失是巨大的，根據(jù)調(diào)查，腐蝕所造成的直接經(jīng)濟損失竟然占國民生產(chǎn)總值的1%-4%。埋地管線是埋在地下的大的鋼鐵構(gòu)件，可長達幾千公里，穿越各種不同類型的土壤和河流湖泊，廣泛應(yīng)用于能源資源運輸，它的運行可靠性和穩(wěn)定性對于國民經(jīng)濟和人民生活有密切的關(guān)系。金屬管道在土壤環(huán)境中會發(fā)生腐蝕，土壤冬、夏季的凍結(jié)與融化，地下水位變化，以及雜散電流等復(fù)雜的埋設(shè)條件是造成外腐蝕的環(huán)境。管道內(nèi)輸送介質(zhì)的腐蝕性差異也很大。管道埋設(shè)于地下，很難直觀地對其進行腐蝕狀態(tài)的檢查，構(gòu)成管道防腐蝕的難度。在嚴重的情況下，管道腐蝕穿孔，油氣泄露而引起火災(zāi)，造成很大的損失。因此，埋地管線的保護是長期安全生產(chǎn)的必要措施。

 

        為控制埋地鋼質(zhì)管道在土壤中的電化學(xué)腐蝕，公認的做法是采用外防護層和陰極保護聯(lián)合防護措施。其中外防護層是主要防腐手段，即在鋼管和腐蝕介質(zhì)之間建立一個絕緣隔離層，避免腐蝕介質(zhì)和鋼管接觸，從根本上防止鋼管的電化學(xué)腐蝕；陰極保護作為防護層防腐的補充手段，為防護層缺陷處的鋼管外表面提供電化學(xué)保護。電化學(xué)保護方法主要有兩種，一種是犧牲陽極陰極保護，一種是外加電源陰極保護。

 

        選擇一種其電極電位比被保護金屬更負的活潑金屬（合金），把它與共同置于電解質(zhì)環(huán)境中的被保護金屬從外部實現(xiàn)電連接，這種負電位的活潑金屬在所構(gòu)成的電化學(xué)電池中作為陽極而優(yōu)先腐蝕溶解，故被稱為犧牲陽極，釋放出的電流使被保護金屬陰極極化到所需要的電位范圍，從而抑制腐蝕，實現(xiàn)保護，這就是犧牲陽極陰極保護。

 

        鋼質(zhì)管道通過與埋設(shè)于同一土壤中的犧牲陽極（鎂陽極）保持電連接而得到陰極保護，鋼管-金屬導(dǎo)線-鎂陽極-回填料-土壤-鋼管構(gòu)成了一個完整的電流回路。犧牲陽極的輸出電流取決于土壤電阻率，因為驅(qū)動電壓低，犧牲陽極只能用在電阻率較低的土壤中，適用于所需保護電流小的管道。應(yīng)用犧牲陽極陰極保護時，陽極數(shù)量應(yīng)滿足總電流的需要，并能保證陽極設(shè)計的壽命。鎂陽極用于土壤電阻率小于150Ω·m的土壤中，鋅陽極用于土壤電阻率小于15Ω·m的土壤中。因為干燥處沒有水分在，無法形成閉合回路，陰極保護起不到作用，所以陽極應(yīng)埋在濕潤處，且陽極與被保護距離一般為2-3m，埋深不小于1m，所有埋地的犧牲陽極均應(yīng)埋在冰凍線以下。

 

        犧牲陽極保護方式有以下優(yōu)點：

        1. 保護電流的利用率較高，不會發(fā)生過保護；

        2. 適用于無電源地區(qū)或短距離的管道；

        3. 對鄰近的地下金屬設(shè)施無干擾影響；

        4. 施工技術(shù)簡單，安裝及維護費用低；

        5. 管道的接地、保護兼顧；

        6. 日常管理工作量小。

 

        缺點有：

        1. 驅(qū)動電位低，保護電流調(diào)節(jié)困難；

        2. 使用范圍受土壤電阻率的限制；

        3. 對大口徑、裸露或防腐絕緣差的管道實施困難；

        4. 在雜散電流干擾強烈地區(qū)，將喪失保護作用；

        5. 保護時間受犧牲陽極壽命的限制。

 

        犧牲陽極材料的選擇主要是看合金的性能及其化學(xué)成分，特別是合金元素的含量和雜質(zhì)的含量。合金的金相組織對陽極性能也有著重要的影響。目前，犧牲陽極法陰極保護常用的陽極材料有：

        1. 鎂及鎂合金陽極  鎂是活潑的堿土金屬元素，25℃時的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值為-2.37V，鎂及其合金相對于鋼鐵有高的有效電位差，在所有的陽極材料中，鎂與鋼鐵類被保護體組成的保護回路驅(qū)動電壓大。鎂陽極的表面小易極化，腐蝕產(chǎn)物疏松、易脫落。因此，鎂是應(yīng)用廣的犧牲陽極材料。鎂陽極一般應(yīng)用于電阻率比較高的土壤或淡水中。

        2. 鋅及鋅合金陽極  鋅是早使用的犧牲陽極材料，它與鋼鐵的有效電壓只有0.20V-0.25V。我國已成功研制出低合金化的鋅合金犧牲陽極，并已廣泛用于工程實際之中。鋅合金有較高的電流效率，電位穩(wěn)定，陽極輸出電流隨被保護金屬的狀態(tài)和環(huán)境的變化而自動調(diào)節(jié)，不僅可用于低電阻率土壤中，還可以用于海洋中。

鋁合金陽極  鋁合金陽極單位重量發(fā)出的有效電量大，理論電容量可達2980A·h/kg，大約是鋅的3.6倍，鎂的1.35倍。鋁合金犧牲陽極來源充足，制備工藝簡單，價格低廉，便于安裝，在海水中使用是比較理想的材料，但是在土壤中應(yīng)用效果并不理想。

 

        將被保護管道與外加直流電源負極相連，由外部電源提供保護電流，以降低管道腐蝕速率的方法。外加電流陰極保護也稱作強制電流陰極保護。優(yōu)點是：①驅(qū)動電壓高，能夠靈活控制陰極保護電流的輸出；②在惡劣的腐蝕條件下或高電阻率的環(huán)境中適用；③使用不溶性陽極材料可作長期陰極保護；④如果管道防腐絕緣層質(zhì)量良好，一座陰極保護站可以保護幾十公里的范圍；⑤對局部裸露或防腐絕緣層質(zhì)量較差的管道也能達到完全的保護。缺點是：①需要外部電源；②對鄰近的地下金屬設(shè)施易產(chǎn)生干擾；③維護技術(shù)較犧牲陽極保護復(fù)雜；④一次性投資費用高。

 

        外加電流陰極保護方式，特別適用于大口徑長距離輸送管道的外壁防腐。根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)對比確定對埋地管道采用這種保護方式后，就要選擇站址，建立陰極保護站。一座外加電流陰極保護站，由電源設(shè)備和站外設(shè)施兩部分組成。電源設(shè)備是外加電流陰極保護站的“心臟”，它由提供保護電流的直流設(shè)備及其附屬設(shè)施（如交、直流配電系統(tǒng)）構(gòu)成。站外設(shè)施包括匯流點裝置、陽極地床、架空陽極線路或埋地電纜、測試樁、絕緣法蘭、均壓線等構(gòu)成，站外設(shè)施是陰極保護站不可缺少的組成部分，缺少其中任何一部分都將使陰極保護站停止運行或不能達到正常的保護效果。

 

        外加電流陰極保護常用的輔助陽極有以下幾種：

        1. 鋼鐵陽極  鋼鐵陽極是我國管道陰極保護輔助陽極的主體材料，它有材料來源廣、施工方便、價格低廉、通過的電流幾乎不受限制等優(yōu)點。鋼鐵陽極屬于易溶性陽極，理論消耗率為9.1-10kg/(A·a)，因此也存在使用壽命短的缺點，需定期更換。

 

        2. 高硅鑄鐵陽極  高硅鑄鐵是一種常用的陽極材料，外形與鑄鐵相似，非常脆、硬，不能用普通的方法加工，因而在運輸和安裝時要特別注意。高硅鑄鐵陽極是一種難溶性陽極材料，被廣泛應(yīng)用在海水、淡水及含氯化物的土壤環(huán)境中。高硅鑄鐵陽極的允許電流密度為5-80A/m2，理論消耗率<0.5kg/(A·a)。

 

        3. 石墨陽極  石墨陽極作為外加電流陰極保護系統(tǒng)的陽極，目前在長輸管道和地下電纜的保護中得到較普遍的應(yīng)用。石墨是耐蝕材料，與可溶性陽極比較屬難溶性陽極，因一次施工后一般不需要更換，所以也稱“永久性陽極”。石墨陽極的石墨化化程度應(yīng)≥81%，灰份應(yīng)<0.5%。為提高石墨陽極的耐蝕性，可用石蠟或亞麻油對其浸漬，以降低氣孔，抑制可能引起的陽極脹裂而過早失效或表面氣體的析出及碳的氧化，浸漬后的陽極壽命可延長50%。石墨陽極的允許電流密度為5-10A/m2，理論消耗率＜0.6kg/(A·a)。

        4. 磁性氧化鐵陽極  磁性氧化鐵陽極有消耗低、使用壽命長、受溫度變化影響小的優(yōu)點。磁性氧化鐵陽極的電阻率很低，允許通過的電流密度為20-50A/m2，理論消耗率為0.02-0.15kg/(A·a)，其機械性能與高硅鑄鐵相似，也具有硬、脆的特點。這種陽極特別使用與土壤中，也可應(yīng)用于海水或淡水中，被認為是今后外加電流陰極保護有前途的陽極材料。磁性氧化鐵陽極制造工藝較為困難，是的世界上只有為數(shù)不多的幾個國家可以生產(chǎn)。

 

    參比電極是一種電位恒定的從準(zhǔn)電極，在電位測量中用測試點的電位與這個電極的電位差來表示被測管道的電位值。參比電極的性能要求：①極化小、穩(wěn)定性好、壽命長；②易制作，攜帶方便；③測量方便，精確度高，重復(fù)性好；④價格便宜。

 

    在埋地管道中的應(yīng)用情況在埋地管道陰極保護中多采用可逆不極化硫酸銅參比電極，用硫酸銅參比電極和恒電位儀組成自控信號源。但由于液態(tài)硫酸銅參比電極的密封性處理不好，經(jīng)常造成滲漏過度，因此需要經(jīng)常添加硫酸銅溶液。特別是冬季寒冷地區(qū)容易凍結(jié)，影響恒電位儀的連續(xù)自動控制。針對這種問題，我國已經(jīng)研制出了長效埋地型硫酸銅電極，可作為長期對恒電位儀基準(zhǔn)信號取值的參比電極。長效埋地型硫酸銅參比電極由兩部分組成：一是電極本身；二是為改善電極工作環(huán)境的填包料。用導(dǎo)電填包料取代硫酸銅電極中溶液的作用，因而克服了溶液的滲漏和防凍問題。