陰極保護技術(shù)在鋼制埋地管道及儲罐上的應(yīng)用

鄭 州

天然氣公司因為管道腐蝕所造成的安全事件對周圍的環(huán)境帶來極大的污染，同時給天然氣公司帶來極大的經(jīng)濟損失。要防止或者降低管道輸送過程中發(fā)生安全事故，有效解決地下管道與儲罐的應(yīng)用安全性問題，利用陰極保護技術(shù)對其進行防腐蝕保護要重要的價值和意義。陰極保護技術(shù)是一種長效性的防腐蝕方法，利用金屬在電解質(zhì)環(huán)境中發(fā)生的電位負移來達到防腐蝕的目的，在技術(shù)的應(yīng)用過程中也要很多的注意事項。作者秉承討論的態(tài)度，對陰極保護技術(shù)的相關(guān)技術(shù)性問題展開研究，對技術(shù)的應(yīng)用實踐進行探索，致力于更好地利用陰極保護技術(shù)在埋的管道與儲罐中的應(yīng)用，為管道運輸提供幫助。

1 陰極保護技術(shù)在鋼制埋地管道與儲罐防腐蝕原理

腐蝕是指所保護的金屬與周圍的環(huán)境發(fā)生物理及化學反應(yīng)的腐壞變質(zhì)現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計，某大型石油公司每年因為腐蝕所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失高度三百億元，還出現(xiàn)了由于腐蝕所產(chǎn)生的石油泄漏事件，其損失的經(jīng)濟價值與環(huán)境破壞程度非常的嚴重。由于石油管道與儲存罐都是采用活性較強的金屬制成，而陰極保護技術(shù)的應(yīng)用就發(fā)揮了非常好的作用。陰極保護法是犧牲陽極的一種金屬防腐蝕保護法，是通過一種防止金屬離子電解質(zhì)中腐蝕的電化學保護技術(shù)，其運用的技術(shù)性原理是對被保護的金屬表面施加一定量的直流電流，讓其產(chǎn)生出陰極的極化，當金屬的電位負于某一設(shè)定的電位值時，其腐蝕的陽極溶解的過程就得到了有效的抑制。利用不斷的陰極極化對金屬表面的化學不均衡性進行消除，從而達到對金屬的腐蝕性得到緩解的作用。陰極保護技術(shù)發(fā)展有很長的時間了，其應(yīng)用的范圍也非常的寬泛，對石油地下鋼制管道與儲罐的技術(shù)應(yīng)用中產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟價值。當管道或者儲罐的防腐蝕層出現(xiàn)了小缺陷的情況下，陰極保護的電流就會發(fā)揮其作用，其所需要的電流與防腐層的缺陷程度成正比，其金屬防腐層出現(xiàn)的缺陷越大所需要的保護電流也越大。當其腐蝕的破壞缺陷達到一定的程度，破損點的局部保護性電流就很難達到所需的標準，陰極保護系統(tǒng)就難當重任，其缺陷的管道位置就會發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。因此，陰極保護技術(shù)的應(yīng)用中，要對金屬構(gòu)造物的安全性提供保障，必須通過參比電極對金屬保護電位進行測量，要達到所需求的保護電位，可通過改變保護電流的密度來完成，可以說保護電流密度與保護電位是陰極保護應(yīng)用的兩大重要參數(shù)。要有效地降低地下管道與儲罐金屬的腐蝕性，提升其使用年限，必須做好定期的監(jiān)測性工作。

2 陰極保護方法的種類

2.1 犧牲陽極法

犧牲陽極的保護法又稱為犧牲陰極的陽極保護法，是一種防止金屬腐蝕的最好方法，其將還原性較強的金屬當成了其原有的保護極，與被保護的金屬進行關(guān)聯(lián)，其還原性較強的金屬作為電流循環(huán)的負極在自然環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生消耗，就會對被保護金屬的正極的活性進行降低，從而對被保護金屬獲得避免腐蝕的作用。其發(fā)生電流循環(huán)的過程中，有穩(wěn)定的負穩(wěn)定電位，被保護金屬的腐蝕發(fā)生率得到了有效的降低，其電流的效率穩(wěn)定且比較高，在單位重量中所產(chǎn)生的電流量較大，以此來降低金屬的腐蝕性產(chǎn)物對環(huán)境帶來的污染。其主要的優(yōu)點就是不需要外部電源，犧牲陽極的保護法應(yīng)用到地下管道中，通常能提供均勻的電流分配，很容易安裝卻也不需要過多的維護。也有一定的缺點，其驅(qū)動性的電流電壓較低，而在劣質(zhì)的涂層結(jié)構(gòu)中需要較多的陽極，在高電阻的土壤中的效果不佳。由于電流效率較低，每安培電流非相比外加電流陰極保護來說，其替換陽極的費用比較昂貴且困難。

2.2 強制外加電流法

強制外加電流法是通過對所保護的金屬增加直流電電源與輔助的陽極，增加電源與輔助陽極的最終目的是為了使陰極極化，人為地將陰極的電流外加到管道和儲罐上，從而實現(xiàn)陰極極化與降低金屬活性的目的，達到有效緩解金屬腐蝕的最終目標。其輔助陽極的建設(shè)必須要滿足導電性好、本質(zhì)耐腐蝕、機械強度高、放電的容量大、加工方便、材料加工較低的要求。而如今所選用材料通常有石墨、鋼、鋁、高硅鑄鐵、鉑等一些氧化物作為輔助陽極材料。強制外加電流法適用于高土壤電流率當中的金屬結(jié)構(gòu)，在地下管道與儲存罐的應(yīng)用中有比較好的優(yōu)勢。

2.3 排流保護法

排流保護法與上面兩種方法有很大的區(qū)別，其不是利用陰極極化的方式來進行陰極保護，而是采用一些對雜散電流環(huán)境中之中的雜散電流進行消除或者是減少，從而達到對陰極進行保護的效果。將其歸納為以下的三種方式：①由于雜散電流會對單位的穩(wěn)定性帶來不良的影響，要解決這樣的問題，可采用干擾源與電纜和保護器相連的方式，以此方法來抑制電流的增加，所要進行注意的是操作的過重中一定要謹慎地操作，防止錯誤性的操作；②由于雜散電流對單位的干擾通常都在正負極之間進行交替，因此利用二極管對電位的極性進行保護也是最好的方式，二極管其本身獨特性能保持雜散電流與干擾源之間的平衡：③當沒有雜散干擾源出現(xiàn)的情況下，其保護器與其它的設(shè)備不產(chǎn)生雜散電流時，應(yīng)當利用整流器對電流提供保護，在雜散電流產(chǎn)生時，可將漏極電流當作保護，而穩(wěn)壓器是進行強制放電的主要設(shè)備。

3 陰極保護技術(shù)在鋼制埋地管道中應(yīng)用策略

要對鋼制埋地管道做到最好的防腐蝕效果，可供多種方案進行應(yīng)用選擇，通過應(yīng)用實踐證明，陰極保護技術(shù)與覆蓋層的聯(lián)合防腐性措施的應(yīng)用效果較好，在實際的應(yīng)用中會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟性價值，行業(yè)內(nèi)的普遍性認可，這樣的聯(lián)合性措施被廣泛的應(yīng)用到我國的各個行業(yè)中，而油田的油品輸送管道也廣泛的采用。據(jù)相關(guān)的資料顯示，我國有約30000 公里的管道采用了陰極保護技術(shù)。不同的陰極保護法使用在不同的環(huán)境中，而犧牲陽極法在管道的防腐工程中應(yīng)用比較普遍。通過實踐證明，犧牲陽極的陰極保護技術(shù)對鋼制埋地管道在應(yīng)用中可有效的減少與防止電腐蝕的發(fā)送，進行陰極保護技術(shù)應(yīng)用之前，要對管道預(yù)埋位置的土壤進行實地的測試，針對性的制定出與當?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)的最合理的防腐蝕方案。

3.1 適用環(huán)境要求

犧牲陽極法只適用于水、沼澤與土壤中，這樣的環(huán)境中的電阻率的小直徑管道，或者是距離短、防腐層質(zhì)量較高的大直徑管道中。

3.2 安裝技術(shù)要求

將犧牲陽極安裝在與管道外壁的3m ～5m 遠的距離之間，陽極的頂部與地面的距離應(yīng)當控制在1m 開外，還要將其埋在凍土層的里面。如果安裝環(huán)境的土壤比較干燥的情況下，還要充分的結(jié)合土壤的外部環(huán)境，將陽極埋到更深的地方。如果安裝在河流的底部，應(yīng)當注意對河床的淤泥進行清除，要考慮到河床中陽極會遭受到損壞與洪水沖走的危險。也要直接的避免將土壤直接地埋在土壤之中，要盡量地減少土壤環(huán)境與陽極的直接性接觸，從而對陽極的消耗均勻性產(chǎn)生不良的影響。

3.3 電纜的篩選與施工的要點

通常保護性電纜都使用銅芯電纜，對犧牲陽極的電導線橫截面必須要大于4mm2，如果采用多股連線的情況下也要對導線的橫截面注意，單根導線的橫截面積必須大于2.5mm2。在電纜的選用上與要嚴格的遵照相關(guān)的技術(shù)性標準，并將其埋入凍土層的垂直距離大于0.5m 的深處，另外還要合理的控制管道與電纜部位焊接的縫隙，其縫隙必須要大于200mm，且離彎頭部位要保持一定的距離，進行電纜的焊接時要關(guān)注其橫截面的面積，如果出現(xiàn)電纜橫截面積較大的情況，要將電纜均勻的分成幾股來進行焊接，當電纜橫截面焊接部位形成無縫對接之后，還應(yīng)當在焊點處的外部纏上熱收縮的膠帶，通常將纏繞的熱收縮膠帶控制在250mm 寬度為宜，其外纏膠帶的搭接長度也應(yīng)當控制不小于100mm 的范圍內(nèi)，利用膠帶對焊點部位進行二重的保護。

3.4 絕緣裝置的施工要點

絕緣裝置在陰極保護的電路裝置中有非常重要的作用，絕緣接頭與絕緣管是最重要的組成部分，在一些較為特殊的環(huán)境中還會用到絕緣支架。在管道中可能還存在很多的風險區(qū)域，危險區(qū)域有發(fā)生爆炸的可能性，此時就采用絕緣支架來進行防火花的間隙橋接，以此方式來降低爆炸的發(fā)生概率，有效防止管道爆炸的危險性因素。對于絕緣裝置一定要進行定期的監(jiān)測，并利用對應(yīng)的保護性措施，對絕緣裝置的外在干擾因素進行排除；在套管與管道的端口處還要利用絕緣裝置來對其它的管道事故發(fā)生進行預(yù)防，絕緣接口的合理利用可提升管道的密封性，管道的密封性好能有效的減少管道外的土壤中水分對管道滲漏，對滲水的現(xiàn)象進行有效地避免。

3.5 管道測試裝置的安裝與設(shè)置

由于管道測試裝置是方法與措施的檢驗性過程，管道的測試結(jié)果直接對管道的防腐蝕措施效果產(chǎn)生直接的影響，在進行管道測試裝置的安裝與設(shè)置上有許多專業(yè)性的要求。進行安裝的過程中，要充分的考慮管道的地理環(huán)境，對管道與測試裝置的距離控制在安全的范圍內(nèi)。為了達到管道防腐蝕的最好效果，通常將兩個相鄰的管道測試裝置的距離控制在1m～3m的范圍內(nèi)。相對來說，市區(qū)與工業(yè)區(qū)的管道環(huán)境相對較好，也要控制在1 公里的范圍中。在環(huán)境復(fù)雜，雜散電流較多的干擾性區(qū)域中，要根據(jù)實際的需求對相鄰的測試裝置位置進行縮短。在并行的不同溝槽中鋪設(shè)多條相對平行的管道，對每條管道都應(yīng)當安裝一個與管道單獨配對的測試裝置，且確保每個測試裝置都有兩條電纜與管道直接關(guān)聯(lián)。陰極保護系統(tǒng)與管道測試裝置應(yīng)當同時進行安裝，并確保相互的性能適應(yīng)。將測試樁安裝在距離管中心線1.5m 的位置，利用鋁熱焊焊接的工藝將測試樁身固定到管道上。

4 陰極保護技術(shù)在儲罐中的應(yīng)用策略

從現(xiàn)階段來看，新聞報道的儲罐因為腐蝕因素發(fā)生的安全事件較多，要對儲罐的安全問題進行有效的解決，對儲罐的防腐蝕性能力進行提升。首先要對儲罐的防腐蝕措施作出統(tǒng)一的行業(yè)性標準，只有在科學合理的規(guī)范性標準的制定，才能客觀的評價儲罐的防腐蝕措施的優(yōu)劣性，減少陰極保護措施應(yīng)用在各個行業(yè)中的摸索時間。陰極保護技術(shù)應(yīng)用至今已經(jīng)有一百多年的歷史了，諸多的研究證明其確實是行之有效的方法，要進行實際的應(yīng)用，必須對儲罐的安裝環(huán)境進行實際的調(diào)查與測試，并結(jié)合儲罐本身所用材質(zhì)的防腐蝕性特點，制定出最佳的防腐蝕性方案。通常儲罐的內(nèi)部整體都要進行涂層防防腐蝕，另外對于儲罐的內(nèi)地版位置部位要進行涂層防腐蝕之外，還要使用犧牲陽極的陰極保護方法進行防腐蝕。因為儲油罐的底部經(jīng)常還存在一定量的鹽水，鹽水中的氯離子要很強的滲透性，從而導致了儲罐的底板遭到腐蝕的問題較為嚴重，同時鹽水也是一種電解液，陰極保護措施也要電解液的環(huán)境下才能真正地發(fā)揮出其防腐蝕的作用。因此，在儲油罐的底部利用陰極保護措施是最好的選擇。陰極保護的方法不僅適合原油儲罐，對于其它類型的儲罐或者是底部有沉淀水層的情況同樣適用。

4.1 適用環(huán)境要求

地下儲罐的環(huán)境都比較的復(fù)雜，通常還遭受雨水與沙子或者是土壤中的水、地下水、還原菌、硫酸鹽、溶解氧與可溶性離子的侵蝕，對地下儲罐外涂層中缺陷部位的防腐性鋼材的安全性帶來威脅。由于儲罐與管道所使用的原材料質(zhì)地不同，進行電氣連接時存在電氣腐蝕因素，同時埋地管道與儲罐的保護面積較小，其周圍土壤環(huán)境的電阻率有明顯程度的上升性趨勢，特別是土壤中出現(xiàn)細沙或者碎石其電阻率會更加的顯著增高。在充分的考慮其應(yīng)用經(jīng)濟性來說，其儲罐的材質(zhì)通常都選用鎂合金并將其作為犧牲陽極的原材料，故其管道的排水應(yīng)當應(yīng)用增加鋅陽極的方式。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)計算

要確保陰極保護措施的有效性，應(yīng)當對儲罐陰極保護面積進行精確的計算，結(jié)合罐內(nèi)涉水面積與罐外土壤成分和面積，通過計算的數(shù)據(jù)參考制作出最為合理的科學性保護方案，參考相關(guān)的標準從而確定出保護性電流的密度，同時計算陰極保護實際所需求的總電流，并計算出合理的保護時間；通過對每塊陽極重量來計算出實際需求的總重量，從而確定出陽極的總體數(shù)量。通過參數(shù)計算與整體的系統(tǒng)設(shè)計，對陰極保護技術(shù)的實際應(yīng)用性措施的有效性進行合理的設(shè)置。

4.3 遠程控制系統(tǒng)

儲罐的防腐蝕性保護也要應(yīng)用現(xiàn)代的信息技術(shù)，通過遠程控制的方式既減少了問題故障中人工消耗，還對儲罐的安全性因素得到了大幅度的提升。其遠程控制裝置通常由遠程通信系統(tǒng)、電源控制接口、前端的微機監(jiān)控系統(tǒng)、陰極保護數(shù)控電源與遠程控制中心等不同的功能部分組成，在儲罐發(fā)生故障或者是系統(tǒng)出現(xiàn)問題的情況下，會收到自動的系統(tǒng)預(yù)警從而精確的解決問題。

4.4 儲罐的防腐施工的技術(shù)要點

不僅要對儲罐進行基本的防腐性操作，首先要對儲罐的內(nèi)外進行清理，清洗完成后還要將儲罐內(nèi)外的水風干，干透后對其做表面的防銹處理，在缺陷明顯時還要對其進行修復(fù)性的處理；然后對儲罐的罐底與壁板進行仔細的檢查，確保罐底與板壁之間的間隙控制在涂裝施工要求的標準范圍內(nèi)，隨后將犧牲陽極的板塊直接焊接在罐體上，其焊接的過程也要確保技術(shù)操作的規(guī)范性，待焊疤冷卻之后將外層的焊接保護層去掉，清理完焊接點作業(yè)垃圾；最后進行防銹油漆施工，根據(jù)罐體的施工標準來看，罐體的內(nèi)底板與壁板要使用專業(yè)的絕緣性槽漆，而罐體的其它部位使用導靜電漆即可。由于埋地鋼制儲罐極為容易發(fā)生腐蝕甚至穿孔，應(yīng)當進行重視，通過儲罐安裝位置的環(huán)境特點與相關(guān)的參數(shù)計算，采用科學有效的預(yù)防性措施才能確保安全。

5 陰極保護技術(shù)發(fā)展的未來趨勢

陰極保護技術(shù)在鋼制埋地管道及儲罐上的應(yīng)用中有其本身的優(yōu)勢，對于其未來的發(fā)展趨勢，作者研究國內(nèi)外的相關(guān)性技術(shù)資料，并結(jié)合實踐的作業(yè)經(jīng)驗，歸納為以下幾個方向。

5.1 提升陰極保護的測量研究技術(shù)

測量技術(shù)的發(fā)展從一定程度上制約了陰極保護技術(shù)的發(fā)展，對陰極保護技術(shù)的設(shè)計與管理方面都帶來了不小的影響。測量技術(shù)的質(zhì)量提升旨在提供精確性更高的測量數(shù)據(jù)，為陰極保護技術(shù)提供技術(shù)參考的數(shù)據(jù)型性支持，從而實現(xiàn)更為科學合理的方案設(shè)計。社會經(jīng)濟法飛速發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境不斷重視的環(huán)境下，測量技術(shù)已經(jīng)體現(xiàn)出前所未有的技術(shù)性水平，但是陰極保護技術(shù)方面的融合度還有很大的發(fā)展空間。陰極保護要將測量技術(shù)的研究與技術(shù)融合為重要的發(fā)展方向，為陰極保護技術(shù)的應(yīng)用措施的優(yōu)劣性奠定基礎(chǔ)。

5.2 高效應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)

遠程技術(shù)在儲罐防腐工作中的應(yīng)用是陰極保護技術(shù)中現(xiàn)代信息技術(shù)的初探，而如今的現(xiàn)代信息技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，應(yīng)用到各個行業(yè)中都體現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢。在陰極保護技術(shù)的發(fā)展方面，現(xiàn)代信息技術(shù)的融合性應(yīng)用也是發(fā)展的最好方向。由于陰極保護技術(shù)在制埋地管道及儲罐的應(yīng)用中有其技術(shù)的特殊性，要將其進行技術(shù)的應(yīng)用性融合應(yīng)當還有很長的路要走。在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面都亟待提升，要設(shè)計出完全符合陰極保護設(shè)計的專業(yè)性軟件，需要陰極保護技術(shù)人才與軟件設(shè)計人才的技術(shù)性培養(yǎng)，共同研發(fā)才能促進融合的未來。

5.3 做好陰極保護監(jiān)測工作

監(jiān)測工作在陰極保護技術(shù)的應(yīng)用中有非常重要的作用，通過監(jiān)測工作可及時地了解和掌握腐蝕的過程與狀況，實現(xiàn)對管線的腐蝕參數(shù)設(shè)置與腐蝕速度的測量與監(jiān)控，通過金屬的腐蝕參數(shù)分析出腐蝕結(jié)果，對產(chǎn)生腐蝕的結(jié)果與腐蝕的相關(guān)因素進行分析。并通過技術(shù)管理與企業(yè)的決策層及時知曉腐蝕的情況，全面統(tǒng)一有計劃、有目的展開防腐蝕工作，實現(xiàn)企業(yè)降低成本提升效率的目標。通過減緩與防止防腐蝕對管道與儲罐帶來的危害，在不斷地實踐工作中提升防腐蝕工作的技術(shù)管理水平，保障管線的正常應(yīng)用帶來更大的價值。

腐蝕監(jiān)測的重要性體現(xiàn)在它能對管線的腐蝕因素得到及時的了解，并針對性的制定出防腐蝕的有效性措施的基礎(chǔ)，同時也是評價和監(jiān)督防腐措施的有效性的最好手段與方法。陰極保護監(jiān)測技術(shù)是由實驗室腐蝕實驗方法與無損設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)融合發(fā)展而來的，監(jiān)測設(shè)備不僅要監(jiān)測管道的被腐蝕性狀況，還要腐蝕環(huán)境的變化與介質(zhì)的腐蝕問題進行監(jiān)測，從而達到更好的防腐蝕監(jiān)測效果。

6 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段中陰極保護技術(shù)工程的應(yīng)用有非常廣闊的市場前景，但技術(shù)的應(yīng)用過程還在持續(xù)的進行發(fā)展。在地下管道與儲罐的防腐蝕措施應(yīng)用中，還應(yīng)該保持對行業(yè)的前瞻性探索目光，對防腐蝕性措施技術(shù)不斷的創(chuàng)新為前提，對陰極保護技術(shù)創(chuàng)建嚴格的標準性體系，從而最大程度的降低管道應(yīng)用中發(fā)生事故的概率。