浅析牺牲阳极阴极保护

曾伟

重庆市渝北区佳渝天然气有限公司 重庆市 401120

【摘 要】阴极保护是埋地钢质管道防腐蚀必不可少的技术，阴极保护应做到与管道同时设计、同时施工和同时投入使用，才能够确保管线使用寿命达到30年以上。文章介绍了牺牲阳极的工作原理、常见的牺牲阳极材料、牺牲阳极阴极保护设计、技术要求和投入使用后的运行维护。

【关键词】城镇燃气；钢质管道；牺牲阳极

一、引言

随着公司城镇燃气的迅猛发展，市政燃气管道覆盖范围越来越广，输气干线“双佳线”的落成。为了提高埋地钢质燃气管道使用寿命，除了采取有效的防腐材料保护外，对钢质燃气管道采取阴极保护措施必不可少的。公司建设的市政燃气管道全长约70Km，已采取阴极保护措施的管道不足10km，覆盖率不到15%。

根据市政燃气管道《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第6.7.4条，市区内埋地敷设的燃气干管，当采用阴极保护时，宜采用牺牲阳极法，并应符合国家现行标准《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T 0019。

二、工作原理

阴极保护主要有牺牲阳极阴极保护技术、强制电流阴极保护技术、强制排流阴极保护技术和极性排流阴极保护技术。强制电流阴极保护法和强制排流法需要外部电源、对邻近建筑物影响较大以及后期的运行维护工作量大；极性排流法对邻近建筑物有影响和容易形成过负保护电位；由于城镇燃气管道周边建筑物较多和降低运行维护成本，我们一般选择牺牲阳极阴极保护。牺牲阳极阴极保护不需要外部电源、对邻近建筑物影响较小、投产调试后可不需要管理、工程规模越小越经济和保护电流分布均匀、利用率高等优点。

2.1牺牲阳极工作原理

两种金属埋入地下，形成以较活泼金属为阳极、另一种金属为阴极和周边环境为电解质的腐蚀电池，在这种腐蚀电池中一种金属因比另一种金属活泼而先发生腐蚀。在牺牲阳极的阴极保护技术中，就是有意识地运用这种作用建立足够强的异种金属腐蚀电池来抵消存在于管道表面的腐蚀。这是通过将一种或多种十分活泼的金属与金属管道相连接，这种金属在发生腐蚀时向金属管道提供保护电流。需要明確的是牺牲阳极阴极保护并没有减少腐蚀，它只是将所埋地金属管道的腐蚀转移到了牺牲阳极上面。

三、常见的牺牲阳极材料

牺牲阳极提供的电流是有限的，所以牺牲阳极阴极保护一般都用在保护所需电流较小的情况下，因此，阳极和土壤之间的接触电阻较低时才能使阳极输出有用数量的电流。这也就意味着在一般安装中，牺牲阳极用于低电阻率土壤中（100Ω·m）。常用的牺牲阳极有镁（Mg）阳极和锌（Zn）阳极，铝（Al）阳极现在使用的较少。

对牺牲阳极阴极保护中阳极有以下要求：

（1）要有足够的负电位，且很稳定；

（2）工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；

（3）电流效率高；

（4）电化当量高，单位重量的电容量大；

（5）腐蚀产物无毒，不污染环境；

（6）材料来源广，加工容易；

（7）性价比高。

3.1镁牺牲阳极

镁具有较高的化学活性，他的工作电位较负，高电位镁阳极的电位为 -1.75V CSE； 低电位镁阳极的电位为-1.55V CSE。镁表面难以形成有效的保护膜，因此在水介质中镁表面的微观腐蚀电池驱动电位较大，保护膜易于溶解，镁的自然腐蚀很强烈，在阴极上发生析氢反应2H++2e=H2。常见的镁牺牲阳极有纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系列三类合金。镁牺牲阳极具有的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，对钢铁的驱动电压很大等特点。根据形状以及电极电位的不同，镁阳极可用于电阻率在 20Ω·m到 100Ω·m的土壤或淡水环境。

3.2锌牺牲阳极

锌牺牲阳极多用于土壤电阻率小于15Ω·m的土壤环境或海水环境。锌的电位为-1.1V CSE，温度高于40 ℃ 时，锌阳极的驱动电位下降，并发生晶间腐蚀。高于60℃ 时，它与钢铁的极性发生逆转，变成阴极受到保护，而钢铁变成阳极受到腐蚀，所以，锌阳极仅能用于温度低于40 ℃的环境。

四、牺牲阳极阴极保护的设计

4.1牺牲阳极材料的选择

常用的牺牲阳极材料有镁 、铝 、锌及他们的合金·在土壤环境中 ， 我们主要根据管道土壤沿线实测土壤电阻率进行选择。当土壤电阻率低于10Ω·m，一般选用锌牺牲阳极；当土壤电阻率在15-20Ω·m时，一般选用14Kg或22Kg的镁铝锌锰系镁阳极；当土壤电阻率在20-30Ω·m时，一般选用11Kg或24Kg的镁铝锌锰系镁阳极；当土壤电阻率在30-40Ω·m时，一般选用8Kg或11Kg的镁铝锌锰系镁阳极；当土壤电阻率在40-60Ω·m时，一般选用8Kg的镁铝锌锰系镁阳极；当土壤电阻率在60-100Ω·m时，一般选用4.8Kg的高位镁铝锌锰系镁阳极。当然。牺牲阳极材料的选用还需要考虑系统设计寿命、每组牺牲阳极镁合金的数量等因素相关。

4.2牺牲阳极消耗量的计算

五、牺牲阳极的技术要求

5.1阳极的技术要求

5.1.1阳极的埋设：

a.填包料要按比例调拌均匀，不得混入泥土等杂物，装入棉或麻布袋中，将经过铁砂纸打光及表面清洁处理的阳极及时插入填包料中心位置并压实，此时填包料的厚度不得小于50mm，且厚薄均匀、密实；

b.在埋设阳极前，应当确定阳极在填料包中间，调料包还不得是人造纤维织品制作，必须以纯棉或麻织品为宜；

c.牺牲阳极宜平卧或竖直埋设在被保护的燃气管道的3～5m范围内，但不宜小于0.3m，一般采用平卧的方式埋设；

d.牺牲阳极埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m为宜，阳极必须埋设在冰冻线以下，在地下水位低于3m的干燥地带，阳极应适当加深埋设；

e.成组布置时，阳极间距以2—3m为宜；

f.在阳极与被保护管道之间，严禁没置其他金属构筑物；

g.安装完毕后用细原土分层浇水湿润后回填土。

5.1.2电缆与管道的连接采用铝热焊（分线盒内的连接除外），焊接前应对表面进行处理，清楚表面的氧化膜及油污，在焊接前表面不得有氧化物或其他杂物，具体操作步骤为：

①首先将焊接处的管道顶部防腐层剥开，对其表面进行处理打磨出金属光泽；

②打磨后将管道表面清洁干净，并对其表面进行干燥；

③按铝热焊接操作说明装焊模、焊剂、放置点火器具，接好电池盒引线并点火焊接，焊后3 分鐘取下模具，用砂轮机对焊缝外表面进行处理，检查焊点是否牢固；

④焊接处采用管道补伤材料防腐，防腐材料与等级应和原有覆盖层相一致；

5.1.3在防护罩内的电缆要有的冗余长度，以便将来连接到检测桩和适应回填土的沉降；

5.1.4连接管道的电缆颜色应与其它电缆颜色区分开并进行标注，以便辩认检测。

5.1.5阳极的埋设点地面必须做永久性标志。

5.2测试桩的技术要求

⑴施工前按图纸要求对测试桩进行检查，检查外观尺寸及内部结构完好，接线是否牢固。

（2）根据图纸提供的测试桩位置以及安装顺序，在测试桩标牌上注明测试桩的编号。

（3）测试线缆与管道焊接时，应与牺牲阳极连接线的安装方式一致，安装完毕后，应对管体做好防腐处理，其绝缘材料应于管体原防腐材料一致。

（4）测试桩按设计要求施工埋入地下的部分，回填时要分层夯实，使基础稳固，防止雨季桩体倾斜。

（5）测试桩高出地面不应小于0.4m，测试桩宜避开人行道等人活动大的场所，单埋设相对间距不得超过管道设计间距的1Km。

（6）牺牲阳极检测桩、检测头在设置时应符合下列要求：牺牲阳极的阴极保护测试系统应能提供被保护体的自然电位和保护电位的功能；

（7）测试桩安装完毕后，进行检查验收并经监理工程师签字并在竣工资料中反映实际安装位置。

（8）牺牲阳极系统在埋入地下及填料包浇水10天后应进行电位测试，并将测试结果报监理单位、建设单位审核。

六、牺牲阳极阴极保护设施运行维护

5.1 牺牲阳极的管理要求为：

（1）市政燃气管线投入运行第一年，每3月应测量一次，测试的参数包括阳极开路电位、阳极工作电流和管道保护电位，保护电位应满足-0.85V—-1.15V。

（2）市政燃气管线投运运行第一年后，每年测试不得少于2次；

（3）对长输燃气管道每周检测一次被保护金属管道的电位；

（4）必要时通过开挖探坑检查金属管道表面腐蚀状态；

（5）在管线巡检过程中，做好阴极保护测试桩的维护保养工作。

5.2牺牲阳极故障分析有以下两项：

5.2.1牺牲阳极输出电流减小，大于最低保护电位-850mV，这种现象的可能原因有：

a. 牺牲阳极消耗，可能需要更换；

b. 牺牲阳极/管道的连接断开；

c. 牺牲阳极导线接头断开；

d. 管道连接导线接头断开；

5.2.2阳极输出电流较大（一般大于0.2mA）或极化电位小于-1150mv，这种现象的可能原因有：

a.管道腐蚀情况严重所需保护电流过大，阳极输出的电流远小于所需电流；

b.管道与相邻金属构筑物有导线连接；

c.覆盖层老化或破坏。

5.2.3牺牲阳极其它故障

a. 阳极体腐蚀不严重，但阳极已不能工作。

b. 阳极体局部腐蚀严重，造成阳极体断裂。

c. 在交流电干扰状态下，有时阳极会发生极性逆转。

七、总结

牺牲阳极阴极保护是城镇燃气埋地钢质管道防蚀的必不可少的技术，为了提高城镇燃气埋地钢质管道的使用寿命，降低燃气管道建成后运行成本，我们应该做到阴极保护与管道同步设计、同时施工、同时投产使用 ， 使管道的使用寿命均提高到30 年以上 。在城镇燃气工程建设以及后期运行过程中要确保阴极保护的持续、有效运行，我们必须做到以下内容：牺牲阳极阴极保护设施的设计应严格遵循相关技术规程，确保设计的阴极保护切实有效；在施工过程中，严格按照设计文件、施工组织设计和质量保证体系文件进行施工，确保工程质量；在后期的运行维护过程中，应定期检测管道的自然电位、保护电位等相关参数，确保阴极保护系统持续、稳定工作。

参考文献：

[1]SY/T 0019-97.埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范

[2]GB/T 17731-2009.镁合金牺牲阳极

[3]（美）A.G奥斯特奥夫等著.王向农，张清玉等译.腐蚀控制手册.石油工业出版社，1988.10

[4]王亚平，李志等.埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护设计.煤气与热力，2008年（1）：B13-B17

[5]高秋华.城市燃气系统中的牺牲阳极法的设计与施工.当代化工，2011年（4）：400-413