張彥坤

（北京碧海舟腐蝕防護(hù)工業(yè)股份有限公司，北京 100071）

早在2000年墨西哥某天然氣公司就因?yàn)槁竦靥烊粴夤艿酪蚋g破裂造成重大事故；而2004年我國(guó)某化肥廠埋地輸氣管道因土壤腐蝕泄漏了大量易燃有毒的水煤氣，對(duì)周?chē)h(huán)境造成了嚴(yán)重污染，這些事故都是由管道腐蝕引起的安全事故。諸如此類(lèi)由管道腐蝕引起的安全事故數(shù)見(jiàn)不鮮，尋找安全有效的防腐蝕方法是解決鋼質(zhì)埋地管道安全且長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵[1，2]。陰極保護(hù)技術(shù)可以將金屬在電解質(zhì)環(huán)境中的電位負(fù)移來(lái)達(dá)到無(wú)腐蝕電位，最終使電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生大大減少[3，4]。

因此本文對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)的原理、方法及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，以探討解決鋼質(zhì)埋地管道和儲(chǔ)罐腐蝕問(wèn)題的方法，最終達(dá)到安全運(yùn)輸和生產(chǎn)的目的。

1 陰極保護(hù)原理

腐蝕是指金屬與周?chē)h(huán)境發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)和物理作用引起的變質(zhì)及破壞現(xiàn)象。據(jù)中石油總公司的統(tǒng)計(jì)顯示:每年由于腐蝕給油田造成的損失約兩百億元，2003年，英國(guó)BP石油公司在拉斯維加斯的石油管線由于腐蝕泄露，造成超過(guò)757m3原油外泄，環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重。作為最常見(jiàn)的腐蝕形式，電化學(xué)腐蝕的腐蝕危害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比其他腐蝕。陰極保護(hù)技術(shù)是一種用于防止金屬在電解質(zhì)(海水、淡水及土壤介質(zhì))中腐蝕的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，該技術(shù)是使金屬構(gòu)件作為陰極，對(duì)其施加一定的直流電流，使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位值時(shí)，在金屬表面的通過(guò)陰極極化來(lái)消除該金屬表面的電化學(xué)不均勻性，達(dá)到保護(hù)金屬構(gòu)件的目的。陰極保護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)而有效的防護(hù)措施，其應(yīng)用已有一百多年歷史，使用范圍日益廣泛。陰極保護(hù)對(duì)地下管道的防腐起著非常重要的作用。特別是當(dāng)管道的防腐層或內(nèi)涂層出現(xiàn)小的缺陷，陰極保護(hù)電流可使管道免遭腐蝕。陰極保護(hù)電流在阻止有防護(hù)層缺陷的管道發(fā)生腐蝕時(shí)，所需保護(hù)電流的大小與防腐層缺陷的嚴(yán)重程度有關(guān)，缺陷越大越嚴(yán)重所需要的保護(hù)電流也就越大。當(dāng)防腐層缺陷很?chē)?yán)重時(shí)，雖然有陰極保護(hù)系統(tǒng)，但破損點(diǎn)局部保護(hù)電流極化電位達(dá)不到最低保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，缺陷處管道還是會(huì)發(fā)生腐蝕。在陰極保護(hù)中，判斷金屬構(gòu)筑物是否達(dá)到完全保護(hù)，要借助參比電極測(cè)量金屬的保護(hù)電位。而為了達(dá)到需要的保護(hù)電位，都是通過(guò)改變保護(hù)電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，保護(hù)電位和保護(hù)電流密度是陰極保護(hù)的兩大參數(shù)。為了使得管線的腐蝕速率降到最低，要合理地設(shè)計(jì)這兩大參數(shù)，并做好定期檢測(cè)工作[5]。

2 陰極保護(hù)方法

2.1 犧牲陽(yáng)極法

負(fù)電位大于被保護(hù)金屬的合金或其他金屬是犧牲陽(yáng)極法的主要組成，通過(guò)與被保護(hù)金屬連接來(lái)犧牲陽(yáng)極，最終達(dá)到陰極保護(hù)的效果。具有足夠的負(fù)穩(wěn)定電位、自我腐蝕發(fā)生率較低、電流效率可以保持較高而穩(wěn)定、單位重量產(chǎn)生的電流量大、腐蝕產(chǎn)物不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染、材料來(lái)源廣泛、易加工、價(jià)格低廉等要求均是作為犧牲陽(yáng)極材料的必要條件，而鎂基、鋅基和鋁基合金是目前常用的三種犧牲陽(yáng)極材料[6，7]。

2.2 強(qiáng)制電流法

強(qiáng)制電流法的最終目的是使陰極極化，可以人為將陰極電流施加到被保護(hù)金屬（管道、儲(chǔ)罐）上來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。輔助陽(yáng)極必須滿足導(dǎo)電性好、放電容量大、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度高、加工安裝方便、材料價(jià)格低等要求[8]。目前常用的鋼、鋁、高硅鑄鐵、石墨、鉑和金屬氧化物均是輔助陽(yáng)極的材料。

2.3 排流保護(hù)法

排流保護(hù)法與上面兩種方法有所不同，其不是通過(guò)陰極極化來(lái)進(jìn)行陰極保護(hù)，而是使雜散電流環(huán)境中的雜散電流減少或消除達(dá)到陰極保護(hù)的作用。可細(xì)分為以下三種情況：①雜散電流干擾電位極性穩(wěn)定：在此種情況下有種簡(jiǎn)單可行的方法，直接將電纜分別與保護(hù)器及干擾源相互連接即可，但需要注意的是該過(guò)程需要操作選擇得當(dāng)，盡量抑制雜散電流的增加；②雜散電流干擾電位的極性在正負(fù)之間交替：此種情況最為常見(jiàn)，只需要借助二極管就可進(jìn)行陰極保護(hù)，通過(guò)二極管自身獨(dú)有的特性可以平衡雜散電流與干擾源之間的平衡；③當(dāng)沒(méi)有雜散電流：此種情況只在理論情況下出現(xiàn)，當(dāng)干擾源、保護(hù)器或其他設(shè)備不產(chǎn)生雜散電流時(shí)可以由整流器提供保護(hù)電流，而當(dāng)產(chǎn)生雜散電流時(shí)，漏極電流可用作保護(hù)，強(qiáng)制放電一般用穩(wěn)壓器[9]。

3 陰極保護(hù)技術(shù)在鋼制埋地管道上的應(yīng)用

在鋼制埋地管道的防腐蝕措施的實(shí)施上，有較多的方案可供選擇，而覆蓋層和陰極保護(hù)的聯(lián)合防腐蝕措施具有良好的效果，這是管道行業(yè)基本認(rèn)可的。目前在我國(guó)包括油田的集輸管道及其他管道大概將近25000公里的管道行程均是采用陰極保護(hù)技術(shù)[10]。

3.1 適用范圍

犧牲陽(yáng)極法只適用于土壤、水或沼澤環(huán)境中低電阻率的小直徑管道，或距離短、防腐層質(zhì)量高的大直徑管道。

3.2 安裝要求

犧牲陽(yáng)極與管道外壁的距離控制應(yīng)該不小于3米且不大于5米，還應(yīng)保證陽(yáng)極頂部與地面的距離在1m以上。應(yīng)該埋在凍土層下面。在干燥地區(qū)應(yīng)結(jié)合土壤及外部環(huán)境將陽(yáng)極埋在更深的地方。另外需要注意的是在清除河床淤泥時(shí)應(yīng)避免埋在河床中的陽(yáng)極被洪水沖刷和損壞。還要避免直接將陽(yáng)極埋在土壤中，減少陽(yáng)極與土壤環(huán)境的直接接觸，從而造成陽(yáng)極消耗不均勻。

3.3 電纜的選用及施工要點(diǎn)

陰極保護(hù)電纜應(yīng)為銅芯電纜，犧牲陽(yáng)極銅芯電纜的截面應(yīng)大于4mm2。多股連接線時(shí)要注意導(dǎo)線的橫截面積，此時(shí)可以保持每根導(dǎo)線的橫截面積大于2.5mm2。電纜的選用應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，把電纜埋在凍土層下使得電纜與管道相交時(shí)的垂直凈距大于0.5m，另外在管道與電纜焊接的縫隙要保持大于200mm且不能處于管道彎頭部分。

在焊接電纜時(shí)應(yīng)注意電纜橫截面積，若電纜的截面面積較大，可以把電纜分成均勻的幾股來(lái)進(jìn)行單獨(dú)焊接，在焊接過(guò)程電纜與管道的焊點(diǎn)處可以纏繞熱收縮帶，此收縮帶不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，可把250mm寬度作為標(biāo)準(zhǔn)，徑向搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm。

3.4 絕緣裝置的形式及施工要點(diǎn)

絕緣裝置在管道陰極保護(hù)中有著重要作用，一般常見(jiàn)的絕緣裝置為絕緣管與絕緣接頭，而絕緣支架應(yīng)用在較為特殊的場(chǎng)合。管道可能存在諸多危險(xiǎn)區(qū)域，在易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)區(qū)域，可以使用絕緣支架來(lái)對(duì)防爆火花間隙進(jìn)行橋接，從而降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)絕緣裝置需定期進(jìn)行檢查，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，來(lái)防止外界因素對(duì)絕緣裝置造成影響；在管道和套管的端口可以使用絕緣接頭來(lái)防止其他事故的發(fā)生，且絕緣接口的使用可使管道密封性更好，從而減少土壤水分對(duì)管道的滲漏以及其他因素帶來(lái)的漏水現(xiàn)象。

3.5 測(cè)試裝置的設(shè)置與安裝

在測(cè)試裝置的設(shè)置與安裝上也有諸多要求，測(cè)試結(jié)果直接決定防腐蝕措施的效果，另外測(cè)試裝置也是方法及措施的檢驗(yàn)過(guò)程，因此要根據(jù)地理環(huán)境決定測(cè)試裝置與管道之間的間隔距離。

為了更好的為管道防腐蝕提供便利，一般將相鄰測(cè)試裝置的距離控制在1到3km之間。在市區(qū)或工業(yè)區(qū)，相鄰間隔不應(yīng)超過(guò)1公里。在有雜散電流干擾的區(qū)域，可以適當(dāng)縮短測(cè)試設(shè)備之間的間隔。對(duì)于鋪設(shè)在不同溝槽中的多條平行管道，每條管道應(yīng)配備一個(gè)單獨(dú)的測(cè)試裝置，每個(gè)測(cè)試裝置應(yīng)至少有兩條電纜與管道連接。測(cè)試裝置應(yīng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)同時(shí)安裝。測(cè)試樁安裝在距離管道中心線1.5m處，樁身固定在管道上。焊點(diǎn)應(yīng)采用鋁熱焊接工藝進(jìn)行焊接[11]。

3.6 小結(jié)

綜上所述，犧牲陽(yáng)極法在鋼質(zhì)埋地管道中的應(yīng)用可以有效避免或減少電蝕的發(fā)生，但只有通過(guò)對(duì)埋地土壤環(huán)境的認(rèn)真調(diào)查，才能制定符合環(huán)境和管道自身的最佳防腐蝕方案。

4 陰極保護(hù)技術(shù)在儲(chǔ)罐上的應(yīng)用

就現(xiàn)在而言，儲(chǔ)罐因?yàn)楦g而發(fā)生事故的新聞還在持續(xù)報(bào)道，究其根本原因不合理的防腐蝕措施或無(wú)防腐蝕是儲(chǔ)罐事故的最大問(wèn)題所在。另外對(duì)于儲(chǔ)罐防腐蝕措施沒(méi)有規(guī)范統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)也是造成諸多腐蝕事故發(fā)生的主要原因之一，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)就無(wú)法對(duì)防腐蝕措施實(shí)施的效果進(jìn)行評(píng)估，都處在各自摸索的階段。但陰極保護(hù)技術(shù)是已被諸多研究證明的行之有效的防腐蝕措施，根據(jù)儲(chǔ)罐所處土壤環(huán)境及其他因素，結(jié)合儲(chǔ)罐自身材料防腐蝕的特點(diǎn)，提出除了對(duì)油罐內(nèi)部整體進(jìn)行涂層防腐外，還應(yīng)對(duì)腐蝕嚴(yán)重的內(nèi)底板進(jìn)行犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)[11]。這種方法最適合原油儲(chǔ)罐。原因是原油儲(chǔ)罐底部經(jīng)常存在鹽水，鹽水中氯離子滲透性比較強(qiáng)，導(dǎo)致底板腐蝕嚴(yán)重。同時(shí)鹽水是一種電解液，陰極保護(hù)只有在有電解液的情況下才能發(fā)揮其防腐作用，因此在原油儲(chǔ)罐底部實(shí)施陰極保護(hù)是正確的選擇，對(duì)于其他油罐，如果底部有沉淀水層，也可以采用陰極保護(hù)[12]。

4.1 適用范圍

由于雨水和地下水的滲透，沙子和土壤中的水、可溶性離子、溶解氧和硫酸鹽還原菌可以通過(guò)儲(chǔ)罐外涂層的缺陷腐蝕鋼材。儲(chǔ)罐和管道的材料不同，所以電氣連接時(shí)存在電氣腐蝕。但是，埋地儲(chǔ)罐和管道保護(hù)的面積較小，其周?chē)寥赖碾娮杪视谐噬仙内厔?shì)，尤其是土壤環(huán)境中夾雜著碎石或細(xì)沙的地方電阻率顯著增高。故從經(jīng)濟(jì)實(shí)用上來(lái)說(shuō)儲(chǔ)罐可以選擇鎂合金作為犧牲陽(yáng)極的材料，管道的排水應(yīng)增加鋅陽(yáng)極[13]。

4.2 參數(shù)計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先對(duì)陰極保護(hù)面積進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合罐內(nèi)浸水面積與罐外土壤接觸面積大小制定最佳的保護(hù)方案，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定保護(hù)電流密度并計(jì)算出陰極保護(hù)所需要的總電流，確定保護(hù)年限；根據(jù)每塊陽(yáng)極重量計(jì)算出陽(yáng)極所需要的總重量，確定陽(yáng)極總數(shù)量[14]。

4.3 遠(yuǎn)程系統(tǒng)

由陰極保護(hù)數(shù)控電源、電源控制接口、前端微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和控制中心組成，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問(wèn)題和故障[15]。

4.4 儲(chǔ)罐防腐蝕施工要點(diǎn)

對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行基本防腐蝕操作，如對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)外罐體進(jìn)行清洗，清洗完后等到水漬晾干，可適當(dāng)進(jìn)行除銹處理，需要注意的是對(duì)于罐體上相對(duì)薄弱的地方要避免過(guò)度除銹，必要時(shí)可進(jìn)行簡(jiǎn)單修補(bǔ)；對(duì)罐底及壁板進(jìn)行仔細(xì)檢查，使罐底及連接罐底的壁板之間的縫隙達(dá)到涂裝施工的標(biāo)準(zhǔn)后，將犧牲陽(yáng)極塊焊接在上面，在焊接過(guò)程中應(yīng)小心操作，及時(shí)將焊接產(chǎn)生的垃圾清理；接下來(lái)進(jìn)行油漆施工，1m以下的內(nèi)底板和墻板采用絕緣槽漆，其余部分采用導(dǎo)靜電漆[16]。

4.5 注意事項(xiàng)

儲(chǔ)罐需要鎂合金犧牲陽(yáng)極，在靠近氣體分配器的管道一端設(shè)置鋅陽(yáng)極用于排水，在儲(chǔ)罐和控制設(shè)備之間、控制設(shè)備和管道之間、管道和氣體分配器之間設(shè)置絕緣法蘭。埋地儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)和施工中要注意絕緣問(wèn)題，使儲(chǔ)罐和管道成為相互獨(dú)立的個(gè)體，可以避免陰極保護(hù)電流損失和相互干擾，注意加油機(jī)接地設(shè)備產(chǎn)生的雜散電流引起管道腐蝕的可能性，可以通過(guò)相應(yīng)的排水措施，如人工排水或設(shè)置遠(yuǎn)程系統(tǒng)程序自動(dòng)排水，從而減少雜散電流來(lái)防止腐蝕現(xiàn)象發(fā)生[17]。

4.6 小結(jié)

綜上所述，埋地鋼質(zhì)儲(chǔ)罐容易發(fā)生腐蝕和穿孔，應(yīng)引起重視并采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)在，陰極保護(hù)技術(shù)的工程應(yīng)用可以說(shuō)具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)，更多的科技創(chuàng)新熱點(diǎn)必將出現(xiàn)。結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)及查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外資料，筆者認(rèn)為未來(lái)國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向有以下幾點(diǎn)：①研究測(cè)量技術(shù)：陰極保護(hù)測(cè)量技術(shù)在一定程度上制約了我國(guó)陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，影響了設(shè)計(jì)和管理，必須首先解決[18]；②信息軟件支持：在信息社會(huì)，軟件已經(jīng)成為公司水平的標(biāo)志，沒(méi)有一個(gè)像樣的軟件很難在國(guó)際工程中占據(jù)一席之地。目前最迫切需要開(kāi)發(fā)的軟件是相關(guān)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和強(qiáng)電流干擾[19]；③做好監(jiān)測(cè)工作：及時(shí)了解和掌握腐蝕過(guò)程及狀況，對(duì)管線的腐蝕速度和與腐蝕速度相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，通過(guò)對(duì)所獲得的信息進(jìn)行分析研究，揭示和掌握腐蝕過(guò)程及狀況，確定腐蝕狀況和成因。從而使決策層和各級(jí)管理人員及時(shí)了解管道的腐蝕現(xiàn)狀，采取更具針對(duì)性的防護(hù)措施，確保防腐工作有計(jì)劃、有目的的開(kāi)展，降本增效，對(duì)防止和減緩管線因腐蝕而造成的危害，從而提高防腐技術(shù)水平、管理水平，確保管線的正常運(yùn)行有重要意義。

腐蝕監(jiān)測(cè)工作的重要性在于它是認(rèn)識(shí)和了解影響管線腐蝕因素、制定防腐蝕措施的基礎(chǔ);是監(jiān)督、評(píng)價(jià)防腐蝕措施的有效手段。腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)是由實(shí)驗(yàn)室腐蝕實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。監(jiān)測(cè)不僅要監(jiān)測(cè)管道的腐蝕情況，還應(yīng)監(jiān)測(cè)腐蝕介質(zhì)、腐蝕環(huán)境的變化情況，以便及時(shí)進(jìn)行防腐；④應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展：國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)僅限于油氣管道，有些領(lǐng)域沒(méi)有得到足夠的重視，如混凝土管道和大型基礎(chǔ)、城市供水和供氣管道的保護(hù)等[20]。故在今后還需不斷探索埋地管道的防腐蝕措施，特別的陰極保護(hù)技術(shù)的實(shí)施還需更加規(guī)范嚴(yán)格的體系標(biāo)準(zhǔn)，從而最大限度降低管道事故的發(fā)生率。