陰極保護設(shè)計中的幾個問題

1、陰極保護設(shè)計中的幾個問題王健孟繁強王芷芳摘要 針對目前陰極保護工程設(shè)計中出現(xiàn)的有關(guān)陽極地床、保護電 流需要量套管絕緣法蘭及長效硫酸銅參比電極等問題，提出一些看法。關(guān)鍵詞 煤氣管道 陰極保護中圖分類號TU996.7PROBLEM ABOUT CATHODIC PROTECTION DESIGNWang Jian Meng Fanqiang Wang ZhifangABSTRACT Some suggestions ere given about the anode ground bed,the needed amount of protection current,bushing and the

2、 long lasting CuSO reference eletrode in the cathodic protection design.KEY WORDS gas pipeline,cathodic protection1前 言陰極保護與涂層的聯(lián)合保護可取得巨大的經(jīng)濟效益與社會效益，日 益被人們所公認，逐漸被人們所接受，并在管道、貯罐的建設(shè)中做到了 與主體工程同時勘察、設(shè)計、施工和投產(chǎn)。本文就目前在陰極保護設(shè)計中存在的一些問題，提出來供大家討論。2強制電流輔助陽極設(shè)計按我國石油行業(yè)標準SYJ36-89埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè) 計規(guī)范對輔助陽極接地電阻沒有明確規(guī)定，只是提出應(yīng)與所用

3、的儀器 設(shè)備相匹配。接地電阻是陰極保護電能消耗的主要部位，約占6080 %，有人曾 做過電能消耗的分配實 驗見表1。表1陰極保護電能消耗不同部位保護站條件電能消耗分配%連接導(dǎo)線接地電阻管道總電阻0.8 Q輸出32 V12.562.525.0陽極電能的消耗主要是用在克服接地電阻上，接地電阻越小，則消 耗越小。從這點出發(fā)，為了達到這一目的，陽極裝置必然過于龐大，或 要做必要的處理，則經(jīng)濟上是不可取的。究竟取多大為宜，蘇聯(lián)規(guī)定該值應(yīng)小于0.5 Q，事實證明，當陽極 埋設(shè)處的土壤電阻率小于10 Q.m時，一般陽極結(jié)構(gòu)可以達到這一標準。如電阻率高，則陽極結(jié)構(gòu) 要十分龐大，甚至無法達到這一標準?，F(xiàn)在多使用

4、難溶高硅鑄鐵陽極， 要求陽極工作電流密度應(yīng)控制在580 A/m2范圍內(nèi)，接地電阻可以不受 此限制。目前我國生產(chǎn)的陰極保護專用儀器，恒電位儀的規(guī)格有限，選 用時要注意與陰極保護系統(tǒng)的電阻相匹配。從表1可知，三部分中以陽 極接地電阻占主要部分，又是可變部分，如何使它們之間相匹配，主要 是看經(jīng)濟的合理性。例如，我國某陰極保護工程，設(shè)計陽極接地電阻W5 Q，陽極地床 處土壤電阻率為15 Q.m設(shè)計輔助陽極 100X1500 mm高硅鑄鐵陽極為 40支。從測試結(jié)果表明，陽極用10支就達到了小于0.5 Q的要求。少量幾支陽極并聯(lián)對接地電阻的降低影響較大，如單支 接地電阻4.3 Q，2支并聯(lián)為2.2 Q，3

5、支并聯(lián)為1.5 Q，以后增加陽極支數(shù)對陽極接地電阻的 降低影響不大，10支并聯(lián)，接地電阻已降至0.5 Q以下，由于陽極間 屏蔽效應(yīng)，增加較多支數(shù)陽極所獲得的接地電阻降低卻很少。表2陽極接地電阻測試陽極支數(shù)陽極接地電阻Q備 注1#4.0單支2#3#4.83.9平均單支4.3 Q 高硅鑄鐵陽極4#4.3100X1500 mm5#4.522.231.5組合456101.21.11.00.5地床處土壤電阻率15 Q.m （實測） 氣溫32 C200.3400.2102030陽祇支敬圖1陽極支數(shù)一陽極接地電阻關(guān)系曲線2.2犧牲陽極的設(shè)計目前犧牲陽極多以成組布置，一組45支或更多不等，陽極間距 23 m,

6、從現(xiàn)場測試結(jié)果表明，4支一組陽極發(fā)出的電流之和遠小于單 支發(fā)生電流的4倍，其原因也是由于陽極電場的相互影響，多支匯流一 點與管道相連必然造成電場的屏蔽，影響陽極電流的輸出。因此，筆者 建議采用單支分散布置會消除電場影響，使電位分布非常均勻，這對涂 層略差的管道更顯示出其優(yōu)越性。2.3合理選用犧牲陽極種類犧牲陽極種類的選擇也是一個經(jīng)濟問題，鎂陽極材料的費用約為鋅 陽極的兩倍，鎂本身激勵電勢較高，輸出很大的電流，因此，這種電極 消耗得快。在同樣的土壤電阻率環(huán)境中，鎂的消耗比鋅快2.5倍，如果 沒有電路限制，鋅陽極可提供必要保護地方，若使用鎂，其費用可能是 鋅的5倍。鎂陽極可能使構(gòu)筑物受到過度保護，

7、結(jié)果浪費了電源。但 是電流輸出功率和激勵電勢均是鋅陽極的限制因素。土壤電阻率低于10 Q.m時，假如所需要的電流要求不太高，并能 獲得理想的電流輸出功率時，通常用鋅陽極更為經(jīng)濟。但在土壤電阻率 比較高的地方，不能采用鋅陽極時，鎂陽極在陰極保護中用得較多。此外，同一條管道，鋅、鎂陽極混用，對防腐層較好的管道由于設(shè) 計問題，可能出現(xiàn)管道保護電位超過鋅陽極開路電位，鋅陽極失去犧牲 作用而同時受到保護，并成了接地極。例如，某條天然氣管道用聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐，套層內(nèi)輸送管纏繞 鎂帶，而輸送管用鋅陽極。從電位測試結(jié)果看，天然氣管道電位已達到 -1.30伏或更負，超出鋅陽極開路電位-1.10 V。說明套管內(nèi)

8、進水，套管 內(nèi)鎂帶犧牲。此時，鋅陽極被鎂帶發(fā)出的電流所極化，與管道等電位。 如在測試樁測得鋅陽極與管道電位相同都為-1.363 V(Cu/CuSO )，鋅陽4極沒有犧牲而同時受到保護。3保護電流需要量的確定使被保護金屬停止腐蝕所需要電流密度值，一般的確定方法是用被 保護物體表面的幾何面積與總電流相除求得。最小保護電流密度值主要根據(jù)被保護金屬的類別、腐蝕介質(zhì)成分， 相對運動速度、溫度、表面涂層或陰極沉積膜性質(zhì)、完整性的接觸電阻 來決定，由于上述條件不同，最小保護電流密度數(shù)值變化幅度很大，從 最小幾uA/m2到最大幾百A/m2。在上面列舉的諸因素中，影響地下管道最小保護電流密度大小的主 要因素是管

9、道防腐涂層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和完整性、及防腐層的電阻值。對于有防腐涂層的金屬管道，最小保護電流密度值需要由實際工程 測量確定，或取經(jīng)驗數(shù)據(jù)。具體辦法是:先建立一個臨時保護站，試探性 的預(yù)埋幾組陽極，通電后測量被保護結(jié)構(gòu)的電位，調(diào)整輸出電流，直至 在一個小區(qū)域內(nèi)建立起較理想的保護電位，然后根據(jù)實際的輸出電流和 保護面積計算出電流密度，現(xiàn)列出以下數(shù)值供參考，見表33、表43。表3涂層種類及所需保護電流密度涂層種類所需保護電流密度 mA/m2聚乙烯層厚3mm0.0010.007雙層瀝青玻璃纖維布 厚7 mm0.010.05一層瀝青玻璃纖維布 厚4mm0.050.25舊瀝青層0.53.5舊漆層130表4涂層

10、電阻和所需保護電流密度涂層電阻Qm保護電流密度，mA/m21000000.01300000.01100000.0330000.1010000.303001.001003.003010.00從實際工程觀測得知:裸鋼管所需的最小保護電流密度經(jīng)驗值為550 mA/m2，埋入混凝土內(nèi)鋼筋最小保護電流密度經(jīng)驗值2 mA/m2。陰 極保護電流密度的選取是設(shè)計成敗的關(guān)鍵。只有了解不同防腐層所需要 的保護電流密度值，才能做到少花錢做好事的要求。例如，某天然氣管線426X7 mm，全長60 km，外防腐層是聚乙烯三 層結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場測量，所需保護電流密度在幾個幾十個nA級范圍， 按保護面積8萬m2，計算只需幾個A

11、保護電流，選用恒電位儀75 A/75 V 顯然量程太大。全線采用犧牲陽極保護方案更為合理，若采用犧牲陽極 保護，每間隔100 m安裝一個鎂陽極設(shè)計都過于保守，因為保護電位均 達到-1.3 V或更負，比極化至-0.85 V多消耗的電量，造成經(jīng)濟上的不合 理。4套管屏蔽問題管道穿越公路、鐵路以及河流時，經(jīng)常要將輸送管放在套管中，以 對管道進行附加保護，并認為套管與輸送管充分絕緣。筆者認為，采用 套管時將有以下情況發(fā)生。4.1輸送管與套管完全絕緣，套管與輸送管的環(huán)形空間內(nèi)沒有電解液存在在這種情況下，陰極保護電流被完全屏蔽，輸送管僅受大氣腐蝕， 在套管與輸送管之間充滿空氣的空隙內(nèi)實施陰極保護既不可能也

12、不需要 4。但目前套管和輸送管的環(huán)形空間有效密封防水的合適結(jié)構(gòu)至今還未 找到，如果在環(huán)形空間里澆注混凝土或環(huán)氧瀝青樹脂，那麼以后輸送管 就不能取出了。因此，在任何情況下，都要盡全力利用絕緣隔離墊來避 免輸送管與套管之間的金屬接觸。穿過絕緣隔離墊鋪設(shè)鋅帶或鎂帶并接 到輸送管上，可將陰極保護用于防止因水滲到安裝套管時造成涂層破損 處的腐蝕。對土壤電阻率低的場合，鎂帶消耗快，壽命短。目前套管分 金屬套管和混凝土管二種，現(xiàn)分述如下：（1）金屬套管1）輸送管與套管之間沒有電氣連接（沒發(fā)生短路）由于安裝時滲水或漏進土粒，可能存在電解質(zhì)接觸，此時，外部陰 極保護電流流入套管經(jīng)電解質(zhì)到達輸送管，在這種情況下電

13、解質(zhì)接觸一 般對輸送管無腐蝕危險，套管和輸送管的外壁會得到陰極保護而套管內(nèi) 因為排放電流而加快腐蝕。（見圖2）反之，如果套管內(nèi)輸送管安裝鎂帶， 套管和輸送管內(nèi)壁會得到陰極保護，而套管外壁因為排放電流而加快腐 蝕（見圖3）。此種情況是指套管外部沒有陰極保護的情況。來段卜部明蝕保護電濡 I:i:白輸M圖2套管與輸送管外壁受到保護外部未上33械彼護圖3鎂帶犧牲保護輸送管和套管內(nèi)壁4.2.2套管與輸送管之間有電氣連接（短路）套管與輸送管存在金屬接觸，外部流入套管的陰極保護電流使套管 外壁電位負移，內(nèi)壁因干擾而正移。套管內(nèi)壁與輸送管涂層破損處接觸 短路也使輸送管電位正移，于是在套管內(nèi)、外輸送管形成腐蝕電

14、池，由 于存在較大的電位差，致使套管內(nèi)輸送管加速腐蝕。（見圖4）。來自外部明檄保護唐新_J 一J-J圖4套管與輸送管短路,輸送管產(chǎn)生腐蝕危險（2）混凝土套管因混凝土套管導(dǎo)電性很差，套管內(nèi)輸送管完全被屏蔽而得不到陰極 保護。而如果在套管內(nèi)放入鎂帶，因鎂帶規(guī)格為19X9.5 mm，重量0.3 kg/m，陰、陽極面積比值很大，陽極消耗太快，壽命短。一旦鎂帶消耗 完了就開始腐蝕輸送管，建議輸送管內(nèi)安裝手鐲式或大塊扁平鋅陽極或 鎂陽極，視土壤電阻率而定，腐蝕性強的環(huán)境最好用長壽命鋅陽極。筆者建議，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免采用套管而靠提高輸送管的壁厚， 提高防腐等級，加強穿越段的陰極保護等措施，在必須使用套管的

15、情況 下，應(yīng)采取必要的密封措施防止電解質(zhì)進入，并保證套管與輸送管的電 絕緣，為此應(yīng)加設(shè)套管測試樁。4.2絕緣法蘭的陰極干擾問題絕緣法蘭的裝設(shè)也會產(chǎn)生一種不利的潛在因素，法蘭兩側(cè)由于帶電 程度不同,一般有0.5 V左右的電位差，使非保護管道產(chǎn)生十擾影響，造成 加速腐蝕。這種腐蝕多發(fā)生在距離絕緣法蘭510m之內(nèi)，所以規(guī)定其兩 側(cè)10 m之內(nèi)的管道外壁做特加強級防腐。對于輸水管道，由于兩端的 0.5 V左右電位差的存在，會使非保護端產(chǎn)生一個陽極電流。為提高絕 緣法蘭的內(nèi)阻抗，并將其電流密度下降至無損害時，最好在絕緣件陰極 保護一側(cè)，在長度為2D（D為管直徑）的地方設(shè)內(nèi)防腐層。管道裝上絕緣裝置后，兩側(cè)

16、為兩個系統(tǒng)。當一側(cè)受到雷電影響或過 大電流影響時，會擊穿絕緣材料，因此，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況考慮 加設(shè)接地電池（特制1.5m長成對相互絕緣的鋅電池，放在填包料中，該 電池起強電的放電作用）。絕緣法蘭兩側(cè)的管道上宜各設(shè)一條測試導(dǎo)線,共用一個絕緣法蘭測 試樁。5長效硫酸銅參比電極存在的問題長效硫酸銅參比電極，質(zhì)量不穩(wěn)定，與便攜式硫酸銅參比電極相比 誤差在幾十至幾百毫伏，失去參比電極準確性的要求（誤差）10 mV設(shè) 計中每個測試樁中埋入一支參比電極不但是一個浪費，而且給人以誤導(dǎo)， 現(xiàn)場抽查五支，沒有一支符合要求，誤差少則34 mV，大則204 mV，大 于20 mV該參比電極就不允許使用了。在現(xiàn)場使用便攜式參比電極已能 滿足工作需要。對土壤電阻率高的場合，可隨時校正土壤的IR降對測量 誤差的影響。綜上所述，陰極保護的設(shè)計原則是既要達到保護要求，又要經(jīng)濟合 理，因此要求我們不斷總結(jié)