管道阴极保护技术应用

摘要：阴极保护设计是天然气工程应用中的热点与难点。在分析管网腐蚀与防护状况的基础上，强调了管网进行阴极保护的必要性、可行性。并总结探讨了城镇钢质燃气管网阴极保护设计中的要点和注意事项。

关键词：腐蚀 管道 阴极保护 电位控制

中图分类号： TG172文献标识码： A

The Technology of Pipeline Cathodic Protection

Abstract: The cathodic protection design is a nature gas engineering applications and difficult. Based on the analysis pipeline corrosion and protection status, emphasizing the pipeline cathodic protection of the necessity and feasibility. Discusses and summarizes the steel town gas pipeline network in the cathodic protection design elements and precautions.

Keywords: pipeline cathodic protection corrosion potential control

腐蚀的定义

从广义上讲，腐蚀是材料和环境相互作用而导致的失效。这个定义包含了所有的天然和人造材料，例如塑料、陶瓷和金属。我们通常所研究的腐蚀是金属的腐蚀，金属腐蚀是金属与周围介质发生化学或电化学作用所引起的金属损失的现象和过程。

按腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

电化学腐蚀过程可表示如下

氧化反应：Fe---Fe2++2e

还原反应：O2+2H2O+4e---4OH-

2H2O+2e---H2+2OH-

管道阴极保护基本知识

（1） 阴极保护的原理

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位（自然电位），腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子（如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。

阴极保护的原理：

是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

1）牺牲阳极法

将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。

在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护[1]。

2）强制电流法（外加电流法）

将被保护金属与外加电源负极相连，辅助阳极接到电源正极，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。其方式有：恒电位、恒电流等。如图1

图1 强制电流法

外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应，因此，辅助阳极本身存在消耗。

（2）阴极保护的基本参数

1)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,称作最小保护电流密度[2]。新建沥青管道最小保护电流密度为30—50μA/m2，环氧粉末的管道一般为10--30μA/m2，新建储罐罐底板最小保护电流密度为1--5mA/m2表示，老罐为5—10mA/m2。

2)最小保护电位

为使腐蚀过程停止，金属经阴极极化后所必须达到的绝对值最小的负电位值，称之为最小保护电位。

最小保护电位也与金属的种类、腐蚀介质的组成、温度、浓度等有关。最小保护电位值常常是用来判断阴极保护是否充分的基准。因此该电位值是监控阴极保护的重要参数。实验测定在土壤中的最小保护电位为－0.85V（相对饱和硫酸铜参比电极）。

3)最大保护电位

在阴极保护中，所允许施加的阴极极化的绝对值最大的负电位值，在此电位下管道的防腐层不受到破坏。此电位值就是最大保护电位。

外加电流阴极保护系统的主要设施

外加电流阴极保护系统主要由四部分组成：

直流电源、辅助阳极、被保护管道、附属设施

(1)电源设备（恒电位仪）

强制电流系统要求电源设备能够不断地向被保护金属构筑物提供阴极保护电流，要求电源设备安全可靠；电源电压连续可调；能够适应当地的工作环境（温度、湿度、日照、风沙）；功率与被保护构筑物相匹配；操作维护简单。

(2)阳极地床

辅助阳极是外加电流阴极保护系统中，将保护电流从电源引入土壤中的导电体。通过辅助阳极把保护电流送入土壤，经土壤流入被保护的管道，使管道表面进行阴极极化 (防止电化学腐蚀)，电流再由管道流入电源负极形成一个回路，这一回路形成了一个电解池，管道在回路中为负极处于还原环境中，防止腐蚀，而辅助阳极进行氧化反应遭受腐蚀。

管道实施阴极保护的基本条件

①、管道必须处于有电解质的环境中，以便能建立起连续的电路。如土壤、海水、河流等介质中都可以进行阴极保护。

②、管道必须电绝缘。首先，管道必须要采用良好的防腐层尽可能将管道与电解质绝缘，否则会需要较大的保护电流密度。其次，要将管道与非保护金属构筑物电绝缘，否则电流将流失到其他金属构筑物上，造成其他金属构筑物的腐蚀以及管道阴极保护效果的降低。

③、管道必须保持纵向电连续性。

阴极保护投入运行的调试

（1） 阴极保护投入前对被保护管道的检查

（2）对阴极保护施工质量的验收

1）对阴极保护间内所有电气设备的安装是否符合《电气设备安装规程》的要求。

2）对阴极保护的站外设施的选材、施工是否与设计一致。

3）图纸、设计资料齐全完备。

（4）阴极保护投入运行的调试

1）组织人员测定全线管道自然电位、土壤电阻率、阳极地床接地电阻，同时对管道环境有一个比较详尽的了解，这些资料均需分别记录整理，存档备用。

2）阴极保护站投入运行

 按照恒电位仪的操作程序开启，给定电位保持在-1.20伏左右[3]，待管道阴极极化一段时间(4小时以上)开始记录直流电源输出电流、电压，测试通电点电位、管道沿线保护电位、保护距离等。然后根据所测保护电位，调整通电点电位至规定值，继续给管道送电使其完全极化 (通常在24小时以上)。再重复第一次测试工作，并做好记录。若最远端保护电位过低，则需再适当调节通电点电位。

3）保护电位的控制

 各站通电点电位的控制数值, 应能保证相邻两站间的管段保护电位达到-0.85伏以上，同时各站通电点最负电位不允许超过规定数值。调节通电点电位时，管道上相邻阴极保护站间加强联系，保证各站通电点电位均衡。

4）当管道全线达到最小阴极保护电位指标后，投运操作完毕，各阴极保护站进入正常连续工作阶段。

本文从阴极保护的基本知识入手，给阴极保护初学者提供良好的基础知识，为今后更好的从事阴极保护积累理论知识。

参考文献

[1] 迟善武.  阴极保护恒电位仪的技术现状与展望[J]. 油气储运. 2006(08)

[2] 刘国良.  阴极保护方法的应用[J]. 石油化工腐蚀与防护. 2006(06)

[3] 许俊民.  阴极保护的应用[J]. 甘肃冶金. 2007(02)