阴极保护在长输管道的应用
摘要
本文主要介绍阴极保护的方法及管道安装阴极保护系统过程中应该注意的方面，做出了一套合理的南昌—樟树成品油管线阴极保护的施工方案。在A（城市）—B(城市)长输管线工程实际应用中,经电化学参数测量,阴极保护效果良好。
关键词 阴极保护；腐蚀；杂散电流
Abstract
This paper presents the cathodic protection method and pipeline cathodic protection system installed in the area should be noted, and has made a reasonable Nanchang - Zhangshu refined oil pipeline cathodic protection of the construction plan.in the practical application,about A - B long-distance pipeline project ,after the electrochemical measurement, the cathodic protection certificates well.
Key words cathodic protection ; corrosion;stray current
1 前言
目前,我国的石油、燃气资源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现,由于长输管道均采用埋地方式敷设,穿越地形、地段复杂,土壤性质各异,对管道存在着不同程度的腐蚀,如果能应用现代腐蚀理论和防腐技术,腐蚀造成的经济损失可以降低25% ～30%[ 1 ] 。这些管道埋设于地下,长期受到外部土壤和内部介质的强烈腐蚀而经常发生腐蚀泄漏事故,常常导致管道设备非计划性检修、更换和停产,造成了巨大的直接和间接的经济损失。因此地埋管道的腐蚀与保护越来越引起人们的重视。埋地管线的腐蚀原因主要有:土壤腐蚀、大气腐蚀和生物腐蚀3种。但是管道防腐层在生产、运输、施工中无法保证不受到任何损坏。另外,不可能将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。而且用于防腐绝缘层的各种材料,都不同程度地具备吸水和透气性,埋地后在土壤溶液作用下,管道防护层由于埋地时间长久而出现老化、发脆、剥离、脱落。如发生泄漏将造成不可估量的损失。因此,单纯地对埋地钢管采用防腐涂层的防护办法不能有效解决地埋管道腐蚀问题。采用管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防蚀措施。A（城市）—B（城市）成品油管道工程管道全长为96.8Km，管道规格和材质为φ323.9×6.4，L360。管道主要是环氧粉末外防腐层，在穿越段采用三层PE。
2 阴极保护系统设计
1.1 阴极保护方法
埋在土壤中的金属管道由于各种原因管道表面将出现阳极区和阴极区,并在阳极区发生局部腐蚀。阴极保护是指将被保护金属(如煤气管道)进行阴极极化,使电位负移到金属表面阳极的平衡电位,消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池,使金属免遭环境介质(如土壤)的腐蚀,即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀,从而达到延长被保护管道的使用寿命,提高其安全性和经济性的目的。使用阴极保护时,被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层,以降低阴极保护的费用。阴极保护技术根据保护电流的供给方式,可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。采用牺牲阳极法的主要优点有:无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其它建构筑物、保护电流利用率高等,因此特别适合于区域范围较小的埋地钢管腐蚀。强制电流法则有:保护范围大、适合范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点,故适合用于长输管线的防腐[ 2 ]。如应用于厂区范围内时,则由于其会产生干扰电流而影响其它管线及建筑物,且还需要征地或占用建筑物,在实施时会带来较大的困难。
1.2 设计要点
(1) 接地电池的设置。
电绝缘可以将保护电流限定在一定的范围内,避免相互间的干扰。为了防止绝缘设备遭受雷击及静电火花引起的破坏,在所有安装绝缘设备处各安装一副接地电池。接地电池安装前必须进行检查，在地下水丰富充足的地方，接地电池容易出现失效、短接的现象。
(2) 杂散电流的预防措施。
杂散电流能使地下管道产生强烈的电化学腐蚀。我国的行业标准规定,管道附近土壤中电位梯度大于0.5 mV /m时认为有干扰的可能,当电位梯度大于2.5 mV /m时应考虑采取防护措施。当管道在杂散电流处有1 cm2 的防腐层破损,且此处有1mA的杂散电流流出时,该处的腐蚀速度将达到1mm /月。在杂散电流干扰严重的地区,可以通过设置排流锌阳极组来减少杂散电流对管道的腐蚀和干扰。
(3) 穿跨越处的特殊保护。
公路和铁路穿越工程,由于承重,需要加设保护套管。理想的套管穿越,是主管道和套管之间两端用软性材料密封和中间安装绝缘支架,管道应与套管保持较好的电绝缘。但在实际工程中,很难做到这一点,出现没有阴极保护电流穿过套管壁流向套管内主管道表面,使得位于套管内的主管道处于自由腐蚀状态,而套管则得到很好保护。因此在套管内设计安装带状锌阳极保护,在管道上开凿一个合适的焊点,采用铝热焊方式把它焊接到管道上,焊点之间用捆扎胶带固定, 每个焊点都要做好防腐处理。带状阳极、输气管道和套管及支撑间,严禁有任何的电接触。
1.3 阴极保护设计方案
A（城市）—B（城市）管道沿线土壤电阻率变化大,最低25.1Ω•m,最高392.8 Ω •m,一般地段在40～60 Ω •m。沿线几处高压输电线路接地与管道距离较近,经过双参比电极法测试,杂散电流的电位梯度为2.8～5.4 mV /m。杂散电流干扰严重,管道沿线必须采取锌排流阳极并做牺牲阳极使用。
（1）理论计算
根据外加电流的阴极保护的设计规范,需要根据被保护管道的基本数据和选取的阴极保护参数计，算出保护长度、保护电流及所需的保护站数量,在此基础上进行系统设计。
基本数据:直径D = 323.9 mm,壁厚δ= 6.4 mm,管线全长96.8 Km。
阴极保护参数取值:
管道自然电位- 0.55 V(饱和硫酸铜) ,管道最低点电位- 0.85 V (饱和硫酸铜)， 通电点电位- 1.25 V (饱和硫酸铜) , 钢管电阻率ρT =0.166Ω•mm2 /m,
JS = 2×10-3 A /m2。
强制电流阴极保护的保护长度计算[ 3 ]如下:
其中, L 为单侧保护长度, m;ΔVL 为最大保护电位与最小保护电位之差, V; D 为管道外径, mm; D ′为管道外径,mm; JS 为保护电流密度,A /m2 ; R 为单位长度管道的纵向电阻,Ω /m;ρT为钢管电阻率,Ω•mm2 /m;δ为管道壁厚,mm。
计算结果：将设计参数代入公式计算，得单侧保护长度L=65.93Km 。
根据工程的实际情况,A（城市）—B（城市）全线共设置阴极保护站两个,分别是首站A（城市）和末站B（城市）。管道在穿越段设置带状锌阳极保护,沿线采用牺牲阳极即起到辅助保护，又可以排除管道上杂散电流和静电。
（2） 牺牲阳极布点的技术和施工要求
牺牲阳极在埋设时,与保护的管道的距离不宜小于0. 3 m,也不宜大于5 m,埋深应与管道埋深相同,并要在冰冻线以下,埋设深度不宜小于1 m，且直埋设在潮湿的土壤中。埋设形式可采用立式或卧式。在阳极与保护管道之间,严禁设置其它金属构筑物。[ 4 ]牺牲阳极可以通过测试桩与管道连接，目的是为了监测牺牲阳极自身的电化学参数，并且便于检测和掌握阴极保护系统运行后管道被保护状态。
阳极的埋设时应提前按比例配制、调匀好填料,装入Ф300 mm ×1 000 mm的棉或麻布袋中,将经过用铁砂纸打光及表面清洁处理的阳极及时插人填料中心位置并压实,用细原土掺盐分层浇水湿润后回填土。所有的电缆与阳极、铜鼻子的连接采用锡焊 ,焊接前都要剥去防腐绝缘层,清洁、打光焊接处;在焊接处及电缆的外裸部位必须做好绝缘防腐处理;电缆加PVC保护套管松缓自然埋设,埋深与管道埋深相同。
阳极连接管道的电缆颜色应与其它电缆颜色区分开,以便辩认检测。阳极的埋设点必须做永久性标志,永久性标志可以包括周围建筑物。
（3） 阴极保护系统的运行效果
经过对A（城市）—B（城市）长输管线阴极保护系统工程中的97个测试桩的管道保护电位进行测量,测量结果为- 0.95～ - 1.20 V (相对硫酸铜参比电极) 。由以上数据可知,南昌—樟树长输管道对地电位均低于- 0.85 V (相对硫酸铜参比电极) ,符合设计和规范的要求。
3 阴极保护系统的日常管理
(1) 每月测量一次全线管道保护电位，每季度测量一次阳极床接地电阻；
(2) 每天记录一次阴保间恒电位仪的保护电位、输出电压及输出电流，每月可交换A/B机工作，延长仪器工作寿命；
(3) 管道电流、电位测试桩注意保护，防止人为破坏，并且每年保养一次；
(4)所有测量数据需填写记录表，存档，以便查阅。
4 结语
本文联系阴极保护系统的理论与实际，通过具体的实例介绍了一种常用的管线阴极保护方法，其中实际应用中杂散电流腐蚀一直是阴极保护技术的一个难点,我们在杂散电流强度超过标准规定的地点都增设阳极,它不仅能排除杂散电流,还可以为管道提供一定的保护电流。实践证明为了使埋地管道有效的防腐,需要采取外加电流与牺牲阳极联合保护的方法。目前,联合保护已得到了广泛的应用,并取得了很好的效果。阴极保护不仅可使用于新管线的防护,也可应用于旧管线的改造和延寿。
参考文献
[ 1 ] 胡士信.管道阴极保护技术现状与展望[ J ]. 腐蚀与防护,2004, 25 (3) : 93～101.
[ 2 ] 胡士信.阴极保护工程手册. 北京:化学工业出版社,1999.
[ 3 ] SY/T0036—2000.埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范[S].
[ 4 ] SY/0019—97.埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范[S].
