長輸管道陰極保護防腐技術(shù)分析

李保澤 王瑜

[摘? ? 要]市政管網(wǎng)的建設(shè)離不開各類管道，隨著現(xiàn)代城市化規(guī)模的不斷擴大和市政管網(wǎng)的功能性不斷提升，輸水管道的總長度和規(guī)格都發(fā)生了很大的變化。在長時間使用輸水管道過程中，由于所處地區(qū)的土壤條件以及地下水位等因素的影響，可能會出現(xiàn)嚴重的管道滲漏情況，因此為了保證長距離輸送管道的正常運行，就要減少出現(xiàn)腐蝕破損的情況，在長距離輸水管道的防腐保護中，陰極保護是最常使用也是效果最好的一類，它利用了電化學(xué)反應(yīng)將與化學(xué)腐蝕有關(guān)的腐蝕環(huán)節(jié)和因素進行了隔絕，避免了輸水管道由于腐蝕效果而造成的損壞。

[關(guān)鍵詞]陰極保護;防腐;技術(shù)應(yīng)用

[中圖分類號]TP391 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]The construction of municipal pipeline network is inseparable from all kinds of pipelines. With the continuous expansion of modern urbanization and the continuous improvement of municipal pipeline network functionality， the total length and specifications of water pipelines have undergone great changes. During the long-term use of water pipelines， due to the influence of factors such as soil conditions and groundwater levels in the area， serious pipeline leakage may occur. Therefore， in order to ensure the normal operation of long-distance transmission pipelines， it is necessary to reduce corrosion In the case of damage， cathodic protection is the most commonly used and most effective type of corrosion protection for long-distance water pipelines. It uses electrochemical reactions to isolate the corrosion links and factors related to chemical corrosion to avoid The damage to the water pipeline due to corrosion effects.

[Keywords]cathodic protection; anti-corrosion; technical application

輸水管道遍布城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村等各種地區(qū)，由于我國土地廣袤，因此各地區(qū)的地質(zhì)差異極大，在輸水管道建設(shè)途經(jīng)區(qū)域中可能會遇到平原丘陵，荒漠，沼澤等多種地形。不同地形的含水量承載力、地下水位以及地下有機物分布都存在極大的區(qū)別，不同的安裝環(huán)境內(nèi)有機物的自身情況和對腐蝕有利的因素分布情況都存在較大的出入，想要保證輸水管道長時間正常運行，首先要確保輸水管道自身不會出現(xiàn)破損腐蝕的情況，由于埋于地下土壤中的有機物和水分會長時間浸蝕，輸水管道表面材料與其發(fā)生反應(yīng)造成腐蝕情況。因此在輸水管道安裝過程中，在安裝前就要根據(jù)安裝位置的土質(zhì)情況和氣候條件，選擇合適的安裝保護方式，提高對未來會發(fā)生腐蝕情況的抵抗能力。

1 長輸管道腐蝕狀況出現(xiàn)的原因

1.1 細菌腐蝕

細菌腐蝕是過去防治管道腐蝕環(huán)節(jié)中一個被忽視的環(huán)節(jié)，過去研究人員往往將腐蝕作用，關(guān)注于化學(xué)反應(yīng)，但是沒有考慮到在遍布有機物的土壤之中一些特殊環(huán)境下會促成一些細菌的繁衍，而這些細菌滋生會與管道中的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，因此這也就造成了細菌腐蝕。雖然過去也有很多的防治措施，但這些措施在特定環(huán)境下的作用甚微。目前，關(guān)于常運輸管道的細菌腐蝕防治措施和內(nèi)部研究還缺乏有效的數(shù)據(jù)積累，仍然需要研究人員廣泛采集素材樣本進行調(diào)查研究，來彌補這個被長時間忽視的環(huán)節(jié)。

1.2 化學(xué)腐蝕

腐蝕的主要原因是由于土壤中的氧氣和氯氣與埋設(shè)的金屬接觸后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由于金屬沒有對兩種氧化性極強的氣體的防腐蝕措施，導(dǎo)致在潮濕緊密的環(huán)境中，氧氣和氯氣能夠廣泛與管道中的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，造成金屬元素的腐蝕。而這一腐蝕過程不會受其他化學(xué)反應(yīng)的干預(yù)，整個反應(yīng)會一直持續(xù)到金屬元素完全腐蝕，氧化還原反應(yīng)是整個化學(xué)腐蝕的主要基調(diào)。地下土壤環(huán)境適合這種氧化反應(yīng)的發(fā)生，由于管道中有大量金屬的鋪設(shè)，所以這樣的反應(yīng)發(fā)生的范圍非常廣泛，且腐蝕過程之后所生成的產(chǎn)物也會一直附著在管道中。

1.3 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕事實上就是金屬元素與電解質(zhì)溶液在特定環(huán)境下所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。大規(guī)模的管道金屬發(fā)生腐蝕，事實上都是電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，在土壤中由于水分不會被人為排除，因此可能會存在部分區(qū)域土壤內(nèi)部含水量較高，較高的含水量加上金屬的廣泛分布，以及土壤中各類元素分布不均勻，就會導(dǎo)致部分地區(qū)的土壤環(huán)境成為了類似電解質(zhì)溶液的環(huán)境。在這樣的環(huán)境下，化學(xué)反應(yīng)生成的速度極快，且特別適用于金屬的腐蝕反應(yīng)。在電化學(xué)反應(yīng)過程中金屬材料與電解質(zhì)溶液互相發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，埋地金屬在腐蝕過程中不斷經(jīng)氧化失去電子，這個反應(yīng)過程被稱之為陽極反應(yīng)。如果管道布置區(qū)域土壤環(huán)境和含水量等特定環(huán)境保持不變，這種電解質(zhì)環(huán)境就會一直存在，而以此所催生的氧化陽極反應(yīng)也會不斷進行，直到環(huán)境內(nèi)所有的可反應(yīng)的金屬材料被腐蝕完畢。

2 長輸管道陰極保護防腐的技術(shù)應(yīng)用注意事項

2.1 套管方式

通過總結(jié)了以上對管道金屬物會造成腐蝕作用的反應(yīng)方式和類型，后續(xù)在進行天然氣長輸送管道安裝布置時，就會人為地加入更多保護措施，而套管方式是格局管道內(nèi)金屬元素和土壤的物理隔斷方式。在進行管道安裝時，對其外部使用套管進行物理因子保護，套管方式成本投入低、作用范圍廣，能夠大規(guī)模投入使用，且保護效果穩(wěn)定。在保護不合理時屏蔽問題難以解決，工程作業(yè)人員會使用鋅帶以螺旋形纏繞在管道上，且每隔2m用管道焊接一次。

2.2 絕緣分析

由于天然氣管道發(fā)生腐蝕的化學(xué)反應(yīng)主要為電化學(xué)反應(yīng)，所以我們可以通過隔斷兩者之間的聯(lián)系來使電流在管道內(nèi)部起到絕緣效果，降低電流腐蝕，防止干擾。一般絕緣體會安裝在鋼管的連接位置以及新舊管或絕緣管與非絕緣管的連接位置，保證整個區(qū)域都能被有效的絕緣體進行分區(qū)域劃分，不會出現(xiàn)某個區(qū)域形成閉環(huán)。

2.3 交流干擾

管道中存在一定程度的干擾，不僅腐蝕性管道和線路，瞬時感應(yīng)電壓也可以突破管道，絕緣裝置很容易引起安全事故。對于這樣的問題可以犧牲陽極，施工應(yīng)在管道完工后立即進行，從而保證陽極接地效率。管道和接地導(dǎo)體之間的距離約為3m最為適用，管道與絕緣裝置和接地殼體之間串聯(lián)安裝，立即啟用接地電池，感應(yīng)電壓進入管道并通過接地裝置。

3 長輸管道陰極保護防腐的技術(shù)應(yīng)用注意事項

3.1 強制電流陰極保護方法

強制電流陽極保護材料一般選擇石墨陽極、鉑陽極、混合金屬氧化物陽極和廢鐵陽極?；靥盍虾完枠O共同構(gòu)成陽極電床，由于填料包裹著陽極金氣泡后，可以將其與陽極視為一體，增大了陽極與土壤的接觸面積，同時也能夠起到降低電阻的效果。使用填料之后能夠轉(zhuǎn)移陽極反應(yīng)產(chǎn)生的位置，從而減少和陽極材料消耗情況，延長其對于陰極保護的有效時間。使用回填料提升空氣流通性，避免氣體堵塞，確保陰極保護系統(tǒng)的長效運行。為確?；靥盍系墓δ苣軌虻玫秸_的發(fā)揮，回填料材料必須選擇導(dǎo)電體，并能夠與陽極材料和土壤之間構(gòu)成較好的導(dǎo)電性，由于填料的使用數(shù)量遠大于陽極，因此要保證此類材料整體采購成本低，便于供應(yīng)。

3.2 犧牲陽極的陰極保護法

犧牲陽極的陰極保護法是將兩種表現(xiàn)出不同活性的金屬連接在一起，并置于同一電解質(zhì)中，由于活性較強的金屬會率先失去電子產(chǎn)生腐蝕，而活性差的金屬又能夠受到這些流動電子的保護，減少其表面出現(xiàn)腐蝕的過程，因此在此過程中活性較強的金屬會被優(yōu)先腐蝕，用于犧牲陽極對陰極材料進行保護。當沒有供電條件或經(jīng)濟條件不允許時，可以使用犧牲陽極的陰極保護法，由于其主要是利用了陽極金屬反應(yīng)較快的特點，對土壤中元素的分布情況也有相應(yīng)的要求。適用于土壤的陽極材料為鎂元素，在海水中則是硒元素和鋁元素。犧牲陽極不能放在交談之中組合時陽極?；ハ嘀g的間距不得小于3m，陽極頂端的土壤覆蓋至少70cm，為能夠測量斷電電位需要與測量和進行連接，犧牲陽極的交流牽引系統(tǒng)，在應(yīng)用時陽極的交流感應(yīng)持續(xù)電壓不得超過20V。

4 長輸管道陰極保護防腐技術(shù)應(yīng)用

4.1 陽極材料選擇

像這類由于電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的材料復(fù)制情況，想要長效維護，采用陽極保護的方式，可以實現(xiàn)作用效果和投入成本之間的平衡。陰極保護系統(tǒng)分為犧牲陽極系統(tǒng)和強制電流系統(tǒng)，這兩類系統(tǒng)都適合在管道密布的區(qū)域進行布設(shè)。金屬發(fā)生腐蝕是由于化學(xué)反應(yīng)，例如金屬在電解質(zhì)溶液中會產(chǎn)生沉積物，這些沉積物包含大量的負電荷，腐蝕過程將停止使用犧牲電極的保護技術(shù)，將電解質(zhì)中的金屬元素主動性與陽極材料發(fā)生反應(yīng)，從而達到保護陰極金屬材料的目的，其中鎂元素的作用效率和影響時間是最久的，但由于鎂元素造價成本高，如果大范圍布置此類材料作為陽極犧牲，不僅造價成本較高，能源消耗也較大。因此在選擇電解質(zhì)溶液時，一般都選擇標準電極電位較小的金屬如鋁、錫、鎂、鐵、銅。

4.2 陽極材料計算

埋地管道所受到的腐蝕方式很多，其中大多數(shù)是電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕狀況出現(xiàn)后，就會出現(xiàn)一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生鐵原子腐蝕管道狀況，管道逐漸變薄后會產(chǎn)生腐蝕穿孔狀況。在管道附近鋪設(shè)活潑的金屬，活潑金屬陽極替代陰極完成了腐蝕。分析鐵的腐蝕狀況，研究金屬平衡電位使管道的腐蝕概率明顯下降，研究金屬電位變化，分析電子偏移狀況，研究直流電源裝置的控制特點后，確定陰極保護站兩側(cè)所防護的管道長度是有限的，其允許最大值稱最大保護長度，計算最大保護長度將保護技術(shù)進行應(yīng)用。

與其他附加的保護方式相比，采用這種應(yīng)急保護措施能夠使保護設(shè)計的效率更高，但同時也要注重對心肌保護電位的控制，對管道的直徑和所處環(huán)境的劇體壓力進行量化分析，為外保護層選擇合適的電流保護密度。管道采用三層PE保護，保證電流保護密，選擇三層PE保護層電阻為100000Ωm2，控制保護密度。在設(shè)計實踐中，具有三層PE保護層的管道的電流保護密度多取30 μA/m2，基于這些基本標準的建立，設(shè)計過程中收集所有的土壤參數(shù)和管道設(shè)計都專業(yè)地提供了管道的設(shè)計和設(shè)計圖紙，給出了犧牲陽極系統(tǒng)的公式計算并修改犧牲陽極的數(shù)量。

4.3 犧牲陽極地床

為了使陽極在土壤中可靠的工作，并能有效地防止土壤陽極鈍化，犧牲陽極層專門用于特定組件進行化學(xué)填充。陽極層可以溶解陽極腐蝕產(chǎn)物保持陽極以及陽極周圍的連續(xù)潤濕，材料與局部土壤的分離提供了陽極材料的電阻率。約1Ωm。隨著陽極輸出電流的增加，工作環(huán)境穩(wěn)定，鎂合金犧牲陽極在土壤中抵抗力>20Ωm，填料應(yīng)由75%石膏粉，20%膨潤土，工業(yè)硫酸鈉組成5%的質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)。填料預(yù)先包裝在厚袋的棉袋或袋中50 mm，并確保陽極厚度均勻，成分均勻緊湊。將相鄰站的電位進行測量，完成最小電位的有效保護，保護值為-0.85 V。分析最小電位的保護狀況以及保護條件，要求將最小電位控制在-0.85 V條件上。

5 結(jié)語

資源對于我國社會的發(fā)展以及未來的能源配給供應(yīng)有非常重要的作用，同時也契合我國可持續(xù)發(fā)展概念由于綠色材料運輸過程自身的特殊性，因此只能夠通過長距離管道運輸來進行長期有效的供應(yīng)，但在這一過程中如何保證管渠道自身不會出現(xiàn)腐蝕情況，造成泄漏和環(huán)境污染，就需要相關(guān)人員對管道發(fā)生破壞腐蝕的原因和機理進行分析，針對相應(yīng)的影響因素做出有效的預(yù)防措施和干預(yù)手段。

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