城市燃气管道阴极保护技术探讨

摘要：阴极保护技术是抑制管道腐蚀和延长管道寿命的重要手段。为了使埋地管道免遭杂散电流、土壤的腐蚀，提高燃气管网的安全性、可靠性，深圳燃气集团自2005年开始对市政干管追加牺牲阳极阴极保护。本文结合笔者的工作经验及实例，对城市燃气管道阴极保护系统进行了探讨，根据现场具体情况，制定正确的设计方案，通过合理的的施工工艺，以达到最终的阴极保护效果。

关键词：燃气管道；阴极保护；牺牲阳极；外加电流法

1、阴极保护概念

以某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过阴极极化使金属电位负移，从而使金属腐蚀的阳极溶解速度大幅度减小，甚至完全停止，这种保护金属构筑物免遭腐蚀破坏的方法称为阴极保护。

2、阴极保护方法及其应用

为了实现阴极保护，我们可以采用外加电流和牺牲阳极等两种方法来实现目的。两种方法的保护原理相同，只是提供阴极电流的方式不同，且由此衍生出的设备装置和技术要求都有很大不同。

2.1、外加电流法阴极保护

外加电流阴极保护的方法是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤中流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境来实现的。外加电流阴极保护的原理见图一，外加电流阴极保护主要应用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，例如：长输埋地管道，大型罐群等。

2.2、牺牲阳极的阴极保护

该方法是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。原理见图二。目前，电化学保护发出应用除海水或河道中钢铁设备的保护外，还应用于防止电缆、石油管道、地下设备和化工设备等的腐蚀。牺牲阳极埋设有立式和卧式两种，埋设位置分轴向和径向，其在管道的分布宜采用单支或集中成组两种方式。阳极与管道的距离，一般情况下阳极埋设位置应距管道3～5m，最小不宜小于0.3m，成组埋设时，阳极间距以2～3m为宜。

3、设计与施工注意事项

3.1、辅助阳极的选择与计算

3.1.1阳极位置的选择与考虑因素

由于阳极位置的选择直接关系着阴极保护的效果，所以辅助阳极在阴极保护系统中的作用是毋庸置疑的。通常情况下，管道干线阴极保护只有一组阳极地床，且它与管道的垂直距离都在数百米以上，同时与管道之间也没有屏蔽物体。因站区内保护体较多，分布范围较小，使区域性的阴极保护较为复杂的，若要减少被保护体之间的相互屏蔽，使被保护体的电位能够均匀分布，就必须设多组阳极，而阳极的位置重要性也凸显出来。在已经运行的站区阴极保护系统中，曾有过因选位存在无法克服的问题，令有的阳极床至今未能投入运行。因此，在设计过程中，不仅要考虑保护体间的屏蔽及电位均衡问题，而且还应考虑保护体的绝缘情况，应进行模拟实验后，通过计算来确定辅助阳极的位置。

在阴极保护选定的同时应在预选站址与管道的一侧选择阳极安装的位置，其考虑的因素主要有：①地下水位较高或超市低洼处；②土层厚，无块石，便于施工；③土壤电阻率小于50欧姆米；④对临近的地下金属构筑物干扰小，阳极地床与被保护管道之间不得有其他埋地金属管道；⑤考虑阳极附近低于近期发展规划避免重复搬迁。

3.1.2阳极数量与接地电阻

大约有60%的阴极保护电能要消耗在阳极接地电阻上，因此阳极材料的选择和埋设方式，以及场所的选择，都对减少电阻节约电能都是至关重要的。首要考虑所选择的阳极材料必须有良好的导电性能，能够在于与土壤或地下水接触时产生稳定的接地电阻，就算是在高电流密度下，有能够表面极化较小；化学稳定性好，在恶劣环境中腐蚀率小，有一定的机械轻度并便于加工和安装。

阳极数量与接地电阻成反比关系。在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻的作用。但是由于阴极的屏蔽效应，往往增加较多阳极，而降低电阻却很少。

3.2、阴极保护主要参数及测量

3.2.1阴极保护参数

3.2.1.1自然电位：自然电位会随着金属结构的材质、表面情况以及土质的状况、含水量等因素不同而异，一般有涂层埋地管道的自然点在-0.4---0.7V之间在雨季土壤湿润时，自然电位会篇幅，一般取平均值0.55V

3.2.1.2最小保护电位：一般认为，金属在电解质溶液中，计划电位达到阳极区的开路电位，就能够达到完全保护。

3.2.1.3最大保护电位：保护电位不是越低越好，是有限度的，所以必须将电位控制在比析出氢气电位稍高的电位支，此点位成为最大保护电位。-0.85～-1.2v之间。

3.2.1.4最小保护电流密度：使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要的保护电流密度，称为最小保护电流密度，统称为10----30Ma/m2

4.1.5瞬间断电电位：在切断被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2～0.5秒钟内读取的结构对地电位。

3.2.2阴极保护参数的测量

近间距电位：本方法适用于对管道阴极保护的有效性进行全面的评价。本方法可以测得管道沿线的通电电位和断电电位，结合直流电位梯度法，可以全面评价管道的保护状况和查找防腐破损点。本方法不适用于保护电流不能同步中断的管道，以及破损点位于电解质接触位于电解质接触的管段。

4、应用范例

阴极保护行业在国内的发展已日趋成熟，随着行业及国家标准的日趋完善，阴极保护专业技术与实际性能也越来越被长输管线、及储油罐大型项目的投资者所青睐，过去投资过的项目通过几年的检测与评估确实达到了良好的效果。

某管道全长大约22km，途中有高压线塔、直流电气化铁路等。管径～D219×6.3，管级为L360MB的螺旋缝埋弧焊接钢管，管道防腐层为三层PE，防腐等级为加强级。通过技术经济比较，采用强制电流阴极保护法对管道进行保护。

4.1设计结果

4.1.1阳极地床及辅助阳极的选择

本工程根据实际情况采用了浅埋阳极地床，辅助阳极材料选用最近几年刚刚由国外引进并大量用于工程实践的MMO（混合金属氧化物）管状阳极。MMO阳极具有单位面积输出电流大，寿命长，本身强度高，重量轻，安装方便等优点。

为有效减小阳极接地电阻，并延长辅助阳极使用寿命，选择含碳量较高的缎后石油焦碳（Φ3一15mm）作为辅助阳极填料，辅助阳极床内使用焦碳进行填充。通过计算，每座阳极地床内并联安装MMO辅助阳极各10支。

4.1.2阴极保护系统

4. 1.2.1控制系统

阴极保护的控制系统由2台恒电位仪、1台控制台，1个辅助阳极地床、1处阴极通电点组成。通过计算选定的恒电位仪规格为：40V/20A。

阳极地床各支阳极通过汇流电缆与恒电位仪阳极接线柱相连。管道相应位置设一个阴极通电点以及一个接阴极通电点，通过电缆分别与恒电位仪的相应接线柱相连。阴极通电点以及接阴极通电点附近紧邻管壁分别埋设一支电位控制用长寿命固体硫酸铜参比电极。

4. 1.2.2检测系统

阴极保护检测系统由恒电位仪、参比电极和测试桩组成，恒电位仪可以自动测量通电点的电位、输出电压和输出电流。考虑外加电流系统，在管道投产运行前，线路设置测试桩，每公里设置一支电位测试桩。

4. 1.2.3电绝缘与电涌保护

电绝缘是阴极保护必不可少的条件，为了防止电流的流失要将保护构筑物系统与非保护构筑物系统进行电绝缘。管线受途中高压线、直流电气化铁路、高压输变电设备、用电设备的接地和其他伴行管道的干扰时，及时做好排流保护措施。由于杂散电流的产生以及它的电腐蚀效应，使对管线以及周围设施的金属构件构成了一定的威胁。这种电腐蚀总是发生在离子导电电流流出金属结构的地方，即发生在金属与电解质存在的阳极区。

依据规范，设计如下：

（1）本工程管线需要在首站出站管线处、末站进站管线处安装整体式绝缘接头（PN4.OMPa，DN300L245）。后续钢质管道与本主管道连接必须设置绝缘接头。

（2）考虑到管道沿线雷电较多，邻近高压电线路的特点，为防止雷电或感应电压造成的电涌对绝缘接头的破坏，在绝缘法兰（接头）处采用双锌接地电池进行保护。首、末站绝缘法兰（接头）处设置双锌接地电池一套。接地电池采用钢质测试桩内的相应接线柱与管道相连。

（3）线路靠近高压线塔、直流电气化铁路的地方，增设部分15kg的锌排流阳极以减少杂散电流的干扰。

4. 2测试结果

设置恒电位仪输出电位为1.2V，检测得到的阴极保护电位结果如图三所示。阴极保护效果良好，电位数值都小于一0.85V，达到规范要求[1]。同时，排流效果良好，有效地排除了干扰。

4.3建议

（1）选用辅助阳极时，要考虑经济因素和环境因素，考虑辅助阳极的材料及性能。恒电位仪要适应当地的工作环境，保证电流电压连续可调。

（2）长输管线阴极保护设计要依据规范，结合实际，排除各种杂散电流的干扰，保证阴极保护效果。

（3）要保证阴极保护的电绝缘，防止电流的流失。

（4）对线路要实时监测，定期检测，保证阴极保护系统的正常运行。

参考文献：

[1]胡士信主编.阴极保护工手册，北京，化学工业出版社，1999.12

[2]耐蚀金属材料及防护技术，北京，化学工业出版社，2000.1

[3]GB/T 21448―2008，埋地钢质管道阴极保 护技术规范[s].