淺談陰極保護(hù)技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用

宋文麗 高榮杰 吳昊 張冬梅 劉巖

摘要：本文對陰極保護(hù)技術(shù)原理、發(fā)展歷程及陰極保護(hù)技術(shù)分類、各類陰極保護(hù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了簡要介紹，并分析總結(jié)了陰極保護(hù)技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用可以減緩管道本體的腐蝕速率、延長管道運(yùn)行壽命，減少由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：陰極保護(hù) ?長輸管道 ?腐蝕 ?經(jīng)濟(jì)損失

腐蝕是材料在各種環(huán)境作用下發(fā)生的破壞和變質(zhì)。根據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家的統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國民生產(chǎn)總值的2%-4%，按此估計(jì)，我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失至少也有二千億元。因此，做好防蝕工作，推陳出新推廣科技新技術(shù)，已不僅是單純技術(shù)上的問題，而是關(guān)系到資源、能源、環(huán)保的重大戰(zhàn)略問題。

陰極保護(hù)是國際上公認(rèn)的防蝕技術(shù)，已有一百多年的歷史，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到地下、水中及化工介質(zhì)中的管道、容器、港口碼頭和船舶方面，防蝕效果之顯著在諸多技術(shù)中首屈一指，無可替代。

國內(nèi)埋地長輸管道目前均采用外防腐層和陰極保護(hù)相結(jié)合的防腐措施，這種措施可有效防止管道外腐蝕的發(fā)生。當(dāng)防腐層出現(xiàn)破損后，管道就存在腐蝕的危險(xiǎn)，這時(shí)就需要采用陰極保護(hù)系統(tǒng)對管道施加另一套保護(hù)避免管道發(fā)生腐蝕。

1陰極保護(hù)的原理

陰極保護(hù)是指將被保護(hù)金屬進(jìn)行陰極極化，使電位負(fù)移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學(xué)不均勻性所引起的腐蝕電池，使金屬免遭環(huán)境介質(zhì)（如土壤）的腐蝕。即用輔助陽極或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護(hù)管道、設(shè)備的腐蝕。從而達(dá)到延長被保護(hù)管道的使用壽命，提高其安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。經(jīng)實(shí)踐證明這是一項(xiàng)投資少，其經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯的技術(shù)。

2陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展史

早在1823年，英國學(xué)者漢.戴維先生接受英國海軍部隊(duì)木制艦船的銅護(hù)套的腐蝕研究，試圖用錫、鐵、和 鋅對銅進(jìn)行保護(hù)，并將鐵和鋅的保護(hù)列在1824年發(fā)表的報(bào)告中，這就是現(xiàn)代腐蝕科學(xué)中的陰極保護(hù)的起點(diǎn)。

1890年愛迪生曾設(shè)法用外加電流來達(dá)到船舶陰極保護(hù)的目的，然而，由于當(dāng)時(shí)沒有合適的陽極材料和電源設(shè)備，他的設(shè)想未能成功。

1902年K.科恩使用外加電流成功的實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的陰極保護(hù)。

1906年卡爾魯 赫公務(wù)工程經(jīng)理赫伯特.蓋波特建起了第一座陰極保護(hù)站。

1913年，在日內(nèi)瓦召開的金屬學(xué)會大會上命名 這一方法為“電化學(xué)保護(hù)”。

1906年德國的F.哈博和L.戈?duì)柕率访芩箯氖乱豁?xiàng)科學(xué)基礎(chǔ)研究。他們認(rèn)為陰極保護(hù)和雜散電流腐蝕都是 電化學(xué)現(xiàn)象。

R.J.科恩，于1928年在新奧爾良州一條長距離輸氣管道上安裝了第一臺陰極保護(hù)整流器。

1936年美國成立了中部大陸陰極保護(hù)協(xié)會。

1940年英國應(yīng)用了犧牲陰極保護(hù)，德國和日本分別是在1950。

1946年開始研究電化學(xué)保護(hù)理論的，并開 始了煤氣管道的陰極保護(hù)。

陰極保護(hù)技術(shù)在我國管道上的應(yīng)用始于1958年，首次應(yīng)用于克拉瑪依到獨(dú)山子輸油管道，到60年代，陰極保護(hù)已廣泛應(yīng)用于輸油管道。到了60年代初期，在新疆、大慶、四川等有氣管道 上陸續(xù)推廣了陰極保護(hù)技術(shù)。70年代，我國的場輸油管道已廣泛采用了陰極保護(hù)。自上世紀(jì)90年代末期，開始對儲罐底板施加陰極保護(hù)，到目前為止，幾乎所有輸油氣管道、儲罐、海洋結(jié)構(gòu)都施加了陰極保護(hù)。對輸水管道，混凝土鋼筋碼頭的陰極保護(hù)也逐漸展開。

目前，國外陰極保護(hù)技術(shù)已做到了法律化、標(biāo)準(zhǔn)化、比較重要的有《美國氣體管道聯(lián)邦最低安全標(biāo)準(zhǔn)》，德國的《長輸管道運(yùn)輸危險(xiǎn)液體的規(guī)定》，NACE的《埋地及水下金屬管道外腐蝕控制推薦做法》等。

中國第一部管道防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是SYJ7-84《鋼制管道和儲罐防腐蝕工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。六十年代初，我國開始研究陰極保護(hù)方法，六十年代末期在船舶，閘門等鋼鐵構(gòu)筑物上得到應(yīng)用。

3常用陰極保護(hù)技術(shù)

目前國內(nèi)長輸管道常用的陰極保護(hù)技術(shù)為犧牲陽極陰極保護(hù)和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)兩種。

（1）犧牲陽極陰極保護(hù)

將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金（即犧牲陽極）相連，使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率的方法。

在被保護(hù)金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極，從而實(shí)現(xiàn)了對陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)，如圖3—1所示。

犧牲陽極材料有高鈍鎂，其電位為-1.75V;高鈍鋅，其電位為-1.1V;工業(yè)純鋁，其電位為-0.8V（相對于飽和硫酸銅參比電極）。

優(yōu)點(diǎn)：

a一次投資費(fèi)用偏低，且在運(yùn)行過程中基本上不需要支付維護(hù)費(fèi)用;

b保護(hù)電流的利用率較高，不會產(chǎn)生過保護(hù);

c對鄰近的地下金屬設(shè)施無干擾影響，適用于廠區(qū)和無電源的長輸管道，以及小 規(guī)模的分散管道保護(hù);

d具有接地和保護(hù)兼顧的作用;

e施工技術(shù)簡單，平時(shí)不需要特殊專業(yè)維護(hù)管理。

缺點(diǎn)：

a驅(qū)動(dòng)電位低，保護(hù)電流調(diào)節(jié)范圍窄，保護(hù)范圍小;

b使用范圍受土壤電阻率的限制，即土壤電阻率大于50Ω·m時(shí)，一般不宜選 用犧牲陽極保護(hù)法;

c在存在強(qiáng)烈雜散電流干擾區(qū)，尤其受交流干擾時(shí)，陽極性能有可能發(fā)生逆轉(zhuǎn);

d陰極保護(hù)有效年限受犧牲陽極壽命的限制，需要定期更換。

（2）強(qiáng)制陰極保護(hù)

將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，由外部電源提供保護(hù)電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：整流器、恒電位、恒電流、恒電壓等。如圖3-2所示。

外部電源通過埋地的輔助陽極、將保護(hù)電流引入地下，通過土壤提供給被保護(hù)金屬，被保護(hù)金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，腐蝕受到抑制。而輔助陽極表面則發(fā)生丟電子氧化反應(yīng)。因此，輔助陽極本身存在消耗。

優(yōu)點(diǎn)：

a驅(qū)動(dòng)電壓高，能夠靈活地在較寬的范圍內(nèi)控制陰極保護(hù)電流輸出量，適用于保護(hù)范圍較大的場合;

b在惡劣的腐蝕條件下或高電阻率的環(huán)境中也適用;

c選用不溶性或微溶性輔助陽極時(shí)，可進(jìn)行長期的陰極保護(hù);

d每個(gè)輔助陽極床的保護(hù)范圍大，當(dāng)管道防腐層質(zhì)量良好時(shí)，一個(gè)陰極保護(hù)站的保護(hù)范圍可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百公里;

e對裸露或防腐層質(zhì)量較差的管道也能達(dá)到完全的陰極保護(hù)。

缺點(diǎn)：

a一次性投資費(fèi)用偏高，而且運(yùn)行過程中需要支付電費(fèi);

b陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要嚴(yán)格的專業(yè)維護(hù)管理;

c離不開外部電源，需常年外供電;

d對鄰近的地下金屬構(gòu)筑物可能會產(chǎn)生干擾作用。

4 結(jié)論

陰極保護(hù)是水中、土壤中金屬構(gòu)筑物的最為有效的腐蝕控制方法，他不但適用于新的裝置（如新建管道、艦船、儲罐、碼頭等），同樣也可以用于已遭腐蝕的舊裝置。例如東北管網(wǎng)始建于上世紀(jì)70年代，距今已有40年的歷史，目前運(yùn)行狀況良好，很大一部分原因正是得益于陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。因此，陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于長輸管道的防蝕工作中，不僅延長了管道的使用壽命，還減少由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。

參考文獻(xiàn)：

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