阴极保护在独山子供水管线的应用研究

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【摘 要】 针对动力公司地下供水管网的阴极保护系统，阐述了阴极保护系统的工作原理、阴极保护装置的功能及特性，并对阴极保护系统各组成部分的操作、使用、维护和常见故障的排除进行了介绍。

【关键词】 阴极保护 供水管网

1 前言

独山子石化公司动力公司管辖4个水源地。这4个水源地是独山子石化公司工业用水的主要来源，因此水源地以及水源地与供水管道的运行状态对于公司生产的正常进行具有重要作用。独山子石化公司动力公司地下供水管网总长度约为152.7km。其输水管材以钢管为主，这些输水管网现有的腐蚀控制措施仅仅为沥青防腐层，且随着时间的推移，防腐层逐渐老化、失效而无法采取修补措施。随着管道腐蚀的进行，这些未施加有效腐蚀控制措施的管道将逐渐成为影响公司正常生产的事故隐患，这就需要对埋地钢管进行有效的防腐保护以消除隐患。

2 金属的电化学腐蚀机理

金属在水和氧存在的条件下由于电化学反应而产生的腐蚀称为电化学腐蚀。从外观上看，钢的材质是均一的，但是它在与土壤接触后，由于金属材料本身组织结构及表面物理状态的不均匀性，在金属表面形成许多阳极区和阴极区。金属被氧化的区域称为阳极或阳极区，在这一区域，电流（定义为正电荷流向）从金属的表面流向电解质，同时金属离子离开表面，这一电流通过电解质流向氧、水或其他物质被还原的区域，这个区域称作阴极或阴极区。阴阳极之间通过介质产生微电流，电子从阳极区向阴极区移动，阳极区失去电子，一部分金属就会成为离子溶于电解质中，使得阳极区金属受到腐蚀。

3 阴极保护原理

埋地金属管道的腐蚀属于电化学腐蚀，即金属表面与电解质发生电化学作用而产生破坏，反应如下：

阳极反应：

阴极反应：（酸性溶液中）

在金属表面施加防腐绝缘层（覆盖层）是一种物理防护方法，它通过金属表面的绝缘处理使金属与腐蚀介质隔离。这种防护方法是有效的，但在实际工程中不可能做到绝对可靠。电化学防腐则可以弥补防腐层的缺陷，它采用阴极极化的电化学方法保证了被保护金属的电化学均匀性。防腐层与电化学保护的同时使用被称为联合保护，是目前最经济合理的防腐措施。阴极保护可以将管道的寿命延长一倍而投资只占管道总投资的1%-2%左右，其经济、社会效益显著。阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法，其原理都是通过一个阴极保护电流源向因受到腐蚀或存在腐蚀而需要保护的金属体提供足够的与原腐蚀电流相反的保护电流，使之恰好抵消金属体内原来存在的腐蚀电流。两种保护方法的优、缺点见表1。

根据提供电流方式的不同，阴极保护可分为牺牲阳极阴极保护和外加（强制）电流阴极保护（ICCP）。从理论上说，外加电流法对于大型管线工程或所需要保护电流大的场合，具有投资少并能消除杂散电流等优点，但其电源问题难以落实且管理也是一个大问题。发达国家为协调诸如此类的工程问题而成立了“阴极保护协调委员会”，实行区域性保护。而在国内实施区域性保护则很不现实，故对于电阻率低、管道密集、被保护对象的面积和需要的保护电流小，或者没有电源的场合，宜采用牺牲阳极保护法。由于牺牲阳极材料和被保护钢管之间的电位差一般均在1.0V以内，故对周围管线和建筑物不会产生不良影响。此外，在某些情况下，为了取长补短，发挥各自优势，可以同时采用强制电流和牺牲阳极对被保护对象进行联合保护。

4 阴极保护基本过程

阴极保护技术就是通过向被保护的钢质管道通以足够的直流电流，使管道表面产生阴极极化，减小或消除造成钢质管道腐蚀的各种原电池的电极电位差，使腐蚀电流趋于零，进而达到阻止管道腐蚀的目的。阴极保护包括三个基本过程，即阴极过程、阳极过程和电流流动。

（1）阴极过程。阴极过程在被保护结构表面上进行，在中性介质中，在阴极区发生还原反应，阴极过程一般是O2的去极化过程：

2HO2+O2+4e4OH-

当阴极极化电位负移到一定电位时，会发生析氢反应：

2HO2+2eH2+2OH-

（2）阳极过程。阳极过程发生在辅助阳极表面，电流通过阳极流入电解质，并流入被保护结构。阳极区发生氧化反应，对于溶解性阳极材料而言，阳极过程是金属的溶解过程：M-neMN+

对于微溶性和不溶性阳极材料，阳极反应主要是析氧和析氯反应：

2HO2-4eO2+4H+ 2Cl-2eCl2

（3）电流流动。通过电解质中荷电离子的定向移动，在被保护结构和阳极间形成一定的电流，从而对金属结构起到保护作用。

下面用极化曲线简图说明阴极保护的原理，为了便于说明问题，可把阴极阳极极化曲线简化成直线，如图1所示。

根据电化学理论，金属的腐蚀速度可以用腐蚀电流来表示，即腐蚀电流I可以用下面公式表达：

I=（Ea-Ec）/R （1）

式中：I——腐蚀电流；Ea——阳极电位；Ec——阴极电位；R——电解质过渡电阻。

由公式可以看出，当R∞时，I0，这就是覆盖层作用的基本原理。覆盖层的作用就是把管道同电解质隔离开，使得腐蚀电流趋于零而达到管道防蚀目的，其对于防止金属的化学腐蚀也是行之有效的，因为管道与介质之间没有接触的机会，也就不存在发生化学反应的可能。但管道表面涂层是不完美的，涂层表面出现缺陷、破损、剥落，就会形成大阴极（覆盖部分）、小阳极（针孔或破损部分）的腐蚀电池，由于这一电池的作用，使腐蚀将集中在破损或针孔部位，直至产生严重的局部腐蚀。

从理论上或实际工程应用经验来看，单一采用涂层保护法不会有效的保证管道得到全面可靠的保护，仍然会造成管道遭受严重的局部腐蚀。因此在实际工程应用中一般不单独采用涂层对金属进行保护，而是结合阴极保护技术对金属进行联合保护。

根据上面公式（1）所示，可以看出为了降低埋地管道的腐蚀速度，即实现腐蚀电流I趋于零，可以采取措施使腐蚀原电池的电极电位ΔE差趋于零。阴极保护技术就是通过向被保护的钢质管道通以足够的直流电流，使管道表面产生阴极极化，减小或消除造成钢质管道土壤腐蚀的各种原电池的电极电位差，使腐蚀电流趋于零，进而达到阻止管道腐蚀的目的。实践也充分证明，采用阴极保护技术可以达到ΔE=0。

5 阴极保护系统的控制

每个外加电流阴极保护恒电位仪都采用有就地控制模式，设备自动运行。这种模式无需运行人员在现场长时间的停留，只需每月定时巡检时查看设备，记录数据。

当出现故障时，控制板上的显示灯亮，根据亮灯的组合方式，可获得故障类型。根据故障类型调节相应的元件。（1）过电压保护；恒电位仪设定了输出电压的最大值，当电压超出时，设备报警。（2）过电流保护；恒电位仪设定了输出电流的最大值，当电流超出时，设备报警。（3）断相报警；电源有断相时，设备报警。（4）欠保护报警功能；当发生欠保护后，设备不停机，但发出欠保护信号。

6 常见故障、原因分析及排除方法

（1）如果设备接入电源以后工作电流出现大幅度的电流震荡，此时可能是三相四线的380V电源的相序接入错误，只需要变换接入电源的U、V、W相序即可。

（2）如果设备接通电源后出现“电源指示灯”灭故障，缺相保护板CU3上的D25红灯点亮，是电源出现缺相故障，这时检查电源的输入是否正常，检查保险丝F1、F2、F3是否损坏。如果检查电源全部正常，可能是误报警，可关机从新启动，或者调节缺相保护版上的电位器VR1，逆时针调节直到D25熄灭！

（3）如果设备出现故障报警，并显示“过压报警”，请检查输出熔断器F5是否损坏！

（4）如果设备出现故障报警，并显示“过流报警”，请检查输出阴阳极是否出现短路状态！

（5）如果设备出现故障报警，并显示“过电位报警”，请检查接入到设备中的参比电极是否正常！

（6）如果在工作过程中参比显示有较大跳动，是由于参比引入了大量的交流干扰，请在参比电极和地之间并联接入一个大于或等于2.2UF的滤波电容！

（7）如果设备不能正常的在自动模式下工作，则可能是控制板上自动电路出现问题，或者是反馈的参比线号不准确照成的！这种状态下课选用手动模式运行！

（8）如果设备在手动和自动情况下都不能稳定的输出电流，或者输出会不断升高，则可能是控制板损坏，或者是电流反馈线接触不良照成的，请检查控制板（CU2）的con5端子上的线号为100和600的电压（0-75MV）是否正常！

（9）如果设备停止输出，故障灯点亮，液晶显示屏没有故障指示，而此时风机也在运行，此时可能是高温报警。此时检查可控硅有无损坏情况。

（10）如果设备在运行过程中，防雷模块“FD1”和“FD2”的正常指示“绿色”变成了损坏指示“红色”，这时说明防雷模块对设备进行过雷击防护，这时需要更换防雷模块。

参考文献：

[1]KHV-80A/80V恒电位仪说明书.

[2]中国石油独山子石化公司地下管网隐患治理―动力公司地下供水管网阴极保护工程.