埋地管線(xiàn)陰極保護 

 金屬腐蝕是非常普遍的現象，在日常生活及工農業(yè)生產(chǎn)及國防建設中都己成為普遍而嚴重的技術(shù)問(wèn)題。腐蝕給各國的國民經(jīng)濟所造成的損失是巨大的，根據調查，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(xiàn)是埋在地下的大的鋼鐵構件，可長(cháng)達幾千公里，穿越各種不同類(lèi)型的土壤和河流湖泊，廣泛應用于能源資源運輸，它的運行可靠性和穩定性對于國民經(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(huì )發(fā)生腐蝕，土壤冬、夏季的凍結與融化，地下水位變化，以及雜散電流等復雜的埋設條件是造成外腐蝕的環(huán)境。管道內輸送介質(zhì)的腐蝕性差異也很大。管道埋設于地下，很難直觀(guān)地對其進(jìn)行腐蝕狀態(tài)的檢查，構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，造成很大的損失。因此，埋地管線(xiàn)的保護是長(cháng)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(gè)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(yáng)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(shí)現電連接，這種負電位的活潑金屬在所構成的電化學(xué)電池中作為陽(yáng)極而優(yōu)先腐蝕溶解，故被稱(chēng)為犧牲陽(yáng)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(shí)現保護，這就是犧牲陽(yáng)極陰極保護。

 

        鋼質(zhì)管道通過(guò)與埋設于同一土壤中的犧牲陽(yáng)極（鎂陽(yáng)極）保持電連接而得到陰極保護，鋼管-金屬導線(xiàn)-鎂陽(yáng)極-回填料-土壤-鋼管構成了一個(gè)完整的電流回路。犧牲陽(yáng)極的輸出電流取決于土壤電阻率，因為驅動(dòng)電壓低，犧牲陽(yáng)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。應用犧牲陽(yáng)極陰極保護時(shí)，陽(yáng)極數量應滿(mǎn)足總電流的需要，并能保證陽(yáng)極設計的壽命。鎂陽(yáng)極用于土壤電阻率小于150Ω·m的土壤中，鋅陽(yáng)極用于土壤電阻率小于15Ω·m的土壤中。因為干燥處沒(méi)有水分在，無(wú)法形成閉合回路，陰極保護起不到作用，所以陽(yáng)極應埋在濕潤處，且陽(yáng)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(yáng)極均應埋在冰凍線(xiàn)以下。

 

        犧牲陽(yáng)極保護方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

        1. 保護電流的利用率較高，不會(huì )發(fā)生過(guò)保護；

        2. 適用于無(wú)電源地區或短距離的管道；

        3. 對鄰近的地下金屬設施無(wú)干擾影響；

        4. 施工技術(shù)簡(jiǎn)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(diǎn)有：

        1. 驅動(dòng)電位低，保護電流調節困難；

        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(shí)施困難；

        4. 在雜散電流干擾強烈地區，將喪失保護作用；

        5. 保護時(shí)間受犧牲陽(yáng)極壽命的限制。

 

        犧牲陽(yáng)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(yáng)極性能也有著(zhù)重要的影響。目前，犧牲陽(yáng)極法陰極保護常用的陽(yáng)極材料有：

        1. 鎂及鎂合金陽(yáng)極  鎂是活潑的堿土金屬元素，25℃時(shí)的標準電極電位值為-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(yáng)極材料中，鎂與鋼鐵類(lèi)被保護體組成的保護回路驅動(dòng)電壓大。鎂陽(yáng)極的表面小易極化，腐蝕產(chǎn)物疏松、易脫落。因此，鎂是應用廣的犧牲陽(yáng)極材料。鎂陽(yáng)極一般應用于電阻率比較高的土壤或淡水中。

        2. 鋅及鋅合金陽(yáng)極  鋅是早使用的犧牲陽(yáng)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(yáng)極，并已廣泛用于工程實(shí)際之中。鋅合金有較高的電流效率，電位穩定，陽(yáng)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(dòng)調節，不僅可用于低電阻率土壤中，還可以用于海洋中。

鋁合金陽(yáng)極  鋁合金陽(yáng)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(yáng)極來(lái)源充足，制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)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(chēng)作強制電流陰極保護。優(yōu)點(diǎn)是：①驅動(dòng)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(yáng)極材料可作長(cháng)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(diǎn)是：①需要外部電源；②對鄰近的地下金屬設施易產(chǎn)生干擾；③維護技術(shù)較犧牲陽(yáng)極保護復雜；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(cháng)距離輸送管道的外壁防腐。根據經(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，由電源設備和站外設施兩部分組成。電源設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備及其附屬設施（如交、直流配電系統）構成。站外設施包括匯流點(diǎn)裝置、陽(yáng)極地床、架空陽(yáng)極線(xiàn)路或埋地電纜、測試樁、絕緣法蘭、均壓線(xiàn)等構成，站外設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(yáng)極有以下幾種：

        1. 鋼鐵陽(yáng)極  鋼鐵陽(yáng)極是我國管道陰極保護輔助陽(yáng)極的主體材料，它有材料來(lái)源廣、施工方便、價(jià)格低廉、通過(guò)的電流幾乎不受限制等優(yōu)點(diǎn)。鋼鐵陽(yáng)極屬于易溶性陽(yáng)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(diǎn)，需定期更換。

 

        2. 高硅鑄鐵陽(yáng)極  高硅鑄鐵是一種常用的陽(yáng)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(shí)要特別注意。高硅鑄鐵陽(yáng)極是一種難溶性陽(yáng)極材料，被廣泛應用在海水、淡水及含氯化物的土壤環(huán)境中。高硅鑄鐵陽(yáng)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(yáng)極  石墨陽(yáng)極作為外加電流陰極保護系統的陽(yáng)極，目前在長(cháng)輸管道和地下電纜的保護中得到較普遍的應用。石墨是耐蝕材料，與可溶性陽(yáng)極比較屬難溶性陽(yáng)極，因一次施工后一般不需要更換，所以也稱(chēng)“永久性陽(yáng)極”。石墨陽(yáng)極的石墨化化程度應≥81%，灰份應<0.5%。為提高石墨陽(yáng)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(yáng)極脹裂而過(guò)早失效或表面氣體的析出及碳的氧化，浸漬后的陽(yáng)極壽命可延長(cháng)50%。石墨陽(yáng)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(yáng)極  磁性氧化鐵陽(yáng)極有消耗低、使用壽命長(cháng)、受溫度變化影響小的優(yōu)點(diǎn)。磁性氧化鐵陽(yáng)極的電阻率很低，允許通過(guò)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(diǎn)。這種陽(yáng)極特別使用與土壤中，也可應用于海水或淡水中，被認為是今后外加電流陰極保護有前途的陽(yáng)極材料。磁性氧化鐵陽(yáng)極制造工藝較為困難，是的世界上只有為數不多的幾個(gè)國家可以生產(chǎn)。

 

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

 

    在埋地管道中的應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(guò)度，因此需要經(jīng)常添加硫酸銅溶液。特別是冬季寒冷地區容易凍結，影響恒電位儀的連續自動(dòng)控制。針對這種問(wèn)題，我國已經(jīng)研制出了長(cháng)效埋地型硫酸銅電極，可作為長(cháng)期對恒電位儀基準信號取值的參比電極。長(cháng)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(wèn)題。