长输管道牺牲阳极法研究
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摘 要：文章主要从长输管道牺牲阳极法的原理、优点、牺牲阳极所用的材料、安装方式、测试系统等方面来解析长输管道牺牲阳极法，以为相关技术人员提供有用参考。
关键词：长输管道；牺牲阳极法；解析
中图分类号：U177.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0159-02
1 长输管道牺牲阳极法概述
1.1 原理
将被保护的金属与比其电位低的金属或合金（阳极）相连接，这是根据原电池的反应原理设置的，位于阳极的合金或则金属的还原性比较强，首先做氧化反应，之后慢慢取代保护中的正极。阳极为阴极提供保护慢慢消耗的化学保护法就是牺牲阳极阴极保护法。
1.2 牺牲阳极法阴极保护的优点
牺牲阳极法阴极保护具有以下优点：不需要外部电源；对邻近金属构筑物无干扰或很小；电流输出虽不能控制，但有自动调节倾向，且覆盖层不易损坏；保护电流分布均匀，利用率高。
1.3 牺牲阳极材料
1.3.1 牺牲阳极材料必须满足的条件
有足够负且稳定的电位，不仅是开路电位，更是闭路电位；金属电解后的产物不能够具有明显的腐蚀效果，且产物必须保证无毒害作用，对环境不构成威胁；电流效率应该很高，单位质量的金属或合金能够产生较大量的电流，以满足原电池的反应要求；电解反应时，作为阳极的金属或合金的极化率必须小，电解应均匀，电解产物应十分容易脱落，以确保原电池的正负极能够正常进行氧化还原反应；材料应该具有比较大的电容；作为代消耗材料，金属或者合金的选用应该具有经济效益，材料的来源应该比较广泛，并且价格比较便宜。
1.3.2 镁阳极
镁阳极特点是比重小、电位很负、对铁的驱动加压大，单位发电量大；镁在电解质中溶液中腐蚀行为由本身很负的电位和表面保护膜性质决定，溶解速度较快；镁标准电极电位为-2.37 V，非平衡电极电位随腐蚀性介质PH值改变，在酸性和中性介质中腐蚀速度较大，在碱性介质中表面保护膜稳定，电位较正，腐蚀速度降低；镁合金比镁的腐蚀速度大，镁阳极中的杂质成分有铁、镍、铜、钴，特别是铁会引起额外腐蚀（寄生腐蚀），添加锰可使铁元素在熔铸过程中被锰包围，不能产生阴极性毒害作用；镁适用于电阻率较高的土壤和淡水中，在海水中由于易过保护，或发生氢脆很少使用。镁在碰撞时易产生火花，不能用于防爆要求场合。
1.3.3 选择阳极规格和数量
在对阳极种类进行选择时，要根据土壤的电阻率，按照保护电流以及保证其使用寿命的要求进行阳极数量和规格的选定。选择规格如表1所示。
注：土壤潮湿时，锌的阳极值范围最高可达到30Ω·m；以上电位值为相对CuSO4与Cu/饱参比电极做出的描述；土壤中使用牺牲阳极的形状多为棒形，其横截面有梯形和D形。在高电阻率土壤中或某些特定场合，如套管内管道的保护等则用带状牺牲阳极。
1.3.4 工艺计算
单支阳极接地电阻公式：
RH=■（tn■+tn■+■tn■） （1）
RV=■（tn■+■tn■+■tn■）（2）
式中，R表示水平式的有填料阳极接地电阻；Rv表示立式的有填料阳极接地电阻；P为土壤电阻率（Ω·m）；pa为填料电阻率（Ω·m）；L是阳极的长度（m）；La则是阳极填料柱的长度（m）；此外，d为阳极等效直径，在公式d=C/π中，C是边长，D为填料柱直径（m）；另外t是阳极中心到地面的距离（m）。
1.4 阳极安装方式
1.4.1 阳极地床
为保证牺牲极在土壤中性能稳定，在阳极四周理有填充料。填充料有袋装和现场钻孔挖坑填装两种方法，现场钻孔填装效果虽好，但填料用量大，容易将土粒等杂物带入影响填充料质量，较少使用。
1.4.2 阳极分布
①对牺牲阳极进行安装时，可以通过单支成组或者集中成组的方法进行装配，也可以将其分布在管道上完成安装。
②对阳极材料进行埋设时，通常采用的方式有两种：水平和立式埋设。并通过改变埋设的方向满足不同情况下的需求，通常采用的埋设方面有径向和轴向埋设。阳极的埋设位置和管道的距离应该大于3 mm，通常要求两者相距3～5 mm。另外埋设深度也不可太浅，通常要求阳极顶端距离地表的距离应大于1 m，在寒冷地区，要求其埋设位置应该在冻土层以下。进行阳极成组埋设时，各个阳极之间的距离应该在2～3 m之间。
③在地下水位低于3 m的干燥地带，阳极应当加深埋设。
1.5 测试系统
牺牲阳极法阴极保护的测试系统应能提供保护体的自然电位、阳极性能、保护电位功能。在相邻两组牺牲阳极管段的中间部位设置测量管道保护电位的测试桩，桩距以500 m为宜，测试桩处设有辅助长效参比电极。
1.6 应用标准和规范
《埋地钢质管道阴极保护电参数测试方法》SY/T0023-97；《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-97；《钢质管道及储罐防腐工程设计规范》SY0007-99；《阴极保护管道的电绝缘标准》SY/T0086-95；《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-96。
2 施工方法
2.1 牺牲阳极法阴极保护施工安装程序
安装程序如下：袋装阳极制作阳极床定位阳极床开挖阳极埋设阳极浇水浸透饱和及各参数测试阳极通电点处理及焊接通电点导通测试通电点补口防腐阳极回填标记记录。
2.2 牺牲阳极法施工
2.2.1 阳极安装
①牺牲阳极土壤中的施工，包括埋设前的组装、阳极的填充和埋高。
②阳极安装前准备。安装阳极前，相关操作人员要检测阳极表面上氧化物与油污，当阳极表面存在油污和氧化物，则应采用砂纸将阳极表面打磨干净。填料包的组装可在室内或现场进行，应保证阳极四周的填料厚度一致、密实，各边厚度不小于50 mm。填料应调拌均匀，不得混入石块、泥土、杂草等。
③阳极电缆与管道的连接。电缆与管道的焊接采用铝热焊、电焊或铜焊法，要求焊接牢固，焊缝均匀，焊点电阻小于4×10-4 Ω，焊点强度大于焊后铜芯电缆承载力。焊接完成温度降低后进行焊缝检查与环氧煤沥青和玻璃布补口。阳极电缆与管道测试电缆在测试桩内连接，电缆敷设时应留有余量，焊点及其他连接处预留蛇形弯，防止电缆或焊点受力拽脱。
④阳极床浇水。将阳极填料投入阳极坑，随后向坑内注水，注水量适当，应将填料包全部浸没，并且能够保证积水量能够在坑中保持一定的时间。
⑤阳极床回填。进行该操作时，需要注意填料的要求，为了保证阳极床的安全稳定，不得向坑内填杂物，如：水泥块、废塑料以及沙石等，通常情况下回填物应该是细土。
2.2.2 预留电缆的安装
预留电缆安装与阳极电缆安装相同，在管沟回填过程中，应详细记录阳极预留电缆位置，选择合理有效的标识方式。
2.2.3 阳极保护系统的调试
①牺牲阳极保护参数投产测试，必须是在阳极埋入地下及填包料浇水10 d后进行。
②牺牲阳极投入运行后，至少每半年定期进行监测和维护。
2.2.4 质量检验标准
与阳极相连的电缆预埋深度不得太浅，深度至少要求为1 m，在电缆周围应该填埋保护物料，如细沙等，电缆上部必须采用铺设砖或者修筑水泥层等方法将其覆盖，进行保护；阳极与管道之间不应有金属结构物；与管道相连接的电缆接头，焊点应用热熔胶和补口片进行绝缘重新防腐绝缘处理；阳极四周填包料应密实厚度一致，阳极埋地后充分灌水达到饱和；管道与支撑的墩台、管柱、管桥、固定墩、支座、管卡、套管或混凝土的钢筋绝缘；牺牲阳极工作电位达到-0.085 V或更负；安装完毕，全线检查防腐层，对防腐层破损部位进行补修。
参考文献：
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[3] 詹树林，王磊.用于牺牲阳极法的碳纤维导电砂浆的导电性能研究[J].中国水运，2013，（1）：121-123.
作者简介：穆伟明（1974-），福建泉州人，大学本科，从事燃气工程工作。