接地系統(tǒng)對管道/儲罐陰極保護的影響與解決方案

張雯

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 電化學(xué)腐蝕的定義

金屬腐蝕中，比較常見的破壞形式是電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕主要是指在金屬與電解質(zhì)溶液中出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生了大量的電流，隨著電流的增加，腐蝕情況也會越來越嚴重。在同一金屬的表面上，發(fā)生腐蝕后，陽極為金屬，釋放大量的電子，并在溶液中與氧化劑獲取電子。

腐蝕電池的主要組成包括電路、電解質(zhì)溶液、陽極和陰極等部分，這幾部分一起構(gòu)成了腐蝕電池工作的重要環(huán)節(jié)，即陽極過程、陰極過程、電子與離子的移動等。

腐蝕原電池的組成如下：（1）陽極。陽極會出現(xiàn)金屬腐蝕或損失的情況，使電子得以釋放。（2）陰極。陰極很少有腐蝕的情況發(fā)生，甚至不會出現(xiàn)腐蝕，主要對電子進行接收。（3）金屬通道。使用導(dǎo)線連接陰、陽極，創(chuàng)造電子流動的通道。（4）電解質(zhì)。在相同的電解質(zhì)溶液中存在陰極和陽極。

2 陰極保護簡介

2.1 陰極保護的原理

接通腐蝕電池電路后，在電流作用下，電極電位出現(xiàn)與平衡電位偏離的現(xiàn)象稱之為是極化。陰極極化主要是指在陰極電流作用下，陰極電位會出現(xiàn)向負方向移動的現(xiàn)象；陽極極化主要是指在陽極電流作用下，陽極電位會出現(xiàn)向正方向移動的現(xiàn)象。

造成陰極極化的主要原因為陰極還原過程的速度比電子從陽極到陰極遷移的速度小，使大量的帶有負電荷的電子積累到陰極表面；造成陽極極化的主要原因為金屬溶解過程的速度比電子從陽極到陰極遷移的速度小，使陽極表面上堆積了大量的正電荷金屬離子。在陽極極化和陰極極化的影響下，陽極和陰極間的電池電位差或電動勢出現(xiàn)減少的情況，在電池電阻不出現(xiàn)明顯變化的情況下，電流強度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。所以，極化現(xiàn)象會使腐蝕電池工作出現(xiàn)被阻止與延緩的情況。

2.2 陰極保護參數(shù)

在陰極保護中，對金屬構(gòu)筑物是否被完全保護是通過保護電位判定的，其參考值為使用參比電極對金屬的保護電位進行測量所得的數(shù)值。通過合理改變保護電流密度，使其達到所設(shè)定的保護電位要求。因此，影響陰極保護的關(guān)鍵性參數(shù)分別為保護電流密度和保護電位。

2.2.1 保護電位

在陰極保護的前提下，金屬忽略腐蝕或者終止腐蝕后，所需要的電位值即保護電位。只有被保護金屬極化達到特定的狀態(tài)后，金屬腐蝕才能被徹底停止，在該狀態(tài)下，金屬表面上最活躍的陽極點的初始電位即該狀態(tài)的電位值。對于鋼構(gòu)筑物來說，鐵在特定的電解質(zhì)中溶解以后出現(xiàn)的平衡電位即該狀態(tài)的電位。所以，要獲得鐵的保護電位，只需獲得鐵的平衡電位。

對于電阻率比較高的介質(zhì)，在其中開展保護電位測量工作時，IR降的誤差會比較大。為此，國內(nèi)外的相關(guān)標準對鋼鐵構(gòu)筑物保護電位的規(guī)定進行了以下的補充規(guī)定：

1）將保護電流全部中斷后，對IR降產(chǎn)生的誤差進行有效去除，實現(xiàn)對鋼鐵構(gòu)筑物的極化電位的準確測量。同時對相對飽和硫酸銅參比電極的負向極化電位進行了規(guī)定，其取值要保持在-0.85 V以上。

2）中斷電流法。將0.5 s電流中斷后，實現(xiàn)對斷電電位的高效檢測，以此為基礎(chǔ)使被保護物實現(xiàn)極化。4 h以后，認真檢測電位的衰減值與基準值之間的差，如果其取值保持在100 mV以上，即視為合格。

2.2.2 保護電流密度

保護電流密度主要是指在單位面積上被保護結(jié)構(gòu)需要的保護電流。保護電流密度會受到很多不同因素的制約，金屬的表面狀態(tài)、介質(zhì)條件等都會給保護電流密度的大小帶來直接的影響。在不同類型鋼構(gòu)物埋地情況下，保護電流密度的具體取值情況見表1。

表1 不同類型鋼構(gòu)筑物埋地情況下的保護電流密度值

2.3 陰極保護方式

2.3.1 犧牲陽極

將另一電極連接到已經(jīng)發(fā)生腐蝕的電池體系里，該電極電位會出現(xiàn)相對負的情況，新電極與原有的腐蝕電池共同構(gòu)成新的宏觀電池，新電池的陽極是該相對負的電極，陰極為原有的腐蝕電池，在外加陽極的溶解作用下，產(chǎn)生的陰極電流對原電池的功能進行了陰極保護。這個相對負的電極即犧牲陽極，在電流流動的作用下，會消耗大量的犧牲陽極材料。犧牲陽極材料主要包括鋅和鋅合金、鎂和鎂合金、鋁合金。

犧牲陽極法比較簡單，優(yōu)勢為不會給鄰近金屬設(shè)施造成不良的影響、電流分散能力比較強、無須安排專人負責(zé)管理，且施工比較簡便。所以，犧牲陽極法在陰極保護中的使用范圍較廣。

2.3.2 外加電流

被保護的金屬構(gòu)筑物出現(xiàn)的陰極極化主要由外部的直流電源施加而實現(xiàn)的，使金屬腐蝕問題得到徹底的解決，即外加電流法。結(jié)合該原理不難發(fā)現(xiàn)，外加電流陰極保護系統(tǒng)主要由輔助陽極、電源和被保護的陰極構(gòu)成。

1）電源設(shè)備的基本設(shè)置。對于外加電流陰極保護系統(tǒng)，直流電源需要的供給保護用的電流需要具備較強的可靠性和穩(wěn)定性。在工程實踐中，電源設(shè)備的種類非常多，最為常見的有大容量蓄電池組、風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池、熱電發(fā)生器（TEG）、密閉循環(huán)蒸氣發(fā)電機（CCVT）、整流器和恒電位儀等。

2）輔助陽極的基本設(shè)置。對于外加電流陰極保護系統(tǒng)，與直流電源正極相連接的電極被稱為輔助陽極。其所發(fā)揮的主要作用是外加陰極電流在陽極介質(zhì)的作用下，及時流入被保護體中，高效組成電流的貫通回路。輔助陽極的各項性能會給陰極保護效果帶來直接的影響，所以，要合理地選擇陽極材料。

外加電流法的生命力非常強，發(fā)展速度也較快，其在港口設(shè)施、地下管線和船舶等方面得到了廣泛的使用。外加電流法的優(yōu)勢體現(xiàn)為隨著工程量的增加，成本投入減少、保護裝置使用時間延長和保護范圍增加。

3 接地系統(tǒng)對陰極保護的影響

3.1 防雷接地

防雷接地是外部防雷系統(tǒng)的重要組成部分，雷擊時產(chǎn)生的雷電流，經(jīng)過埋設(shè)于地下的導(dǎo)體釋放到大地中，避免集中聚集破壞性雷電能量。

在設(shè)置接地裝置時，其自然接地極可設(shè)置為與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬管道和鋼筋混凝土建筑物等；也可使用專門的人工接地極，如專門的金屬線材、金屬網(wǎng)等。目前大部分工程中，出于成本與效果考慮，多使用銅和熱鍍鋅的鋼材作為人工接地體。

3.2 接地系統(tǒng)與陰極保護系統(tǒng)間的矛盾

接地系統(tǒng)的地下構(gòu)筑物互相聯(lián)結(jié)，將電擊的風(fēng)險降到最低。管道陰保系統(tǒng)的構(gòu)筑物互相聯(lián)結(jié)，對陰極保護電流的需求量非常大。裸銅線作為接地導(dǎo)體時，陰極保護電流需求量增加到20多倍，90%以上的陰極保護電流被銅制接地體所消耗。工程項目溝通不暢，區(qū)域陰保系統(tǒng)與接地系統(tǒng)單獨存在。最佳接地材料為銅接地導(dǎo)體，其耐腐蝕、導(dǎo)電性良好。

3.3 接地系統(tǒng)與陰極保護互相影響的防護方法

3.3.1 電絕緣裝置

在項目實踐中，接地系統(tǒng)與儲罐和埋地管道保持電氣相連，裸金屬是主要的接地材料，使陰極保護電流被大量消耗，出現(xiàn)了異常情況。使用電氣隔離的方法處理接地系統(tǒng)與被保護的金屬設(shè)施，可解決陰極保護電流的流失問題，使二者在雷電/浪涌狀態(tài)中實現(xiàn)高效的連通，保證接地系統(tǒng)的正常運行。

工程中實現(xiàn)電氣隔離的方法為在接地系統(tǒng)及儲罐/埋地管道之間埋設(shè)電絕緣裝置。常用的電絕緣裝置如下：

1）固態(tài)解耦器：隔直流通交流，直流電流導(dǎo)通的閾值比較小，主要功能為防閃電和防浪涌，調(diào)整該閾值可實現(xiàn)直流電流單向?qū)ā?/p>

2）火花間隙：在正常狀態(tài)下，交、直流不會出現(xiàn)導(dǎo)通的現(xiàn)象，超過跳火電壓時交、直流電流能夠?qū)崿F(xiàn)較好地導(dǎo)通，然而殘壓比較高，交流電流無法有效通過，仍然可以達成較良好的防浪涌、防雷電作用。

3）氧化鋅避雷器：與火花間隙比較接近，交、直流電流若要導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓需超過跳火電壓，與火花間隙不同的是，未跳火之前有很小的泄漏電流。

3.3.2 聯(lián)合保護

需把項目現(xiàn)場的接地極、埋地金屬物當(dāng)作一個整體開展聯(lián)合保護工作，在設(shè)計接地系統(tǒng)的過程中，首選適合于陰極保護系統(tǒng)的接地材料，使儲罐和埋地管道的影響降到最低。

在設(shè)計聯(lián)合保護的陰極保護系統(tǒng)時，難點表現(xiàn)為陽極接地層的布置和陰極保護電流大小的確定。在確定陰極電流量時，使用的方法有：（1）結(jié)合以往的經(jīng)驗，對埋地金屬結(jié)構(gòu)需要的陰極保護電流密度進行科學(xué)估算，計算得出的陰極保護電流密度與被該系統(tǒng)保護的金屬結(jié)構(gòu)的總面積相乘，從而獲取所需電流；（2）在供電現(xiàn)場完成試驗工作，將臨時陰極保護系統(tǒng)安裝到項目現(xiàn)場測試區(qū)域，在確定被保護構(gòu)筑物的接地電阻時，以構(gòu)筑物的電位變化情況為依據(jù)，實現(xiàn)對陰極電流的準確計算[1]。

早期設(shè)計陽極層時，以自身積累的經(jīng)驗為依托，使工作效率普遍偏低。在進入信息化時代后，使用數(shù)值模擬法實現(xiàn)了對陽極層設(shè)計的優(yōu)化和升級。

3.4 接地系統(tǒng)與陰極保護的配合應(yīng)用

3.4.1 管道的接地與陰極保護配合

在安裝防雷和接地時，將其安裝到防雷接地極的電火花間隙位置，使防雷過程中的陰極保護系統(tǒng)得以高效的保護。在通常情況下，管道連接狀態(tài)下的電火花間隙始終處于開路狀態(tài)，不會給油氣管道的陰極保護系統(tǒng)造成任何不良影響。油氣管被雷擊以后，會出現(xiàn)不同程度的故障，間隙被擊穿后，管道上的過電壓會被快速帶入大地中，使管道免受雷擊的傷害。

3.4.2 儲罐的接地與陰極保護配合

1）防雷接地極為直接安裝的陰極來保護陽極，使單極雙用的效果得以實現(xiàn)。犧牲陽極陰極保護的過程中，陽極接地電阻不會超出防雷接地的范圍，陽極連接電纜的截面也會比規(guī)范中要求的數(shù)值大，使接地保護電極和陰極保護陽極的雙重作用得以實現(xiàn)。

2）將一層防滲膜粘貼到新建的罐體下方，在防滲膜中設(shè)置陽極，在防滲膜外設(shè)置接地電極。分開陰極保護用的陽極與接地電極，使接地電極中不會有陰極保護電子存在，使油液不會從罐底出現(xiàn)泄露的問題，避免地下水污染問題[2]。

3）將放電間隙設(shè)置在建成的儲罐避雷針接地極與儲罐管體的連接線上，一般情況下，放電間隙會保持開路狀態(tài)，使陰極保護電子不會發(fā)生從陽極流向接地電極的現(xiàn)象。雷擊出現(xiàn)過電壓以后，擊穿放電間隙，使通路得以形成，雷擊的過電流被全部釋放到大地中。

4 結(jié)語

對于目前的工程項目來說，地下管道的腐蝕保護逐漸成為每個項目中必須提到的要求。在設(shè)計工程項目的電氣和腐蝕保護的過程中，要協(xié)調(diào)陰極保護系統(tǒng)與電氣防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計工作，防止二者之間出現(xiàn)任何不良問題。

在石油化工工程項目中，陰極保護的使用范圍越來越廣，陰極保護系統(tǒng)被更多的建設(shè)單位所認可，顯著降低了金屬腐蝕對工程項目的長期影響。