柔性阳极在实施阴极保护中的应用

胡兴国

摘 要：柔性阳极又称为聚合物阳极，是一种在铜芯上包覆导电聚合物形成的特殊的连续性阳极，其中铜芯的作用主要是导电，而导电聚合物则具有参与电化学反应的功能，因为铜芯是一种电导性非常优良的材质，所以能够在数千米长的阳极上设置一个汇流点，当聚合物阳极在土壤中进行使用时，就会在它的周围填充焦碳粉末而形成一种阳极地床，一般来说其在地床中最大的工作电流可以得到达到82mA/m左右。虽然和其它的集中阳极相比，它的工作电流密度不高，然而因为其能够靠近被保护结构物铺设出连续地床，能够提供一种更为均匀且有效的保护，所以在工业中得到了广泛应用。

关键词：柔性阳极；阴极保护；恒电位仪

前言

2001年11月，根据中国石油管道公司科技研究中心的设计方案，对鄯善站实施了以外加电流阴极保护方式为主的阴极保护改造，对整个站区埋地金属设施提供腐蚀防护。设计中采用了两组含铬高硅铸铁深井阳极地床。阳极尺寸Φ75*1200mm，分两组安装在阳极井内。井深50米，每个阳极井内装有12支阳极。废除了站区原有的扁钢、角钢接地网，避免保护电流的大量漏失。在阴极保护改造施工过程中，根据管道的保护效果，临时增加了三处浅埋阳极地床 平均分布在保护区域的四角。系统运行后，各测试桩电位全部在-1.0～-1.4V之间（vs Cu/CuSO4）达到《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》SY/T 0036-2000保护要求。

但根据最新的国标GB/T 21448-2008要求，对保护效果的判定采取的标准应该采用管道阴极极化后的极化电位判定阴极保护的效果。

在实际测试操作中，根据GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的要求，我们在鄯善站内阴保系统串联接入断路器，测量管道的断电电位并与通电电位相比较如表1。

通过以上测量结果可以看到，站内管道的断电电位未达到合格的保护数值，被保护的管道处于欠保护状态。在这种情况下，如果管道的防腐层存在破损，管道将很快发生腐蚀。

2010年11月，根据GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》，再次对鄯善站实施了站区阴极保护改造以及防静电接地极改造。文章从保护系统构成、设计计算、系统安装流程和注意事项等几个方面对此次工程进行了阐述，得出柔性阳极的使用寿命及保护效果已达到甚至超过了我国国家相关规范的要求，并且施工简单维护方便。

1 柔性阳极阴极保护系统的构成

一般来说，柔性阳极阴极保护系统主要包括柔性阳极、恒电位仪以及参比电极、测试桩和相关的电缆等几个组成部分。其中柔性阳极通常应埋设在距埋地管线外侧管壁大于或等于300mm的位置，在距离阴极保护间最近的管线位置还应当埋设一支控制参比电极，同时在最远端管线位置需要埋设一支参比电极，主要用于对管线末端的保护效果进行检测，恒电位仪则应当安装在阴极保护间之中，主要承担着把交流电源转转化成直流的任务，通过参比电极来实现对其电流输出的有效控制。

2 设计计算

2.1 总保护电流的计算

公式为I=S×JS符号意义上，I代表的是管道所需总保护电流，单位为A，S代表的是管道总面积，单位为m2，JS代表的是管道所需的最小保护电流密度，单位为A/m2。

2.2 系统所需柔性阳极的长度

公式为Lf= 符号意义上，中Lf代表的是所需柔性阳极长度，单位为m，I0代表的是最大输出线电流密度，单位为A/m。

2.3 计算从阳极接线点开始的阳极最大长度

我们接着埋地管道的阳极设计曲线，综合考虑柔性阳极的线电流密度，可以找到未加修正的阳极长度Lf。接着再通过土壤电阻率和土壤电阻率修正系数表，计算出每年度土壤电阻率的最小值，即是ρ，就能够计算出修正系数F。通过公式Lmax=L×F，我们就可以得到最大阳极长度。其中L代表的是被保护管道长度，而Lmax代表的是确保均匀电流输出的从阳极接线点开始的阳极最大长度。需要注意的是，必须保证Lmax要超过被保护管道长度L，以防止部分管道欠保护问题的出现。

2.4 计算阳极接线点位置

由于柔性阳极需要平行敷设在被保护管道长度，也即是L内。当L的长度低于最大阳极长度Lmax时，仅需要采用一个阳极接线点即可，但当L长度高于最大阳极长度Lmax，施工中就必须增加阳极接线点，综合考虑阳极接线点位置，据此再设计阳极接线箱的位置。在设计时阳极接线位置除了可以是阳极的一端外，也可以设计在阳极的另一端，如果需要的话，也可以设计在阳极中间的某个位置。借助柔性阳极特有的接头或者端部密封件，根据实际情况可以灵活应用。

2.5 计算恒电位仪或者整流器设备规格

公式利用上，设备输出电压的计算公式为：U=I×R+U1，而回路电阻的公式为：R=R1+R2+R3。符号意义上，I代表的是管道所需总保护电流，单位为A；U1代表的是柔性阳极的反电动势，单位为V；R1代表的是管/地电阻，单位为Ω；R2代表的是阳极/地电阻，单位为Ω，约占据到总回路电阻的60%到80%之间；而R3代表的是导线电阻，单位为Ω。

3 系统安装流程注意事项

3.1 柔性阳极敷设

柔性阳极进入保护管道同沟敷设，水平方向被保护管线约为300mm。埋设深度与被保护体基本在同一水平面上。需要注意的是：

（1）阳极回填土应过筛，其中不得夹杂砖瓦或者金属等硬物，防止导致阳极损坏。

（2）如果柔性阳极和站场内埋地管道、接地极和电缆或者其他埋地构筑物需要交叉时，必须确保两者间距等于或大于300mm，同时还要在交叉处行防护网罩处理，防止由于沉降等因素而导致两者相碰。

（3）如果柔性阳极出现相互交叉时，必须确保两者间距等于或高于200mm，同时还要在交叉处两方处于200mm范围以内的柔性阳极上，通过绝缘胶带来做出绝缘隔离处理。

3.2 接头连接、导通性测试

等到柔性阳极敷设完成后，就可以采用专用接头来对柔性阳极接头进行连接。柔性阳极的连接采用专用接头。柔性阳极的接头处和阳极端部须采用专用的热收缩套进行处理。需要注意的是，单根管道的保护敷设一根阳极，两根及两根以上的管道，在管带两侧各敷设一根阳极。同时还应确保连接处铜线压接可靠，仔细检查编织物裁断处收口是否良好，无焦炭段是否绝缘良好。

3.3 极化探头安装

极化探头采用了先进的技术工艺加工而成。它能有效的消除由于存在土壤IR降、杂散电流等因素所引起的电位误差，从而达到精确检测被保护构筑物上的保护电位值。极化探头易碎，搬运时要小心轻放，以免摔碎，震裂探头，不许扯拉电缆线作搬运工具。

4 保护效果分析

该柔性阳极阴极保护系统全部安装完成之后，对保护管线的自然电位以及恒电位仪调试之后，加电对管线极化的电参数进行了测试。

（1）从改造前的阴极保护检测数据来看，管段的阴极保护电位并未能够达到设计要求，究其原因，一方面是由于防腐层老化，存在破损，导致管道极化效果不好，在客观上造成了电位不能够达到保护程度。另一方面是由于接地极没有使用锌包钢，从而造成阴极保护电流大量流失。

（2）改造后通过一年多的运行观察，管道阴极保护检测数据来看，投运后的输出电流和输出电压基本维持在2.4V和3.7A。管道的阴极保护电位已经能够达到0.85-1.15mV的保护水平。另外，也发现其对其它已有的构筑物以及防雷防静电系统并没有构成任何影响，显示了其运行的稳定性。

5 结束语

综上所述，柔性阳极阴极保护系统具有较高的可行性和优越性，但是柔性阳极在安装过程中，必须根据实际情况进行科学的计算，严格控制其与被保护构筑物之间的距离，尽可能的优化施工方案，防止出现不必要的接头和断点。在计算电流密度时除了要分析整个管网接地系统对于阴极保护系统电流密度所带来的影响外，还应当思考柔性阳极本身的技术要求。

参考文献

[1]GBT-21448-2008.埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].

[2]GBT21447-2008.钢质管道外腐蚀控制规范[S].

[3]赵建恒，王芷芳.推荐一种异形结构管件防腐蚀措施[J].全面腐蚀控制，2011（09）.

[4]王芷芳，徐连军.阴极保护在尔王庄水库至津滨水厂供水管线的施工与检测[J].腐蚀与防护，2011（12）.

（5）杨义军，李文玉，王芷芳，杜艳霞.极化探头在埋地钢质管道阴极保护的应用[J].煤气与热力，2010（04）.

[5]贝克曼WV，施文科W，普林茨W.阴极保护手册电化学保护的理论与实践[M].胡士信，王向农译.北京：化学工业出版社，2005.