城市燃气管道阴极保护技术的应用探讨
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摘要：阴极保护技术是一项很成熟的防腐蚀措施，利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的，对提高管道使用寿命，促进管道安全运行具有重要的意义。为确保阴极保护施工质量，通过对其方法、作用、控制要点等进行了分析，对今后管道安装阴极保护施工起到了指导的作用。
关键词：燃气管道； 阴极保护 ；牺牲阳极法；外加电流
中图分类号： TK229.8 文献标识码： A 文章编号：
随着城镇燃气地下管网的迅速发展，钢质管道的腐蚀与防护问题也日益突出。为了延长埋地钢质管道的使用寿命，确保燃气安全生产、输送和使用，促进科技发展，保护人民的生命和财产安全，我国GB/T21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》和CJJ 95-2003 《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》标准明确规定：（1）所有新建钢质管道必须必须采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统，管道运行期间阴极保护不应间断；（2）已建带有防腐层的管道应逐步追加阴极保护。
钢质埋地燃气管道的腐蚀原因可分为电化学腐蚀﹑土壤杂散电流的腐蚀﹑化学腐蚀﹑土壤细菌作用的腐蚀。这四种腐蚀成因往往是同时作用于管道上, 而其中危害最大的是电化学腐蚀, 因腐蚀的不均匀性, 是造成管道的腐蚀穿孔泄漏的元凶。目前广泛采用的绝缘层防腐法是通过将管道与作为电解质的土壤隔开, 并增大管道与土壤间的电阻减小腐蚀电流而达到防腐目的, 但因绝缘层防腐法自身技术缺陷及工艺水平、 材料性能的局限性, 单一的方法不能根本性地消除管道的电化学腐蚀; 阴极保护法是根据电化学腐蚀原理, 使埋地钢管全部成为阴极区而不被腐蚀的, 是埋地钢管重要的防腐方法, 且应与绝缘层防腐法同时使用, 一旦绝缘层被破坏, 阴极保护法也很难奏效。实践证明, 城市燃气管线外防腐采用涂覆绝缘防腐层加阴极保护的所谓“双保护技术”是行之有效的, 管线安全性得到了更可靠的保证, 管线使用寿命较只涂覆绝缘防腐层延长一倍以上, 事故明显减少, 经济效益得到很大提高。
二、阴极保护的方法
阴极保护就是对其被保护的金属施加一定的阴极电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效的抑制。根据其提供阴极电流的方式不同，可分为牺牲阳极法和外加电流法两种, 两种阴极保护方法的特点比较见表1。前者是将一种电位更负的金属或合金与被保护金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断消耗溶解，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。常用的牺牲阳极品种有镁基、锌基和铝基合金3类。后者是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，从而使腐蚀得到抑制。强制电流法阴极保护系统由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。常用的辅助阳极有高硅铸铁阳极、石墨阳极、钢铁阳极、柔性阳极、金属氧化物阳极等。
表1阴极保护方法的特点比较
三、阴极保护方法的选择
阴极保护方式有牺牲阳极保护法和外加电流保护法两种形式。 这两种保护方式的选择需要考虑到被保护的管道的涂层状况、管道沿线土壤的腐蚀性、是否对相邻地下管道或金属构筑物构成破坏、阴极保护的经济性等因素。由于城市地下管道纵横交错，如果采用外加电流保护法，由于保护电流较大,所形成的电流回路会加速对未采用阴极保护的相邻管道造成电化学腐蚀。另外，城市燃气管网的建设是分期分批进行的，每次建设的距离十分有限，对每段都单建一个保护站也是十分不经济的。 而牺牲阳极保护法对临近管道影响较小，对短距离的管线来说非常经济!施工非常方便。因此根据城市燃气管网的建设特点并考虑到尽量减少对其他管道的影响，宜采用牺牲阳极法对其实施阴极保护。距城区较远的长距离外环燃气管道，在不影响其它周围金属构筑物的前提下，采用外加电流保护方式是可行的，也经济实用。
四、阴极保护法的控制要点
为了有效防止埋地钢管的电化学腐蚀，充分发挥牺牲阳极法阴极保护的作用，提高保护的有效性，必须正确把握牺牲阳极法阴极保护的设计施工和使用管理等各个环节。
1、设计环节
设计上的控制主要是在选择合适的电流密度，测试施工区域的土壤特性后进行阳极种类的选择，工艺计算（阳极接地电阻输出电流阳极数量工作寿命）和安装方式的确定。
（1）阳极种类的选择
通常的做法是根据环境土壤的电阻率大小选择牺牲阳极的种类，再根据保护电流的大小选取阳极规格城镇燃气管网中，一般而言，普通土壤环境下多使用棒形镁或锌阳极，高电阻率土壤环境下可使用带状镁阳极。
（2）工艺计算
通过工艺计算可以求得需保护管道阳极接地电阻，阳极的输出电流，所需阳极的数量及阳极工作寿命，为阳极的安装施工及后期管理提供理论依据需要注意的是在接地电阻计算时，应考虑有无填料及安装方式；在阳极输出电源计算时，必须正确计算出阳极总电阻；阳极数量的计算应注意要选取合适的备用系数
（3）阳极安装方式的选择
为确保阳极在土壤中的性能稳定，需考虑在阳极四周辅以化学填料包，它能改善阳极的工作环境，降低接地电阻，增加阳极电流输出，减小不必要的阳极极化及维持阳极地床长期湿润；填料包应在各个方面均保持5-10cm为宜；化学填料包应选用电阻率低，渗透性保湿性好，不易流失的材料配方阳极分布可采用单支式或集中式，其埋设可采用立式水平式，埋设方向有轴向式和径向式，选用何种方式应根据管道长度土壤特性 空间位置等全面考虑另外，为了确保阴极保护效果，阳极应埋在距管壁3-5米处，最小不宜小于0.3米；埋设深度应以阳极顶部距地面不小于1m为宜。在冻土层以下，一般与钢管底同深成组埋设时，以2-3米间距为宜，牺牲阳极在管道长度方向上以200-300米一组为最好。
2、施工环节
（1）在牺牲阳极保护范围内，钢管各处绝缘层电阻均应达到耐电压测试标准。
根据CJJ95-2003城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程的规定，如要有良好的阴极保护效果，必须确保管道覆盖层的绝缘电阻值大于10000Ωm2 因此在管道施工时应把握以下几个因素：第一对于现场作表面防腐的管道正式施工前应做机械性能检测，包括粘结力和抗土壤应力等。在防腐处理过程中应彻底清除钢管表面的铁锈、氧化皮及浮灰，选用防腐性能电绝缘性能好的材料（同时考虑使用寿命各项费用敷管速度对外部影响等因素），对焊口的补口应采用与钢管相同的防腐材料，钢管防腐层及补口处应作100%电火花测试合格，管沟底部和管顶上部的土质应满足运行中不会损坏防腐层为基本原则；第二防腐管回填后必须对防腐层完整性进行检查；第二对于在专业防腐企业进行防腐处理的钢管，应注意在运输过程中的不被损伤，在管道安装时应逐根检查，并进行电火花测试，发现伤口及时修补，并进行绝缘电阻测试直至达到要求。
（2）确保阴极保护电流通畅
牺牲阳极严禁沾染油污酸碱等，埋设后接地电阻越小越好，检测时应小于1 Ω。安装时应确保管道纵向的连续导电确保阴极保护电流通畅，是实现阴极保护的必要条件，应对管道的非焊接部位如法兰大小头承插头丝扣连接等的电阻值进行100%测试，对于达不到标准要求的结构应采用电缆跨接方式确保管道的电连续性，特别应注意在电缆二个接头处要去锈去漆，结合严密牢固。
（3）严格控制牺牲阳极连接导线与钢管表面的连接方式
个别安装单位贪图省力，把导线直接焊在钢管上，而不是通过铜鼻子加强板与钢管连接，降低了连接的可靠性，增大了阴极电流的流动阻力，不利于钢管的防腐。
（4）对阴极保护管道系统进行电绝缘
为防止阴极保护电流流到与大地连接的非保护构筑物上，应对阴极保护管道系统进行电绝缘这样可以防止电流流失，减轻电偶腐蚀，避免不必要的干扰，控制电流流向绝缘的设置应考虑以下部位：a．干管与支管连接处；b.新旧管道连接处；c．裸管和覆盖层管道连接处；d.电气接地处；e．套管穿越处；f．跨越管道的支架与管道处；g．大型穿跨越段两端同时要注意在绝缘接头两侧应设有预防雷击和过电流的保护设施，以防止绝缘接头被瞬间的电流击穿。
五、实例分析
1、工程概况
XX埋地主干管线管长度为，长度为3756m, ,长度为150m； ，长度为1221m，埋深1.9m。经测试该管道所经地区土壤电阻率30左右，其外壁防腐均采用了环氧煤沥青特加强级防腐层铺助牺牲阳极法阴极保护，沿线埋设6组镁合金阳极，除1组为8支外，其余每组6支阳极块，共38支，平均每700m设一阳极组，管线端点安装有绝缘法兰。
2、辅助牺牲阳极阴极保护安装
2.1阴极保护材料选择
（1）电缆：阳极连接母线铜芯VV-1110mm2；（2）阳极：选用了22.68kg级 AZ63-6型梯形常用规格镁合金牺牲阳极38根,沿线埋设6组(1#-6#),除1组为8支外,其余每组6支阳极块。镁合金牺牲阳极技术指标见表2、表3、表4。
表2镁合金阳极的化学成分
表3 镁合金阳极规格
表4镁合金阳极性能
2.2牺牲阳极施工工艺
阳极采用立式埋设，埋深2.0m，间距3m,距管外壁3m。如图1。
图1牺牲阳极布置及埋设接线图
2.3 阳极电缆连接与敷设
（1）阳极连接母线电缆和阳极钢芯采用铜焊接连接连接后用塑料绝缘胶带缠绕一道然后用热缩套密封绝缘；（2）各支阳极连接母线用铜焊接，焊接长度不小于100mm,电缆连接处均采用塑料绝缘胶带缠绕一道,然后用热缩套密封绝缘；(3)用万用表逐支检测阳极与钢芯之间的电性连接情况,阳极体与钢芯接触电阻小于0.01。在施工过程中严禁用力提拉电缆线防止电缆接头折断。（4）阳极电缆与管道连接采用铝热焊接技术连接，焊接点重新做防腐绝缘处理，防腐等级与管体一致。（5）所有连接点必须密封严实，不得有渗水现象；用电火花检漏仪（2.4kV电压）检查所有连接点，不得有针孔漏电。（6）阳极电缆直埋敷设，电缆埋深1m，上下用铺以100mm厚的细土，并盖红砖保护。
2.4阳极填料包组装
（1）为加速阳极表面活化，在组装阳极之前，用砂纸将阳极打磨一遍，然后用无水乙醇擦拭干净，将阳极表面的油污、氧化物除净。（2）阳极填料配方重量比为，膨润土：石膏粉：工业硫酸镁=50%：15%：35%，每条特制的纯棉布袋充填料50kg，装一支经表面处理过的22.68kg级镁合金牺牲阳极,阳极放在填料包的正中央阳极必须被填充料紧密包敷,严禁明显偏心。
2.5阳极床安装
阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水、坑内水位必须完全浸没阳极填料包， 且坑内常积水时间必须超过10小时以便彻底浸没填料包。（2）阳极坑细土回填，分层夯实，严禁向阳极坑内回填砂石、水泥块、塑料等杂物，回填土均匀掺入适量盐粒以降低土壤电阻率。（3）阳极地床安装后地面浇水浸润地床10天以上。
2.6阳极安装时注意事项
（1）阳极填料包装被水浸透后，必须待检测人员对阳极开路电位进行测试后，方可与管道连接。（2）阳极与管道连接后，必须待检测人员进行阳极工作电位测试后，方可在焊缝处进行防腐。（3）阳极端面、电缆连接部位及钢芯均要做绝缘防腐，保证密封严实不得渗水。
2.7牺牲阳极阴极保护验收
阳极埋入地下后，对阴极保护性能进行测试测试，内容及指标如下：（1）阳极组开路电位≦-1.4V（相对Cu/CuSO2参比电极）。该数据是衡量阳极质量好坏的重要标准。（2）测量最远点管道阴极保护电位≦-0.85V，该数据是评定管道牺牲阳极保护实施质量的标准。
2.8阴极保护参数核算及实测结果分析
（1）阴极保护电流密度的选取是牺牲阳极阴极保护应用成败的关键。最小保护电流密度值主要根据被保护金属的类别、腐蚀介质成分、温度、表面涂层或阴极沉积膜性质、完整性的接触电阻来决定。据查SY/T0036-2000《埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范》、SY/T0019《埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范》及有关资料显示实际工程测量结果。
不同涂层所需保护电流密度mA/m2 ,见表5
表5
不同涂层电阻所需保护电流密度，见表 6。
表6
不同涂层的绝缘电阻，见表7。
表7
根据以上数据判断经,对该阴极保护系统参数核算,此系统设计时选取的管线阴极保护最小电流密度(0.2 mA/m2)比较保守（防腐层绝缘电阻取1000-3000
之间），由实际测量，此牺牲阳极使用4年后，管线阴极保护电流密度下降（0.095 mA/m2，满足规范要求），实际是阴极保护距离缩短，管线末端阴极保护电位较低，达不到要求。可以初步断定：牺牲阳极出现故障。
为进一步分析故障原因，对管线进行了强制电流阴极保护状态下的试验测试。
检测试验采用恒电位仪，设定输出电压6V，输出电流5A。实验结果说明，此管线在强制电流有足够的阴极保护电流状态下，对管线的保护率达到 100%，完全满足管线阴极保护的需求。采用强制电流状态下的阴极保护情况，如表8。
表8
由以上数值初步核算管线整体防腐层绝缘电阻：Ra=R×A=U/I×A=6220。
此管线在用4年后，经对个别防腐层漏点、搭接点修补后，管线防腐层绝缘电阻在规范要求之内，防腐层基本完好，没有大的破损漏电现象。
可见，只要控制好防腐层的施工质量，防腐层对埋地钢制管线的防腐会起到很好的效果。当然，防腐层在生产、运输、施工中无法保证完全不受到任何损坏。
因此，不可能完全将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。要维持有效的防腐，
就必需同时采取辅助阴极保护，即联合保护。只要把好各个环节的施工质量，防腐辅助阴极保护必然对埋地钢制管道起到很好的防腐保护作用。
六、结束语
建设部对城市燃气设施防腐标准已经提出更高的要求，可以预见阴极保护技术在城市燃气行业将得到充分应用。城镇燃气埋地钢质管道只有采取良好的防腐绝缘层、合理的阴极保护措施和实施有效的监督管理，才能更好更有效地控制腐蚀。