陰極保護技術(shù)在衡水市南水北調(diào)配套工程中的應(yīng)用

王偉

【摘要】埋地鋼質(zhì)管道的防腐措施主要有兩種，一是防腐層技術(shù)，二是陰極保護技術(shù)。本文以衡水市南水北調(diào)配套工程中某輸水管道下穿鐵路部位埋地鋼管陰極保護設(shè)計為例，對該項技術(shù)的設(shè)計要點進行說明，期望對類似工程有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】鋼制管道 陰極保護 帶狀鎂陽極

1 工程概況

衡水市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程第三設(shè)計單元某干線輸水管道需下穿石濟鐵路客運專線，交叉角度900，穿越段主管材采用鋼管（SP），外部加設(shè)鋼筋混凝土套管保護，鋼管與套管之間吹填中粗砂封閉。

根據(jù)地勘報告[1]，在干濕交替作用下，地表水試樣PH值為3～11、（Cl-+SO42-）大于500mg/L，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性；地下水試樣PH值為3～11、（Cl-+SO42-）含量為8438mg/L，對鋼結(jié)構(gòu)具強腐蝕性；管道埋設(shè)深度范圍內(nèi)表層約1.0m厚土壤電阻率為20～50Ω.m，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，表層1.0m以下土壤電阻率小于20Ω.m，對鋼結(jié)構(gòu)具強腐蝕性。

2 管道采取陰極保護的必要性

根據(jù)腐蝕電池原理，原電池的陽極和陰極同處與電解質(zhì)中，腐蝕電池作用的大小代表了腐蝕的速率，以公式[2]表達為：

式中：I-腐蝕電池作用時產(chǎn)生的電流；其值越大，金屬的腐蝕量越大。

U陰-陰極電位；

U陽-陽極電位。

可見，為防止或減輕腐蝕，可從兩個途徑入手，一是使分子部分U陰-U陽差值為零，即陰、陽極間電位差為零，即陰極保護；或是使分母R→∞，可通過絕緣防腐層來實現(xiàn)，把管道和電解質(zhì)（土壤）隔離，使R無窮大。

根據(jù)本穿越段管道周邊環(huán)境水土的腐蝕特性、工程重要性及相關(guān)規(guī)范的要求，對鋼管內(nèi)、外表面分別采用水泥砂漿（內(nèi)壁）和特加強級溶劑型環(huán)氧煤瀝青（外壁）進行防腐。考慮到管道外壁涂刷環(huán)氧煤瀝青雖然能夠有效地防止腐蝕介質(zhì)對管道的腐蝕，但由于漆膜難以避免的存在針孔、破損、漏涂等缺陷和自然老化，影響其防腐效果，而陰極保護和環(huán)氧煤瀝青保護層相結(jié)合，一方面可以防止防腐涂層破損處產(chǎn)生電蝕，另一方面涂層可大大降低陰極保護所需的極化電流，使得結(jié)構(gòu)物表面的保護電位分布均勻，可以達到更好的保護效果，因此對穿越段鋼管采用覆蓋層防腐和陰極保護相結(jié)合的防腐措施是必要的。

3 陰極保護原理

金屬腐蝕以腐蝕反應(yīng)的機理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是指金屬和電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用（腐蝕電池）而引起的金屬損耗，絕大多數(shù)情況下金屬的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。在一定條件下，極化作用可降低金屬的腐蝕速率，其中將被保護金屬進行陰極極化以減小或防止其腐蝕的方法稱為陰極保護法，可以通過強制電流法、犧牲陽極法等途徑實現(xiàn)陰極極化過程。

根據(jù)托馬曉夫三電極模型[3]，把腐蝕體系看做一個短路的二元電池（電極K-電極A），在其上連接第三電極（Zn），由于第三電極的接入，使得原來短路的二元電池發(fā)生了變化，新的電極Zn替代了A，向K提供電子，使A不再腐蝕，此為陰極保護。三電極模型見圖1。

圖1 托馬曉夫三電極模型

圖a為腐蝕著的金屬（K-A）和陽極（Zn）的接觸；圖b用來說明保護效應(yīng)現(xiàn)象的等效三電極模型。K為腐蝕電池的陰極，A為腐蝕電池的陽極（金屬母體），Zn為第三電極。

4 陰極保護方法選擇

陰極保護一般有犧牲陽極法和強制電流法兩種：犧牲陽極法是用一種比被保護金屬電位更負的金屬或合金與被保護金屬連接，其在電解液中因較活潑而優(yōu)先溶解，釋放出電流供被保護金屬陰極極化以實現(xiàn)保護；強制電流法是由外部的直流電源直接向被保護金屬通以陰極電流使之陰極極化，達到陰極保護的目的。兩種方法的優(yōu)缺點見表1。

表1 陰極保護方法的優(yōu)、缺點比較

方法 強制電流 犧牲陽極

優(yōu)點 輸出電流連續(xù)可調(diào)；保護范圍大；不受環(huán)境電阻率限制；工程越大越經(jīng)濟；保護裝置壽命長。 不需外接電源；對鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小；投產(chǎn)調(diào)試后可不需要管理；工程越小越經(jīng)濟；保護電流分布均勻、利用率高。

缺點 需要外部電源；對鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大；維護管理工作量大。 高電阻率環(huán)境不宜使用；保護電流不可調(diào)；防腐層質(zhì)量必須好；投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜；消耗有色金屬。

綜合以上比較分析，考慮到保護段長度較短，本工程選擇犧牲陽極的陰極保護法。

5 陰極保護設(shè)計

5.1 犧牲陽極種類選擇

通常根據(jù)環(huán)境（土壤或水）電阻率選擇犧牲陽極的種類，再根據(jù)保護電流的大小來選取陽極的規(guī)格。土壤中犧牲陽極選取的原則見表2。

表2 土壤中犧牲陽極種類的應(yīng)用選擇

可選陽極的種類 電阻率（Ω.m）

帶狀鎂陽極、鋅陽極 >100

鎂（-1.7V） 60～100

鎂 40～60

鎂（-1.5V） <40

鎂（-1.5V）、鋅 <15

鋅或Al-Zn-In-Si <5（含Cl-）

注：① 在土壤潮濕環(huán)境下，鋅陽極的范圍可擴大至30Ω.m；② 表中電位均相對Cu/飽和硫酸銅CuSO4。

由物探成果可知，管周土的電阻率一般小于20Ω.m，管內(nèi)充填的中粗砂干燥狀態(tài)下電阻率一般在200～600Ω.m左右，潮濕狀態(tài)下一般為40～60Ω.m，因套管在實際運行中完全密封很難達到和長久保持，雨季地下水從套管裂紋中滲入管內(nèi)并滯留形成腐蝕環(huán)境，若采用設(shè)棒狀陽極，由于套管的屏蔽作用犧牲陽極的保護作用有限，綜合考慮后決定在鋼管外壁敷設(shè)帶狀鎂陽極，以策安全。

5.2 保護電位

保護電位是指陰極保護時使金屬腐蝕停止（或可忽略）時所需的電位值。根據(jù)規(guī)范[4]要求，管道陰極保護電位（管/地界面極化電位）應(yīng)為-850mV（CSE，相對飽和硫酸銅電極，下同）或更負，陰極保護狀態(tài)下管道極限保護電位不能比-1200 mV（CSE）更負。