摘要：中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司炼油厂的埋地水管网始建于上世纪6O年代初，目前已有近90％的埋地钢质管道的使用年限接近或超过了管道防护层的使用寿命，管道腐蚀泄漏时有发生。由于厂区埋地水管网分布广、管线错综复杂，为此采取了以外加电流阴极保护为主、镁合金牺牲阳极为辅的保护措施。共安装恒电位仪42台，采用80nl深的深井阳极地床，每井安装4组、每组含3支质量分数为50mg的高硅铸铁阳极。阴极保护于2006年10月完工，经测试，管网保护电位在一0．85~一1．50V，工作正常。采取阴极保护措施后，使管网腐蚀泄漏次数由87次/年降为45次/年。
关键词：埋地管道腐蚀腐蚀分析阴极保护
中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司炼油厂(以下简称炼油厂)始建于上世纪60年代初，共有埋地水管道930条，94．9km。管道采用金属材料。运行至今，许多埋地管腐蚀问题严重。通过腐蚀现状调查，炼油厂厂区(以下简称厂区)内管道的特点是38．6％的钢质管道接近覆盖层的使用寿命；有48％的钢质管道超过了覆盖层的使用寿命。据统计，漏点最多时一年有近100处，处理水漏需要费用约100万元，年，水量损失120200kt／a，造成了水资源的浪费。
另外厂区土壤电阻率很低，盐含量比厂区外高出几倍，存在着细菌腐蚀，属于化工污染强烈的强腐蚀性土壤区域。而且厂区地下管网涂层老化，破损处多，已不能对埋地金属管道形成有效防护。除一部分更换新管外，绝大多数管道正处于漏点多发时期，减轻和解决腐蚀问题已成为一个迫切需要解决的课题。
1管网地下管道腐蚀原因
大庆地区的水位较高，有的深挖2m左右就出水，所以该管道有相当一部分浸泡在非常潮湿的土壤中。根据该地区的有关土质资料介绍：该地区的土质一般呈中性或碱性。因为金属在土壤的腐蚀与电解液中腐蚀本质是一样的。大多数的金属在土壤中的腐蚀属于氧去极化腐蚀。
地形变化、躲避地下障碍等原因使其管道沿路埋深不断的变化，加之管道所途经地段土壤含气状况不尽相同，造成长距离管道各段土壤中氧含量的不同，这对于那些防腐蚀层破损的管段，将会形成氧浓差电池。对于土壤埋设较深的管段，由于氧含量相对埋深较浅的管段来说较低，成为阳极被腐蚀。
直埋管道的混凝土固定墩也存在着氧浓差电池。由于热胀冷缩使钢管与混凝土脱层并产生缝隙，此时缝隙内的氧含量远低于土壤中的氧含量。造成这种情况首先是因为土壤中的氧进入此缝隙比较困难，其次是缝隙内其它形成的腐蚀(如温差、盐差、缝隙腐蚀)在不断消耗着缝隙内的大量氧。这就形成了氧浓差电池，混凝土与土壤界面附近的管道导电回路最短，被优先腐蚀。
管网中经常同时出现直埋与架空两种敷设方式，当管道由架空转入地下，或由地下转出架空时，无论哪种情形都会出现直埋出(入)地管段与地面相交的现象，这将出现类似前述的“水线”腐蚀。这里靠近地面的管道部分富氧为阴极，离地面相对较远的管道部分贫氧为阳极，同理腐蚀最严重的部位是距地面较近的属于阳极的那部分地下管道。其实这种现象生活中也经常能见到，如穿墙的暖气管或自来水管在与墙体交界处的腐蚀总是最严重的。
该管道有部分裸露在大气中，对管道使用是不利的。在此电池中，浸没在水线以下相对较深的金属部分贫氧，电极电位较低成为阳极加速腐蚀；而水位线附近的金属富氧，电极电位较高成为阴极，腐蚀速率减缓，甚至停止。之所以只在水位线附近发生严重腐蚀，是因为在此电极体系中，水位线附近导电回路最短，电流总是流经电阻最小通路的缘故。所以腐蚀主要集中发生在阳极边缘的“水线”附近。
2管道防腐蚀措施
对于解决旧埋地管道的腐蚀问题，将管道挖出重新进行完整的涂层保护是不现实的，这既要耗费大量资金又不能根本地解决问题。炼油厂现有运行的管道属于埋地管道，要想控制管道的腐蚀现有的方法只能进行阴极保护控制。
所谓阴极保护技术就是向被保护的钢管通以足够的直流电流(阴极电流)，对钢质管道外表面进行阴极极化，降低钢质管道在土壤中的腐蚀电位，使腐蚀电流减小甚至趋于零，进而达到彻底阻止管道腐蚀的目的。这是一项成熟的技术，采用涂层和阴极保护联合防腐蚀手段，可延长地下管道的使用寿命一倍至几倍。
实施阴极保护的费用只占埋地管线造价的l％~3％，而管线的使用寿命却可以成倍地延长，因此这项技术正被越来越多的人所认识，并得到越来越广泛的应用。
3阴极保护实施方案
由于厂区埋地水管道分布面积较大，方圆约20km2，并且错综复杂，管径为1020—100mm。另外，厂区属于防爆区在技术上实施阴极保护要求是比较高的。通过设计核算，在上述埋地水管网平均分布了42处阴极保护点，各点自成体系又相互联系，确保能够覆盖整个埋地管网。
3．1阴极保护方法分类根据直流电流的来源不同，阴极保护技术分为牺牲阳极和外加电流两种保护法。两种方法由于供电来源和系统组成存在差异，各有其特点。
3．2设计思路
埋地管道的防腐蚀保护方法的选择既要考虑技术的先进、可靠性，又要考虑经济的合理性，并考虑沿线土壤的腐蚀性、管道材质、管道布局等。所以在进行防腐蚀设计前，必须对现场环境因素进行调查，以确定埋地管道防腐蚀设计方案。经过对厂区内的腐蚀调查，对厂区输水管网及其腐蚀现状有了详尽的了解。厂区内管网运行多年、涂层破损严重、腐蚀环境恶劣，需要很大保护电流，所以应选择外加电流法为主的保护方法；炼油厂区内管道密集、纵横交错，再加上工业建筑基础、储罐基础、输配电网、接地网，构成了极其复杂的地下金属结构网络，所以应设计使用深井阳极地床的辅助阳极，以解决进行阴极保护时复杂金属网络的屏蔽问题。
方案的设计思路是，以采用80m深井阳极地床的外加电流阴极保护为主，对地下输水管网中的钢质管道实施保护，在各别屏蔽的欠保护区域辅助以镁合金牺牲阳极保护。
3．3技术指标
(1)有效保护年限20年；
(2)在有效保护期内，管道的保护电位不高于一0．85V(相对于Cu／CuSO。参比电极)，全厂区的电位达标率超过95％；
(3)在有效保护期内，管道的保护度高于90％；
(4)在有效保护期内，被保护的管道的漏点数量逐渐减少，在原腐蚀严重部位之外不再新发生腐蚀穿孔。
3．4设计依据
(1)SY／T0019—97(埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》；
(2)GB／T17731—1999(镁合金牺牲阳极>；
(3)SY0007—1999(钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》；
(4)SY／T0036—2000(埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》；
(5)新绘制的厂地下管网图纸；
(6)管道台帐。
3．5计算说明
(1)保护对象：炼油厂管道总长达94．9km，钢质和铸铁管道外表总面积达1050dam2；
(2)保护电流密度的选取和保护电流的计算：金属构件施加阴极保护时，使金属达到完全保护时所需要的电流密度为最小保护电流密度，在设计时称为阴极保护电流密度，选取的阴极保护电流密度大小是影响金属构件防蚀效果的主要参数，它与最小保护电位(钢为一0．85V)相对应。如果选取的保护电流密度偏低，会造成保护不足，金属构件达不到全保护，产生不同程度的腐蚀；反之，将会造成不必要的材料和施工的投入。阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、表面防腐蚀涂层的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等。这些因素的差异可使阴极保护电流密度由几个μA/rn2变化到数百个μmA／m2。根据以往的工程经验和综合考虑两厂区的实际情况，在炼油厂区选取阴极保护电流密度为i=7mA／m2。结合“保护对象”中所给出的保护面积，计算厂区管线所需保护电流为：I=2．5i×s=2．5×7×10．5=1838(A)
3．6电源设备及阳极地床
(1)外加电流系统整流器：每座阳极地床采用一台75A／75V恒电位仪供电。考虑到外加电流系统余量以及厂区的实际情况，根据所需保护电流安装恒电位仪42台。
(2)阳极地床：阳极地床采用深井阳极地床，井深80m，每眼井安装组合阳极体4支，单支规格为Ø377mm×6000mm。每支组合阳极体内含3支规格为Ø75mm×1200mm、重量为50kg／支的高硅铸铁阳极。
3．7均压保护
均压保护就是采用电缆或镀锌扁钢将同沟铺设、近距离平行或交叉走向的被保护管道，以及非焊接连接的同一条被保护管段间电性连接起来，达到均衡管道电位的目的。这种技术的实施，可减小管道之间的电位差，确保电位分布均匀，防止杂散电流腐蚀，扩大阴极保护范围。厂区设均压线98处。
3．8阴极保护监测
为进行阴极保护系统的日常管理，及时可靠地掌握地下管网的腐蚀情况，需设计安装测试系统。厂区共设立82个电位综合测试桩，用于在保护期间内测量管道的保护电位。
3．9镁合金牺牲阳极
由于厂区装置地基和罐区的屏蔽影响，以及距离阳极井太远使之部分支线管道出现保护不足，所以在以外加电流保护为主的系统中辅以镁合金牺牲阳极保护，解决局部保护不足问题。厂区共埋设210支镁合金阳极。
4阴极保护配置
2006年5月施工，2006年10月结束。安装恒电位仪42台，打80m深井42口，安装组合阳极体160支，测试装置 82套 ，均压线 98处 ；埋设镁合金牺牲阳极 210支 ；埋设保护效果检查片 2套。
5 效果
2006年 10月炼油厂埋地水管网阴极保护正式投入运行。该系统达到了SY／T0036—2000《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规定》的设计要求，保护电位在一0．85～一1．5V范围内，阳极地床接地电阻正常，恒电位仪输出稳定，工作正常。但是由于埋地管道的防腐蚀层的破损程度不同，造成的电能的消耗也各不相同。从阴极保护技术投用到2007年3月，炼油厂埋地水管网共发生泄漏45次，而2005年9月至2006年3月共发生泄漏87次。泄漏次数明显减少，并且呈逐月递减趋势。说明阴极保护的工作状况良好，能够减缓管道的腐蚀速度。
6结论
通过对埋地金属管网的防腐蚀措施与强制电流阴极保护技术的综合应用，表明把埋地管网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。其优点是：输出电压连续可自动调节，保持恒定保护电位；保护范围大，能够覆盖整个埋地管网；42个阴极保护系统平均分布在整个管网上，单个系统占地面积小，施工选址容易，适合对老厂区埋地管网追加阴极保护的情况。阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，在安全性和经济性方面能够达到最优组合，是目前公认的最佳防腐蚀方案。
