王芷芳

（天津大學(xué) 材料學(xué)院，天津300072）

陰極保護(hù)與防腐蝕層相結(jié)合是世界公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)最有效的防護(hù)措施。在實(shí)施陰極保護(hù)過程中，合理設(shè)計(jì)，精心施工能保證該技術(shù)的優(yōu)勢最大化。但在目前應(yīng)用過程中仍存在較多問題，如天津市燃?xì)夤艿乐饾u由郊區(qū)遠(yuǎn)距離單管長輸管道向城市近郊區(qū)、工業(yè)區(qū)短距離管網(wǎng)建設(shè)階段發(fā)展，過去不常遇到的問題如今都暴露出來了。為提高防腐蝕水平，有必要邊實(shí)踐、邊總結(jié)最先進(jìn)和最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。

1 陰極保護(hù)方法的選擇

關(guān)于城市管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，人們似乎進(jìn)入一個誤區(qū)。如天津市一概采用犧牲陽極法，認(rèn)為該方法具有干擾小、管理簡單、電流分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，但該方法也有局限性，如費(fèi)用高、受土壤電阻率限制、壽命有限等。目前廣泛應(yīng)用3PE管，使陰極保護(hù)電流須要量很小，電壓也小，基本不會對鄰近裝置造成干擾。在管理方面，犧牲陽極是多組埋設(shè)，在城建中人為破壞和丟失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，難于管理。如陜津管線進(jìn)城8km曾用45支鋅陽極，運(yùn)行14a丟失18支，同時(shí)丟失多根測試樁。而54km的郊區(qū)的外加電流陰極保護(hù)至今運(yùn)行正常，接地電阻≤1Ω，輸出電流0.2A，管理人員只需維護(hù)一個輔助陽極地床并保證電源正常運(yùn)行即可，在管理上比犧牲陽極要簡單的多。由此例說明，外加電流具有裝置壽命長，不受土壤電阻率限制，電流輸出可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，此外，外加電流在雜散電流大時(shí)也可任意調(diào)節(jié)電位。采用強(qiáng)制排流時(shí)，就是一種外加電流的陰極保護(hù)。

目前天津市要在五年內(nèi)普及推廣節(jié)能環(huán)保，用天然氣取燃煤改善市區(qū)環(huán)境質(zhì)量。從2012年初起在馬路下方重新敷設(shè)DN600～700 3PE的天然氣管線，為不影響交通，采取夜間施工，全部采用犧牲陽極保護(hù)。由于城市管線支線多，進(jìn)入每個鍋爐也都要加絕緣，造成絕緣接頭用量很多，工程造價(jià)很高。

針對這一方案，建議劃區(qū)片采用外加電流保護(hù)方法。其優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)節(jié)輸出，劃區(qū)片內(nèi)管道建支線、擴(kuò)建和新建，在多數(shù)情況下可納入原有保護(hù)系統(tǒng)。此外，該方法還可避免過保護(hù)，不受土壤電阻率限制，減少絕緣接頭數(shù)量，成本會大幅度降低。

陽極地床有兩種方式：①低輸出外加電流保護(hù)，以區(qū)片為單位，這種裝置中，每個陽極床只安裝1～2支陽極，輸出電流小于1A，由于電壓小干擾就小，可大大減小陽極地床的數(shù)量。②深井陽級地床，保護(hù)電流從深處流向地表，在流動電流途中不存外部管線，不會造成干擾，對被保護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位都是獨(dú)立的終點(diǎn)，可以把遮蔽減少，致使電流分布均勻。一個陽極孔可以保護(hù)相當(dāng)大區(qū)域又不造成干擾問題，此外陽極床位置可選擇任意處，所需孔數(shù)最少，占地最小，特別適合城市及工業(yè)區(qū)。北京燃?xì)鈴?007年起至今已用7～8口深井陽極保護(hù)城市不同區(qū)域管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)追加陰極保護(hù)的工作值得借鑒。

2 外加電流的電源裝置的選用

在國外，外加電流裝置基本上都是整流器，而我國卻普遍使用恒電位儀。恒電位儀只能控制參比電極所在點(diǎn)的管道電位恒定在規(guī)定值，不能解決整條管線各點(diǎn)處的電位恒定，更不能解決整條管線上電位分布均勻。對于恒電位儀再加自控裝置，這種設(shè)備較復(fù)雜，易受外界干擾，一旦出現(xiàn)儀器故障，需請廠家修理。設(shè)備昂貴，維護(hù)困難，大大增加了陰極保護(hù)的投資成本。與之相比，整流器易控制、易維護(hù)、價(jià)格便宜，且完全可勝任陰極保護(hù)的需要。此外，長效參比電極要埋在終年潮濕環(huán)境中，不能浸在水中或太干燥的環(huán)境中，內(nèi)部硫酸銅流失會使參比電極失效，而失去對恒電位儀的監(jiān)控功能。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)長年使用的硫酸銅參比電極絕大多數(shù)失效，恒電位儀無法工作。

3 犧牲陽極埋置數(shù)量

目前在設(shè)計(jì)陰極保護(hù)用的犧牲陽極存在數(shù)量過多，陽極質(zhì)量過大，計(jì)算陽極壽命在百年或幾百年?，F(xiàn)用的三層PE管不同于過去曾用過的防腐蝕層，它外層的聚乙烯使絕緣性能非常好，因此它須要的保護(hù)電流密度非常小。例如陜津管線運(yùn)行14a保護(hù)54km的DN400三層PE管輸出電流一直保持在0.2A，計(jì)算實(shí)際運(yùn)行的保護(hù)電流密度為3.7μA／m2。有一次該管線電源停電，但測全線管道電位都負(fù)于-0.85V（vs.cCSE）。后經(jīng)調(diào)查，得知該線多處套管由于封口不嚴(yán)，套管內(nèi)輸送管外纏鎂帶，由鎂帶提供的保護(hù)電流使套管外的管道得以極化到保護(hù)電位。又如，天津?qū)氎嬗幸粭lDN200三層PE管，采用深井陽極外加電流保護(hù)，儀器還未輸出，但十多公里管線己達(dá)-0.90V（vs.CSE）的保護(hù)電位，后查找原因，是由于絕緣接頭安裝的接地電池的鋅棒提供的電流已使全線管線得到極化。從上述二例，證明三層PE僅須要很小的保護(hù)電流，就容易極化至保護(hù)電位。如果陽極設(shè)計(jì)過多，三層PE管只須很小的保護(hù)電流，勢必陽極輸出電流很?。换虍?dāng)陽極埋在過高土壤電阻率如砂土，陽極發(fā)不出電流，以上二種情況陽極容易產(chǎn)生窒息而鈍化。如新疆輪南油田地質(zhì)是荒漠鹽砂土，氣候干燥少雨，土壤電阻率幾百歐米，這種極高土壤電阻率用鎂陽極，結(jié)果陽極輸不出電流而鈍化。就是土壤電阻率不高，過密設(shè)計(jì)陽極也會產(chǎn)生陽極鈍化。

4 絕緣接頭（或絕緣法蘭）數(shù)量

通常認(rèn)為“沒有絕緣就沒有陰極保護(hù)”是對的。但在市區(qū)，管網(wǎng)密集，如犧牲陽極設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)為保護(hù)一條2～3km主干管道，對與它相連的十幾或幾十個支管都需采取絕緣。如天津海河后五公里管線設(shè)計(jì)中，由于在市區(qū)支線特別多，支線要與干線管絕緣，則絕緣接頭需用幾十個，造價(jià)不菲。且安裝絕緣接頭會帶來加速腐蝕的后果，是由于陰極保護(hù)端電位負(fù)而非保護(hù)端電位正，產(chǎn)生幾百毫伏電位差，造成電解腐蝕，使非保護(hù)端電流流出而加速腐蝕。如張家口燃?xì)饧瘓F(tuán)有一條外加電流保護(hù)的燃?xì)夤艿?，?jīng)數(shù)年后，在距絕緣接頭不遠(yuǎn)處非保護(hù)端一側(cè)出現(xiàn)了由于電解腐蝕造成的腐蝕坑，這就是陰極干擾造成的。這種副作用必須考慮。解決辦法有從設(shè)計(jì)上盡量構(gòu)成區(qū)域保護(hù)，把支管也納入保護(hù)范圍，減少絕緣接頭（或法蘭）的數(shù)量，在絕緣接頭非保護(hù)端管道防腐等級要高一級，或在非保護(hù)端安裝大塊犧牲陽極以提高非保護(hù)端的負(fù)電位，減少與保護(hù)端的電位差。如果絕緣裝置能安裝在地上，在架空位置就可避免干擾。

5 土壤電阻率不高的土壤環(huán)境中要慎用鎂陽極

在天津氣改燃煤供熱工程中，測試城區(qū)地下水位高1～2m就見水，土壤電阻率在15Ω·m左右，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)可以用鎂陽極，但在土壤潮濕的情況下，鋅陽極可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍在30Ω·m，建議應(yīng)該用鋅陽極更安全，因?yàn)殒V陽極開路電位-1.60V（vs.CSE），設(shè)計(jì)過密如100～200m放一支22kg／支鎂陽極，使三層PE管道極易出現(xiàn)過負(fù)，超過最大極限保護(hù)電位-1.20V（vs.CSE），現(xiàn)場實(shí)測都達(dá)到-1.60V（vs.CSE）或更負(fù)，其后果會造成析氫，產(chǎn)生對涂層的剝離破壞，另外氫氣滲入鋼材內(nèi)部，使鋼材韌性降低，鋼變脆機(jī)械強(qiáng)度下降。過負(fù)電位也易引起應(yīng)力腐蝕破裂（特別對高強(qiáng)鋼），因此，要慎重應(yīng)用鎂陽極。鋅陽極開路電位-1.10V（vs.CSE）不會超過最大極限電位，相對而言比較安全。另外，城內(nèi)干擾較嚴(yán)重，鋅也是較好的排流用陽極。

6 陰極保護(hù)電位測量數(shù)據(jù)以地表參比測值為準(zhǔn)

測量管道某點(diǎn)陰極保護(hù)電位實(shí)際就是該點(diǎn)與參比電極之間存在的電位差，由于測量回路存在電阻，測得的電位差包括電流流過金屬和土壤時(shí)產(chǎn)生的IR降，且IR降有的幾十甚至高達(dá)幾百毫伏（當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)）使測量值與真實(shí)值存在較大誤差，這種測量方法就是常用的地表參比法，它不考慮IR降及雜散電流干擾影響。為了盡量降低IR降，可將參比電極盡量靠近被測管道表面，此法稱為近參比法。瞬間斷電法消除IR降是從電流考慮，如試片斷電電位即為管道測量點(diǎn)的陰極保護(hù)電位。極化探頭法：探頭由試片、參比電極和電解質(zhì)組成，外部用絕緣體隔離，只留一個多孔塞子作為測量通道，這種結(jié)構(gòu)可避免外界電流干擾，又使測得電位中IR降最小，用極化探頭斷電法測量可得到真實(shí)的極化電位。

7 管道陰極保護(hù)電位正常就可放心無憂了

對于運(yùn)行多年的舊管線或三層PE管，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)管道保護(hù)電位處于正常保護(hù)電位范圍即均負(fù)于-0.85V（vs.CSE）或更負(fù)，但仍發(fā)現(xiàn)管道腐蝕。檢查管道防腐蝕層發(fā)現(xiàn)，腐蝕部位一般都發(fā)生在防腐蝕層剝離區(qū)的下面或三層PE補(bǔ)口部位，這些部位由于防腐蝕層老化或失粘與管道分離，在剝離區(qū)下面，由于陰極保護(hù)電流受到防腐蝕層的屏蔽作用而不能到達(dá)管體，此處管體處于自然腐蝕電位，陰極保護(hù)不起作用，管道會繼續(xù)腐蝕。又由于形成小陽極（剝離區(qū)管體）與大陰極（完好覆蓋層管體）不利面積比，使小陽極腐蝕加劇。因此，不能單憑陰極保護(hù)電位來判斷管道保護(hù)效果，還要隨時(shí)關(guān)注防腐蝕層破損，特別要關(guān)注是否發(fā)生防腐蝕層剝離，要加強(qiáng)全面維護(hù)和管理，對剝離區(qū)的防腐蝕層要重新修復(fù)。

8 結(jié)論

隨著陰極保護(hù)的推廣和應(yīng)用，特別是在城區(qū)管網(wǎng)建設(shè)中遇到的一些新問題：陰極保護(hù)方法的選擇、犧牲陽極材料的選用、犧牲陽極保護(hù)間距的確定、絕緣接頭（法蘭）使用的利弊以及測量方法等諸多問題都須要探討，需要在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，相互交流，使陰極保護(hù)技術(shù)得以不斷改進(jìn)與提高。