浅析城市燃气钢管的防腐和阴极保护

刘新安

【摘要】钢管的防腐工作对于城市燃气管道能否长期运行而言至关重要。本文首先分析了燃气钢管受电化学腐蚀相关的一些种类和概念，然后从绝缘层防腐法、外加电源以及牺牲阳极等保护法介绍了抑制燃气钢管的受腐蚀的方法。

【关键词】城市燃气钢管 防腐蚀 阴极保护

1 燃气钢管的电化学腐蚀

1.1 电化学腐蚀的方式

城市燃气钢管多埋与地下，其腐蚀多伴随接触土壤产生，因此，需要对土壤腐蚀环境有一定的掌握。作为一种混合物，土壤的组成包括了固、液、气三态物质，土壤中的胶体周围存在一些阴离子电荷，如若有水分渗入土壤，那么土壤便相当于一些多相电解质，且其拥有一定的腐蚀性，当接触到金属钢管时，会有电化学反应产生，进而腐蚀钢管。

土壤里电化学反应对于城市燃气钢管的腐蚀分两类，分别是宏电池和微电池腐蚀。宏电池腐蚀主要发生在两种土壤分界处，当有金属钢管同时分布在两种土壤中时，在土壤分界处极易产生程度较大的腐蚀现象，并且这种电池性腐蚀的阴阳极区较为明显，诸如氧浓差、盐浓差等腐蚀均属此类。微电池腐蚀主要发生在金属表面，其产生原因主要分为两种，其一是因土壤中的物质结构差异性较大造成的，其二是由钢管自身结构差异性较大造成的。

1.2 电化学腐蚀的机理

金属钢管接触到两种不一样类型的土壤，在两种界面会产生不一致的电位，致使金属上存在两种电位差，且土壤是导电物质，极易为腐蚀宏电池提供回路。因此，金属发生宏电池腐蚀时因为金属上面存在电位差造成的。因土壤结构存在差异性，同时与之接触的不同物质还存在特定的结构和形态，因此，宏电池腐蚀发生面较广、复杂性较高。根据我国社科院的实验表明，对于金属物件，宏电池对其腐蚀性很强，一般为微电池腐蚀强度的10倍，并且因宏电池腐蚀多发生在土壤结构相异处，多属局部区域的腐蚀，极易产生燃气钢管穿孔。与宏电池腐蚀相比，微电池类型腐蚀强度较小，且分布较为均匀，且阴、阳极区并不明显，因此，它对城市燃气钢管的腐蚀性不强。

1.3 氧浓差电池

当在结构存在差异的土壤中埋设城市燃气钢管时，因土壤密度不同会导致其通气状况不一致，接触通气性较好的这部分土壤的钢管的电位相对较高，在所形成的氧浓差电池中充当阴极区，腐蚀较为缓慢，而接触通气性较差的那部分土壤的钢管的电位相对较低，在所形成的氧浓差电池中充当阳极区，腐蚀速度较快。因此，对于城市燃气钢管而言，氧浓差电池是造成其腐蚀的一个重要因素。

例如埋设在土壤密度较小的绿化带下面的钢管，由于周围水分和溶氧量大，所以相当于钢管埋在富氧物质环境中。而埋设在土壤密度较大的水泥路下面的钢管，由于周围环境干湿，所以相当于钢管埋在贫氧物质环境中。在这两种土壤的交界处的钢管周围便形成了氧浓差电池，缺氧表面作为所谓的阳极区，便会产生腐蚀。所形成的氧浓差电池是通过引起钢管表层阴极和阳极的不同电流密度，从而使腐蚀产生自催化过程，降低了缺氧阳极附近土壤的PH值，即升高了氯离子浓度，致破坏了此部位钢管的氧化膜。根据上述分析可知：氧浓差电池的形成对管道的安全造成了严重的隐患和威胁。

2 燃气钢管的防腐

2.1 绝缘层防腐法

此种方法的目的是抑制腐蚀电流，为此需增加燃气钢管和土壤间的等效电阻。目前，较为有效和主流的方法是用沥青材料作为钢管的绝缘层，其防腐效果良好。实施绝缘层防腐法，需确定钢管的防腐绝缘等级，而绝缘等级受土壤的电阻率影响，因此，防腐的重点施工在于能否准确测量出土壤的电阻率。

2.2 外加电源阴极保护法

城市燃气钢管被腐蚀多由其外壁的防腐绝缘层受损引起，而绝缘层保护无法从根本上预防物理损坏，因此，目前多利用电保护法和绝缘层保护相结合的方法。

所谓电保护法，其原理是使金属钢管均等效为阴极区来抑制腐蚀，因此，电保护法又叫做阴极保护法，其通常分为两种，分别是外加电源阴极保护法和牺牲阳极的阴极保护法。

外加电源阴极保护法，需将电源负极和钢管相连，正极和接地阳极相连，其保护电流由电源正极至辅助阳极，再由土壤至钢管，最后回到电源负极。被保护金属在大地电池中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子的氧化反应，使腐蚀受到抑制。

值得注意的是外加电源这种保护方法中，存在最小和最大保护电位两个概念。最小保护电位即钢管所能受到阴极保护的最低电位，受土壤腐蚀性影响，在城市燃气钢管方面，最小电位多选取对地-0.85V。最大保护电位，一般选取-1.30V左右。

2.3 牺牲阳极的阴极保护法

虽然外加电源对钢管有很强的保护作用，但是钢管邻近的金属和设备会因没有保护电流的输入，被等效为阳极而被破坏。为此，在城市燃气钢管保护中，经常采用牺牲阳极的阴极保护法，以达到对钢管周围其他金属管线的保护作用。通常用比燃气钢管电极电位更为负的金属同燃气钢管相连组成原电池，此时，阳极由电位相对燃气钢管较负的金属等效，腐蚀变会被转嫁承担，阴极得到了有效保护。用作牺牲阳极的材料常用镁、铝、锌等合金组成，这种组合方式，其电流的输出，对燃气钢管的保护效果的较好。

3 阴极保护相关方案与规范

3.1 城镇燃气阴极保护的相关规范

《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》中规定：

（1）城镇燃气埋地钢质管道必须采用防腐层进行外保护。

（2）新建的高压、次高压、公称直径≥100mm的中压管道和公称直径≥200mm的低压管道必须采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统。管道运行期间阴极保护不应间断。

（3）防腐管回填后必须对防腐层的完整性进行检查。

（4）新建管道的阴极保护设计、施工应与管道的设计、施工同时进行，并同时投入使用。

3.2 阴极保护方案确定原则

在实施阴极保护时，应该遵循以下原则：

（1）市内管网和短距离管道采用牺牲阳极。

（2）长距离输送管道采用外加电流。

（3）城镇燃气管道外加电流尽量采用深井阳极系统，最好用恒电流控制。

（4）避免对其它管道的干扰，新建管道与旧管道统一考虑。3.3 阴极保护合格标准

实施阴极保护的合格标准为：

（1）保护电位为-850mV（相对于Cu/ CuSO4饱和参比电极）或者更负。

（2）阴极极化电位不得小于100mV。

（3）当土壤中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根含量大于0.5%时，保护电位应达到-950m V（相对于Cu/饱和CuSO4）或更负。

（4）最大保护电位的限制应根据覆盖层环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准，一般可取-1.5V（相对于Cu/饱和CuSO4）。

4 结束语

目前，多数城市燃气管道仍采用传统的绝缘层防腐法对钢管腐蚀进行抑制，这种方式不但可靠性差、而且一旦出现物理性损伤，直接容易出现穿孔腐蚀。相比之下，采用阴极保护法和绝缘层保护法相配合，能够在最大程度上降低了管道的维护成本，提高防腐效果，进而达到改善供气环境和延长管道寿命的目的，从而使燃气管道能够经济可靠地运行。

参考文献

[1] 王国伟，李佳新.地下管道腐蚀控制与检测评估[J].煤气与热力，2010，（10）；187-188

[2] 中华人民共和国建设部.城镇燃气设计规范[M].北京：中国计划出版社有限公司，2011，（03）；167-168