钢质管道的阴极保护现状及发展方向
钢质管道的阴极保护现状及发展方向
董顺立 刘福治
(河南中拓石油工程技术股份有限公司 河南濮阳 457001 ）
前 言：随着我国石油天然气管道建设的逐步发展，截止2013年底，我国的石油天然气管道总长已达到14万公里。由于长输管道均采用埋地方式铺设，穿越地区的地理形态往往十分复杂，而且土壤对管道有着不同程度的腐蚀。管道一旦发生漏损状况可能会产生严重的后果。所以，及时的监测管道的腐蚀情况并采取合理有效的防护措施，对延长管道的使用寿命，维持管道的安全运行，有着十分重要的意义。 关键词：阴极保护、牺牲阳极、外加电流
0 引 言
埋地管道往往受到外部土壤和内部介质的双重腐蚀，目前公认的办法是采用管道内外壁防腐涂层同时施加阴极保护的方法。涂料涂层作为腐蚀控制的第一道防线，其作用是将金属管体与具有腐蚀性的土壤环境隔离，同时为附加阴极保护的措施提供必要的绝缘条件；阴极保护的目的是对涂层缺陷处的金属管体提供电化学保护。
小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护。
由外电路向金属通入电子，以供去极化剂还原反应所需，从而使金属氧化反应(失电子反应) 受到抑制。当金属氧化反应速度降低到零时，金属表面只发生去极化剂阴极反应。
保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V （CSE ），也就是说，当金属处于比-0.85V （CSE ）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。
阴极保护是一种控制钢质储罐和管道腐蚀的有效方法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长储罐和管道的使用寿命。根据美国一家阴极保护工程公司提供的资料，从经济上考虑，阴极保护是钢质储罐防腐蚀最经济的手段之一。 1.1 网状阳极阴极保护方法
网状阳极阴极保护方法是目前国际上流行且成熟的针对新建储罐罐底外壁的一种有效的阴极保护新方法，在国际和国内都得到了广泛应用。网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连接
1 阴极保护技术
阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。美国腐蚀工程师协会（NACE ）对阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属, 如铝、锌或镁。阳极材料不断消耗, 释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构。
保护原理:金属—电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧化反应过电位减
片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极。阳极网预铺设在储罐基础中，为储罐底板提供保护电流。
网状阳极保护系统较其它阴极保护方法具有如下优点：
1) 电流分布均匀，输出可调，保证储罐充分保护。 2) 基本不产生杂散电流，不会对其它结构造成腐蚀干扰。
3) 不需回填料，安装简单，质量容易保证。 4) 储罐与管道之间不需要绝缘，不需对电气以及防雷接地系统作任何改造。
5) 不易受今后工程施工的损坏，使用寿命长。 6) 埋设深度浅，尤其适宜回填层比较薄的建在岩石上的储罐。
7) 性价比高，造价仅为目前镁带牺牲阳极的1倍；虽然长期由恒电位仪提供电流，但其可靠性，寿命和综合经济效益远高于牺牲阳极。 1.2 深井阳极阴极保护
深井阳极阴极保护是近年来兴起的一种阴极保护方法，采用的阳极与浅埋基本相同，但施工较浅埋阳极复杂得多，且一次性投资比较高，调试比较麻烦。现场是否适合采用深井保护还需考虑当地的地质情况、地层结构以及周围金属构筑物的分布情况。但从其保护效果及投资来说，推荐在需要对整个大型罐区和埋地管网进行保护时采用。深井阳极也可用于保护长输管道，但由于现场施工复杂等原因，一般很少采用。 1.3 埋地钢结构防腐蚀技术
埋地金属构筑物的种类繁多，包括输送各种流体的金属管道、管网，也包括各种各样的金属储罐，以及各种避雷接地装置（网）等等。这些金属构筑
物直接或通过防腐层间接与土壤接触。土壤是由固态、液态、气态三相物质所组成的复杂的混合体系，它的结构、成分以及其它环境因素的相互作用，使得土壤腐蚀性比其他介质更为复杂。土壤酸碱性、细菌类型及含量、无机盐离子类型及含量、杂散电流大小及方向等是影响其腐蚀性能的重要因素，有时土壤的这种腐蚀是很严重的。总体上讲，土壤腐蚀会不同程度降低金属构筑物的使用寿命。而且，由于不同条件下金属构筑物会发生不均匀腐蚀，对管道而言会造成局部穿孔，更是大大影响了整条管道的使用寿命。因此对埋地金属构筑物进行有效的保护是十分必要的，现有解决方案一般采用外涂层与阴极保护联合使用的方法。阴极保护分为牺牲阳极保护和强制电流保护两种方法，以下对两种方法分别进行介绍。 1.3.1牺牲阳极法
牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。
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，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极。通常用作牺牲阳极的材料有镁和镁合金、锌合金、铝合金等。镁阳极适用于淡水和土壤电阻率较高的土壤中，锌阳极大多用于土壤电阻率较低的土壤和海水中，铝阳极主要应用在海水、海泥以及原油储罐污水介质中。
牺牲阳极保护法的主要特点是：
(1) 适用范围广，尤其是中短距离和复杂的管网
(2) 阳极输出电流小，发生阴极剥离的可能性小 (3) 随管道安装一起施工时，工程量较小 (4) 运行期间，维护工作简单。
(5) 阳极输出电流不能调节，可控性较小。 套管中管道的阴极保护 ：
当管道穿越公路、铁路时，需要加钢质套管。为了保证套管中管道在设计寿命年限之内不受腐蚀，必须采用镯式锌阳或锌带极进行阴极保护。 牺牲阳极 ：在腐蚀介质中，当牺牲阳极与保护体形成电性连接后，靠阳极自身的溶解提供阴极保护电流，作为牺牲阳极的材料一般具备以下几个条件：
（1）具有足够负的电位，且很稳定。
（2）工作中阳极极化率小，溶解均匀，产物可自动脱落。
（3）有较高的电流效率。 （4）电化学当量高。
（5）腐蚀产物无毒，不污染环境。 （6）价格便宜，来源方便。
目前较常用的牺牲阳极材料有锌基、铝基和镁基合金阳极，其材料成分和电化学性能不同，应用环境也有所不同。 1.3.2强制电流保护法
强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在被保护结构周围同一电解质环境中埋设辅助阳极，通过直流电源以辅助阳极为阳极，以被保护结构为阴极，构成供电回路，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属强制变成阴极以实施阴极保护。 强制电流保护法的主要设备有，恒电位仪、辅助阳极、参比电极。
强制电流保护法的主要特点是：
(1) 适用于长输管线和区域性管网的保护 (2) 输出电流大，一次性投资相对较小 (3) 安装工程量较小，可对旧管道补加阴极保护 (4) 运行期间需要专业人员维护 (5) 容易实现远程自动化监控
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。
2阴极保护的应用条件
为了能够建立起连通的电路，腐蚀介质必须是导电材料。被保护的金属材料在所处的介质中容易进行阴极极化，否则会导致耗电量大，不宜进行阴极保护。对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑其几何上的“屏蔽作用”，防止保护电流的不均匀性。为了降低保护电流密度，要采用覆盖层绝缘，为防止电流的流失还要将保护构筑物与非保护构筑物进行电绝缘。
3阴极保护技术的发展方向
阴极保护技术作为当前最有效的防腐措施，在国内石油公司很受重视。但是与国外的发展情况相比较，还是有一定的差距。 3.1测试方法的改进
管道阴极保护状况测试、评价方法、手段及设备落后。采用-0.85 V 作为阴极保护有效电位判据，已经难以应对复杂的外界条件引起的腐蚀。在通电状态下进行管道阴极保护电位测试，土壤中存在阴极保护电流，用地表参比法所测得管地电位中包含有IR 降成份，难以对管道保护效果进行有效的评价，从而导致部分管道局部管段处于欠保护状
况。
3.2数值计算应用的深入
随着计算机的普及和广泛应用，数值计算已经广泛应用于现代工程中。数值计算方法来研究阴极保护体系的电位分布问题，有着巨大优势，数值模拟计算可以提供例如电位、电流密度的分布规律和电能消耗等应用中需要的设计参数，预测涂层性质的变化和杂散电流的干扰作用等各种因素对阴极保护系统的影响，可以确定阳极种类、形状、数量、位置等参数，评价保护效果，优化阴极保护方案。 3.3应用领域的拓宽
国内的阴极保护主要用于油气管道方面，对于有些领域重视不够，如混凝土管和大型基础的保护，城市供水供气管道等。随着城市管网布局的逐步完善和国家对基础设施建设力度的不断加大，阴极保护技术应向这一方向发展 3.4石油行业体系标准的健全
目前国内的石油行业已基本形成自己的标准体系，但和国外的行业标准如NACE 、DIN 等相比，在测量技术、交直流标准方面还存在争议，还需要进一步研究确定。
4结束语
阴极保护作为防止埋地管道腐蚀的重要措施，已经得到了广泛的认同，基本可以做到与管道同步设计、施工、投产，因而长输管道的寿命在可以能保证在30年以上。通过不懈的技术研究和探索，我国的阴极保护水平已经有了快速的提高，但是仍然要注意眼下的不足，本着降低损耗，提高效率，增加经济效益的基本原则，不断完善阴极保护技术。