埋地管線陰極保護(hù) 

 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(yán)重的技術(shù)問題。腐蝕給各國的國民經(jīng)濟(jì)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(jì)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(dá)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(yùn)輸，它的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)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(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(duì)其進(jìn)行腐蝕狀態(tài)的檢查，構(gòu)成管道防腐蝕的難度。在嚴(yán)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(hù)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(rèn)的做法是采用外防護(hù)層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)措施。其中外防護(hù)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(hù)作為防護(hù)層防腐的補(bǔ)充手段，為防護(hù)層缺陷處的鋼管外表面提供電化學(xué)保護(hù)。電化學(xué)保護(hù)方法主要有兩種，一種是犧牲陽極陰極保護(hù)，一種是外加電源陰極保護(hù)。

 

        選擇一種其電極電位比被保護(hù)金屬更負(fù)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(hù)金屬從外部實(shí)現(xiàn)電連接，這種負(fù)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(hù)金屬陰極極化到所需要的電位范圍，從而抑制腐蝕，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，這就是犧牲陽極陰極保護(hù)。

 

        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(hù)，鋼管-金屬導(dǎo)線-鎂陽極-回填料-土壤-鋼管構(gòu)成了一個(gè)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?yàn)轵?qū)動(dòng)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(hù)電流小的管道。應(yīng)用犧牲陽極陰極保護(hù)時(shí)，陽極數(shù)量應(yīng)滿足總電流的需要，并能保證陽極設(shè)計(jì)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?yàn)楦稍锾帥]有水分在，無法形成閉合回路，陰極保護(hù)起不到作用，所以陽極應(yīng)埋在濕潤處，且陽極與被保護(hù)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(hù)方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

        2. 適用于無電源地區(qū)或短距離的管道；

        3. 對(duì)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(hù)費(fèi)用低；

        5. 管道的接地、保護(hù)兼顧；

        6. 日常管理工作量小。

 

        缺點(diǎn)有：

        1. 驅(qū)動(dòng)電位低，保護(hù)電流調(diào)節(jié)困難；

        2. 使用范圍受土壤電阻率的限制；

        3. 對(duì)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(qiáng)烈地區(qū)，將喪失保護(hù)作用；

        5. 保護(hù)時(shí)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(duì)陽極性能也有著重要的影響。目前，犧牲陽極法陰極保護(hù)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(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值為-2.37V，鎂及其合金相對(duì)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(hù)體組成的保護(hù)回路驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hù)金屬的狀態(tài)和環(huán)境的變化而自動(dòng)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(dá)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(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(yīng)用效果并不理想。

 

        將被保護(hù)管道與外加直流電源負(fù)極相連，由外部電源提供保護(hù)電流，以降低管道腐蝕速率的方法。外加電流陰極保護(hù)也稱作強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。優(yōu)點(diǎn)是：①驅(qū)動(dòng)電壓高，能夠靈活控制陰極保護(hù)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(hù)；④如果管道防腐絕緣層質(zhì)量良好，一座陰極保護(hù)站可以保護(hù)幾十公里的范圍；⑤對(duì)局部裸露或防腐絕緣層質(zhì)量較差的管道也能達(dá)到完全的保護(hù)。缺點(diǎn)是：①需要外部電源；②對(duì)鄰近的地下金屬設(shè)施易產(chǎn)生干擾；③維護(hù)技術(shù)較犧牲陽極保護(hù)復(fù)雜；④一次性投資費(fèi)用高。

 

        外加電流陰極保護(hù)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(jì)技術(shù)對(duì)比確定對(duì)埋地管道采用這種保護(hù)方式后，就要選擇站址，建立陰極保護(hù)站。一座外加電流陰極保護(hù)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(hù)站的“心臟”，它由提供保護(hù)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(diǎn)裝置、陽極地床、架空陽極線路或埋地電纜、測(cè)試樁、絕緣法蘭、均壓線等構(gòu)成，站外設(shè)施是陰極保護(hù)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(hù)站停止運(yùn)行或不能達(dá)到正常的保護(hù)效果。

 

        外加電流陰極保護(hù)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(hù)輔助陽極的主體材料，它有材料來源廣、施工方便、價(jià)格低廉、通過的電流幾乎不受限制等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，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(yùn)輸和安裝時(shí)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(hù)系統(tǒng)的陽極，目前在長輸管道和地下電纜的保護(hù)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(duì)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(diǎn)。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(jī)械性能與高硅鑄鐵相似，也具有硬、脆的特點(diǎn)。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(rèn)為是今后外加電流陰極保護(hù)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(gè)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(cè)量中用測(cè)試點(diǎn)的電位與這個(gè)電極的電位差來表示被測(cè)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(cè)量方便，精確度高，重復(fù)性好；④價(jià)格便宜。

 

    在埋地管道中的應(yīng)用情況在埋地管道陰極保護(hù)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(hào)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(dòng)控制。針對(duì)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(duì)恒電位儀基準(zhǔn)信號(hào)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。