典型區(qū)域性陰極保護應用探討

王 亞 毛 琦 徐 爽

（陜西君誠檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

據(jù)《中國工業(yè)及自然環(huán)境腐蝕調(diào)查與對策》柯偉院士報導：我國每年因腐蝕損失2008億元，間接損失是直接損失的1.5～2.0倍，包括間接損失每年損失5000億元。區(qū)域陰極保護是在對無法進行有效絕緣的一個區(qū)域內(nèi)的管網(wǎng)進行統(tǒng)一的陰極保護的方法，它可以有效地將整個區(qū)域內(nèi)的管網(wǎng)一同進行保護，抑制腐蝕的發(fā)生。區(qū)域陰極保護方法要與保護區(qū)外的管道進行電性絕緣。這種方法與一般的管道陰極保護在實施上是有很大的不同的。

1 腐蝕環(huán)境

某臨海鹽堿性地區(qū)占地面積約30km2，于2022年設計施工，各裝置的地上附屬原料、中間產(chǎn)品、成品儲罐分布各生產(chǎn)區(qū)；生產(chǎn)、消防、污水排放等地下管線密布全廠，管道管徑在25～1020mm之間，防雷、防靜電、接地網(wǎng)縱橫交錯。近期的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：地上各類金屬儲罐180余座，儲罐罐底面積約為65000 m2；各種埋地金屬管線總長200km，金屬管道表面積達80000 m2；附屬接地設施的金屬表面積為35000 m2。

廠區(qū)范圍內(nèi)全部為鹽堿性土壤，具有地下水位高（-0.6～-1.4m）、土壤電阻率低（小于3W·m）的特點，土壤對儲罐罐底、埋地管道以及其它地下金屬構(gòu)筑物具有極強的腐蝕性，有年腐蝕率達1mm/a的記錄。

地下設施外防腐層結(jié)構(gòu)各異，在設計初期，儲罐底外防腐僅采用環(huán)氧煤瀝青（留焊縫）防腐，地下管線僅采用石油瀝青玻璃布防腐。此外由于設計單位不統(tǒng)一，特別是基礎設計階段的儲罐及地下管線，存在普遍的防腐層剝離、失效情況，嚴重的還引起了腐蝕穿孔。

眾多的地上儲罐、地下金屬管道、電纜、金屬接地裝置構(gòu)成一個復雜的地下網(wǎng)絡。由于上述設施施工時防腐處理質(zhì)量的差異、強腐蝕性土壤環(huán)境中各種腐蝕電池的不斷侵蝕，隨時可能發(fā)生停水，以至停產(chǎn)事故，直接威脅到安全生產(chǎn)，成為影響工廠安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行的最大隱患之一。

另外，從經(jīng)濟上考慮，腐蝕漏點造成的直接和間接經(jīng)濟損失是巨大的。據(jù)統(tǒng)計，一處漏點的堵漏費用就近萬元人民幣，此外還有水資源的浪費、人力資源的浪費、管理資源的浪費以及其他的一些間接經(jīng)濟損失。

解決腐蝕問題，可以更換受損罐底、地下管線，這種方法投資巨大、施工周期長，還會影響正常生產(chǎn)；局部更換破損防腐層可以臨時解決腐蝕問題，這種方法施工難度大、環(huán)境污染嚴重，還會帶來同一設施涂層防腐能力不同而引起薄弱環(huán)節(jié)的新腐蝕，不能從根本上解決儲罐罐底和地下金屬構(gòu)筑物的腐蝕問題。

經(jīng)綜合分析，從經(jīng)濟、便利、可行的角度出發(fā)，對廠區(qū)內(nèi)的儲罐罐底和地下金屬管網(wǎng)進行大規(guī)模的區(qū)域陰極保護是治理腐蝕隱患比較的理想措施，這樣可以徹底抑制儲罐罐底和地下金屬管網(wǎng)的腐蝕，從根本上消除土壤腐蝕帶來的安全隱患[1]。

2 地質(zhì)、氣象環(huán)境

2.1 地質(zhì)資料

除地表0.2～0.4m厚的耕土或局部地段有回填土外，地層自上而下按土的成因和性質(zhì)，大致可劃分為四層：第一層：黃褐色亞粘土，地面下2m左右，成因為陸相；第二層：灰色粘土，地面下2～16.5m，成因為濱海相；第三層：黃色粘性土，地面下16.5～28.5m，成因為陸相；第四層：灰色粘土，地面下28.5～40m以下，成因為濱海與陸相交替，分部較均勻。

2.2 氣象條件

2.2.1 空氣濕度

相對濕度≥95%時的最高溫度 22.20℃

最大相對濕度 79%

平均七、八月份相對濕度 79%

平均一、二月份相對濕度 59%

2.2.2 降水

10分鐘最大降水量 21.0mm

一小時最大降水量 82.0mm

一日時最大降水量 171.2mm

年平均降水量 512.0mm

年最大降水量 762.5mm

2.2.3 凍土 59cm

2.2.4 地下水位

最高地下水位 -0.6～-0.8m

平均地下水位 -1.0m

最低地下水位 -1.4m

2.3 地震烈度 8度

3 設計選擇及施工方法

3.1 保護對象

地上各類金屬儲罐180余座，儲罐罐底面積約為65000 m2；各種埋地金屬管線總長200 km，金屬管道表面積達80000 m2；附屬接地設施的金屬表面積為35000 m2。

3.2 保護方法

經(jīng)過對廠區(qū)內(nèi)的腐蝕環(huán)境調(diào)查，選擇外加電流法為主的保護方法；又由于廠區(qū)內(nèi)管線密集、縱橫交錯，再加上工業(yè)建筑基礎、儲罐基礎、輸配電網(wǎng)、接地網(wǎng)，構(gòu)成了極其復雜的地下金屬結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，金屬網(wǎng)絡的屏蔽問題突出，所以設計采用深井陽極地床的輔助陽極，以解決進行陰極保護時復雜金屬網(wǎng)絡的屏蔽問題。

保護方法為采用60～80m深井陽極地床的外加電流陰極保護為主，對廠區(qū)地下輸水管網(wǎng)中的鋼質(zhì)管線實施保護，在個別屏蔽的欠保護區(qū)域輔助以鋅合金犧牲陽極陰極保護。

3.3 保護電流密度的選取和保護電流的計算

金屬構(gòu)件施加陰極保護時，使金屬達到完全保護時所需要的電流密度為最小保護電流密度，在設計時稱為陰極保護電流密度，選取的陰極保護電流密度大小是影響金屬構(gòu)件防蝕效果的主要參數(shù)，它與最小保護電位（鋼為-0.85V）相對應。如果選取的保護電流密度偏低，會造成保護不足，金屬構(gòu)件達不到完全保護，產(chǎn)生不同程度的腐蝕；反之，將會造成不必要的材料和施工的投入。

陰極保護電流密度與許多因素有關，如被保護金屬的種類、表面狀態(tài)、表面防腐層的種類和質(zhì)量、介質(zhì)的性質(zhì)、有效保護年限以及外界條件的影響等。這些因素的差異可使陰極保護電流密度由幾個mA/m2變化到數(shù)百個mA/m2。本案例根據(jù)以往的工程案例和綜合考慮廠區(qū)的實際情況，在廠區(qū)選取陰極保護電流密度為i=6mA/m2。結(jié)合“保護對象”中所給出的保護面積，計算保護電流為：

另外需要說明的是廠區(qū)經(jīng)過多次更換地下管道，有幾公里的廢棄管道仍埋于地下，在陰極保護設計時給予充分考慮。

施工當中應對管道的電絕緣性能進行檢測，對檢測出的漏點進行記錄。檢出漏點是否修補已在陰極保護投用后確定。

3.4 電源設備及陽極地床

（1）每座深井陽極地床采用一臺50V/50A恒電位儀供電，考慮到外加電流系統(tǒng)余量，以及廠區(qū)的實際情況，根據(jù)所需保護電流，在廠區(qū)安裝恒電位儀56臺；

（2）陽極地床采用深井陽極地床，井深60～80m，每眼井安裝組合陽極體9支，單支規(guī)格為φ323×6000mm。

3.5 均壓保護

均壓保護采用電纜或鍍鋅扁鋼將同溝鋪設、近距離平行或交叉走向的被保護管道，以及非焊接連接的同一條被保護管段間電性連接起來，達到均衡管道電位的目的。這樣可減小管道之間的電位差，確保電位分布均勻，防止雜散電流腐蝕，擴大陰極保護范圍。廠區(qū)設均壓線220處。

3.6 犧牲陽極

由于廠區(qū)裝置地基和罐區(qū)的屏蔽影響，以及距離陽極井太遠會使部分支線管道出現(xiàn)陰極保護不足，所以在以外加電流保護為主的系統(tǒng)中輔以鋅合金犧牲陽極保護解決局部保護不足問題也十分必要。本設計在廠區(qū)擬埋設260支18kg級的鋅陽極。

3.7 供電電源及電纜敷設

恒電位儀電源220/380V引自各變電所或低壓室配電盤備用回路，或改造已有回路。室外電纜主要以現(xiàn)有橋架結(jié)合直埋敷設。

電氣設備接地利用已有接地裝置或局部增加接地裝置。

3.8 陰極保護監(jiān)測

為進行陰極保護系統(tǒng)的日常管理，及時可靠地掌握地下管網(wǎng)的腐蝕情況，需設計安裝測試系統(tǒng)。確定廠區(qū)共設立160個電位綜合測試樁，用于在保護期間內(nèi)測量管道的保護電位。另外為檢查陰極保護工程的實際效果，在廠區(qū)內(nèi)埋設測試掛片20組，每組6片[2]。

4 保護效果

（1）有效保護年限30年；

（2）在有效保護期內(nèi)，管線的保護電位≤-0.85v（相對于Cu/CuSO4參比電極），全廠區(qū)的電位達標率≥98%；

（3）在有效保護期內(nèi)，管線的保護度≥99%；

（4）在有效保護期內(nèi)，被保護的管線的漏點數(shù)量逐漸減少，在原腐蝕嚴重部位之外不再新發(fā)生腐蝕穿孔。