柔性陽極在實(shí)施陰極保護(hù)中的應(yīng)用

胡興國

摘 要：柔性陽極又稱為聚合物陽極，是一種在銅芯上包覆導(dǎo)電聚合物形成的特殊的連續(xù)性陽極，其中銅芯的作用主要是導(dǎo)電，而導(dǎo)電聚合物則具有參與電化學(xué)反應(yīng)的功能，因?yàn)殂~芯是一種電導(dǎo)性非常優(yōu)良的材質(zhì)，所以能夠在數(shù)千米長的陽極上設(shè)置一個(gè)匯流點(diǎn)，當(dāng)聚合物陽極在土壤中進(jìn)行使用時(shí)，就會(huì)在它的周圍填充焦碳粉末而形成一種陽極地床，一般來說其在地床中最大的工作電流可以得到達(dá)到82mA/m左右。雖然和其它的集中陽極相比，它的工作電流密度不高，然而因?yàn)槠淠軌蚩拷槐Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)物鋪設(shè)出連續(xù)地床，能夠提供一種更為均勻且有效的保護(hù)，所以在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：柔性陽極；陰極保護(hù)；恒電位儀

前言

2001年11月，根據(jù)中國石油管道公司科技研究中心的設(shè)計(jì)方案，對(duì)鄯善站實(shí)施了以外加電流陰極保護(hù)方式為主的陰極保護(hù)改造，對(duì)整個(gè)站區(qū)埋地金屬設(shè)施提供腐蝕防護(hù)。設(shè)計(jì)中采用了兩組含鉻高硅鑄鐵深井陽極地床。陽極尺寸Φ75*1200mm，分兩組安裝在陽極井內(nèi)。井深50米，每個(gè)陽極井內(nèi)裝有12支陽極。廢除了站區(qū)原有的扁鋼、角鋼接地網(wǎng)，避免保護(hù)電流的大量漏失。在陰極保護(hù)改造施工過程中，根據(jù)管道的保護(hù)效果，臨時(shí)增加了三處淺埋陽極地床 平均分布在保護(hù)區(qū)域的四角。系統(tǒng)運(yùn)行后，各測試樁電位全部在-1.0～-1.4V之間（vs Cu/CuSO4）達(dá)到《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》SY/T 0036-2000保護(hù)要求。

但根據(jù)最新的國標(biāo)GB/T 21448-2008要求，對(duì)保護(hù)效果的判定采取的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該采用管道陰極極化后的極化電位判定陰極保護(hù)的效果。

在實(shí)際測試操作中，根據(jù)GB/T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的要求，我們在鄯善站內(nèi)陰保系統(tǒng)串聯(lián)接入斷路器，測量管道的斷電電位并與通電電位相比較如表1。

通過以上測量結(jié)果可以看到，站內(nèi)管道的斷電電位未達(dá)到合格的保護(hù)數(shù)值，被保護(hù)的管道處于欠保護(hù)狀態(tài)。在這種情況下，如果管道的防腐層存在破損，管道將很快發(fā)生腐蝕。

2010年11月，根據(jù)GB/T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，再次對(duì)鄯善站實(shí)施了站區(qū)陰極保護(hù)改造以及防靜電接地極改造。文章從保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)計(jì)計(jì)算、系統(tǒng)安裝流程和注意事項(xiàng)等幾個(gè)方面對(duì)此次工程進(jìn)行了闡述，得出柔性陽極的使用壽命及保護(hù)效果已達(dá)到甚至超過了我國國家相關(guān)規(guī)范的要求，并且施工簡單維護(hù)方便。

1 柔性陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

一般來說，柔性陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括柔性陽極、恒電位儀以及參比電極、測試樁和相關(guān)的電纜等幾個(gè)組成部分。其中柔性陽極通常應(yīng)埋設(shè)在距埋地管線外側(cè)管壁大于或等于300mm的位置，在距離陰極保護(hù)間最近的管線位置還應(yīng)當(dāng)埋設(shè)一支控制參比電極，同時(shí)在最遠(yuǎn)端管線位置需要埋設(shè)一支參比電極，主要用于對(duì)管線末端的保護(hù)效果進(jìn)行檢測，恒電位儀則應(yīng)當(dāng)安裝在陰極保護(hù)間之中，主要承擔(dān)著把交流電源轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成直流的任務(wù)，通過參比電極來實(shí)現(xiàn)對(duì)其電流輸出的有效控制。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 總保護(hù)電流的計(jì)算

公式為I=S×JS符號(hào)意義上，I代表的是管道所需總保護(hù)電流，單位為A，S代表的是管道總面積，單位為m2，JS代表的是管道所需的最小保護(hù)電流密度，單位為A/m2。

2.2 系統(tǒng)所需柔性陽極的長度

公式為Lf= 符號(hào)意義上，中Lf代表的是所需柔性陽極長度，單位為m，I0代表的是最大輸出線電流密度，單位為A/m。

2.3 計(jì)算從陽極接線點(diǎn)開始的陽極最大長度

我們接著埋地管道的陽極設(shè)計(jì)曲線，綜合考慮柔性陽極的線電流密度，可以找到未加修正的陽極長度Lf。接著再通過土壤電阻率和土壤電阻率修正系數(shù)表，計(jì)算出每年度土壤電阻率的最小值，即是ρ，就能夠計(jì)算出修正系數(shù)F。通過公式Lmax=L×F，我們就可以得到最大陽極長度。其中L代表的是被保護(hù)管道長度，而Lmax代表的是確保均勻電流輸出的從陽極接線點(diǎn)開始的陽極最大長度。需要注意的是，必須保證Lmax要超過被保護(hù)管道長度L，以防止部分管道欠保護(hù)問題的出現(xiàn)。

2.4 計(jì)算陽極接線點(diǎn)位置

由于柔性陽極需要平行敷設(shè)在被保護(hù)管道長度，也即是L內(nèi)。當(dāng)L的長度低于最大陽極長度Lmax時(shí)，僅需要采用一個(gè)陽極接線點(diǎn)即可，但當(dāng)L長度高于最大陽極長度Lmax，施工中就必須增加陽極接線點(diǎn)，綜合考慮陽極接線點(diǎn)位置，據(jù)此再設(shè)計(jì)陽極接線箱的位置。在設(shè)計(jì)時(shí)陽極接線位置除了可以是陽極的一端外，也可以設(shè)計(jì)在陽極的另一端，如果需要的話，也可以設(shè)計(jì)在陽極中間的某個(gè)位置。借助柔性陽極特有的接頭或者端部密封件，根據(jù)實(shí)際情況可以靈活應(yīng)用。

2.5 計(jì)算恒電位儀或者整流器設(shè)備規(guī)格

公式利用上，設(shè)備輸出電壓的計(jì)算公式為：U=I×R+U1，而回路電阻的公式為：R=R1+R2+R3。符號(hào)意義上，I代表的是管道所需總保護(hù)電流，單位為A；U1代表的是柔性陽極的反電動(dòng)勢，單位為V；R1代表的是管/地電阻，單位為Ω；R2代表的是陽極/地電阻，單位為Ω，約占據(jù)到總回路電阻的60%到80%之間；而R3代表的是導(dǎo)線電阻，單位為Ω。

3 系統(tǒng)安裝流程注意事項(xiàng)

3.1 柔性陽極敷設(shè)

柔性陽極進(jìn)入保護(hù)管道同溝敷設(shè)，水平方向被保護(hù)管線約為300mm。埋設(shè)深度與被保護(hù)體基本在同一水平面上。需要注意的是：

（1）陽極回填土應(yīng)過篩，其中不得夾雜磚瓦或者金屬等硬物，防止導(dǎo)致陽極損壞。

（2）如果柔性陽極和站場內(nèi)埋地管道、接地極和電纜或者其他埋地構(gòu)筑物需要交叉時(shí)，必須確保兩者間距等于或大于300mm，同時(shí)還要在交叉處行防護(hù)網(wǎng)罩處理，防止由于沉降等因素而導(dǎo)致兩者相碰。

（3）如果柔性陽極出現(xiàn)相互交叉時(shí)，必須確保兩者間距等于或高于200mm，同時(shí)還要在交叉處兩方處于200mm范圍以內(nèi)的柔性陽極上，通過絕緣膠帶來做出絕緣隔離處理。

3.2 接頭連接、導(dǎo)通性測試

等到柔性陽極敷設(shè)完成后，就可以采用專用接頭來對(duì)柔性陽極接頭進(jìn)行連接。柔性陽極的連接采用專用接頭。柔性陽極的接頭處和陽極端部須采用專用的熱收縮套進(jìn)行處理。需要注意的是，單根管道的保護(hù)敷設(shè)一根陽極，兩根及兩根以上的管道，在管帶兩側(cè)各敷設(shè)一根陽極。同時(shí)還應(yīng)確保連接處銅線壓接可靠，仔細(xì)檢查編織物裁斷處收口是否良好，無焦炭段是否絕緣良好。

3.3 極化探頭安裝

極化探頭采用了先進(jìn)的技術(shù)工藝加工而成。它能有效的消除由于存在土壤IR降、雜散電流等因素所引起的電位誤差，從而達(dá)到精確檢測被保護(hù)構(gòu)筑物上的保護(hù)電位值。極化探頭易碎，搬運(yùn)時(shí)要小心輕放，以免摔碎，震裂探頭，不許扯拉電纜線作搬運(yùn)工具。

4 保護(hù)效果分析

該柔性陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)全部安裝完成之后，對(duì)保護(hù)管線的自然電位以及恒電位儀調(diào)試之后，加電對(duì)管線極化的電參數(shù)進(jìn)行了測試。

（1）從改造前的陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)來看，管段的陰極保護(hù)電位并未能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，究其原因，一方面是由于防腐層老化，存在破損，導(dǎo)致管道極化效果不好，在客觀上造成了電位不能夠達(dá)到保護(hù)程度。另一方面是由于接地極沒有使用鋅包鋼，從而造成陰極保護(hù)電流大量流失。

（2）改造后通過一年多的運(yùn)行觀察，管道陰極保護(hù)檢測數(shù)據(jù)來看，投運(yùn)后的輸出電流和輸出電壓基本維持在2.4V和3.7A。管道的陰極保護(hù)電位已經(jīng)能夠達(dá)到0.85-1.15mV的保護(hù)水平。另外，也發(fā)現(xiàn)其對(duì)其它已有的構(gòu)筑物以及防雷防靜電系統(tǒng)并沒有構(gòu)成任何影響，顯示了其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

綜上所述，柔性陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)具有較高的可行性和優(yōu)越性，但是柔性陽極在安裝過程中，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，嚴(yán)格控制其與被保護(hù)構(gòu)筑物之間的距離，盡可能的優(yōu)化施工方案，防止出現(xiàn)不必要的接頭和斷點(diǎn)。在計(jì)算電流密度時(shí)除了要分析整個(gè)管網(wǎng)接地系統(tǒng)對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)電流密度所帶來的影響外，還應(yīng)當(dāng)思考柔性陽極本身的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]GBT-21448-2008.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GBT21447-2008.鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范[S].

[3]趙建恒，王芷芳.推薦一種異形結(jié)構(gòu)管件防腐蝕措施[J].全面腐蝕控制，2011（09）.

[4]王芷芳，徐連軍.陰極保護(hù)在爾王莊水庫至津?yàn)I水廠供水管線的施工與檢測[J].腐蝕與防護(hù)，2011（12）.

（5）楊義軍，李文玉，王芷芳，杜艷霞.極化探頭在埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2010（04）.

[5]貝克曼WV，施文科W，普林茨W.陰極保護(hù)手冊電化學(xué)保護(hù)的理論與實(shí)踐[M].胡士信，王向農(nóng)譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.