北京燃气管道牺牲阳极服役参数测试及变化规律

李夏喜,杜艳霞,段 蔚,唐德志,王庆余,褚大军

(1. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011; 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)



北京燃气管道牺牲阳极服役参数测试及变化规律

李夏喜1,杜艳霞2,段 蔚1,唐德志2,王庆余1,褚大军1

(1. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011; 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

为了掌握北京燃气管道牺牲阳极阴极保护系统的运行状况，对20处管段共27支镁合金牺牲阳极的服役参数进行了现场测试，并开挖取样进行实验室分析。结合现场测试与实验室测试结果，分析得到了不同情况下牺牲阳极消耗状况及服役参数的变化规律，可为燃气管道牺牲阳极阴保系统的维护管理及寿命预测提供参考。

镁牺牲阳极；阴极保护；服役性能；现场测试；消耗速率

阴极保护技术作为一种经济有效的防腐措施在国内外得到了广泛的应用[1-8]，其中牺牲阳极阴极保护技术因无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其他建筑物等优点特别适合于城镇燃气管道的防护[9-12]。北京市燃气集团自1987年对高压燃气管道逐步追加牺牲阳极阴极保护技术以来，现有牺牲阳极服役时间达到10 a及以上的管道长度超过500 km。

然而，目前关于燃气管道牺牲阳极服役性能影响因素的研究较少。同时，追加阴极保护二十多年来，北京市燃气集团对牺牲阳极阴保系统的服役情况、阳极材料的消耗状况等信息缺乏系统的测试和研究，因此无法全面掌握燃气管道牺牲阳极的服役状况及保护效果，无法保证阴极保护系统的有效运行。近年来，随着北京地区经济的发展，燃气需求量和管道的重要性不断提高，对燃气管道的安全性提出了新的要求。而社会基础设施的大力兴建和紧张的征用地关系使管道遭受交、直流干扰的风险日益增高。为了掌握北京燃气管道牺牲阳极的服役状况，在北京市燃气管道现场选取了20处管段牺牲阳极的服役参数进行了现场测试，并对27支镁合金牺牲阳极进行了开挖取样和实验室测试，在此基础上对燃气管道牺牲阳极阴保系统的服役参数，包括保护效果、牺牲阳极工作参数及消耗状况开展了系统的研究。

1 现场及实验室测试内容

根据埋地燃气管道阴极保护系统的运行年限、管道涂层状况及服役环境的不同，选取了20处管段进行开挖，共取出了27支镁合金牺牲阳极，并进行了详细的现场测试和实验室测试分析。

在开挖前，先根据GB/T 21246-2007 《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》，用FLUKE 289数字万用表对管道的通/断电电位、牺牲阳极工作电位、开路电位以及输出电流进行测试。再按图1的测试方法，用ZC-8接地电阻测试仪对管道及牺牲阳极的接地电阻进行测量。此外，在测量点附近，采用四电极等距法测量土壤电阻率。开挖后，将阳极取出带回实验室进行测试。

图1 接地电阻测量示意图Fig. 1 The diagram of structure resistance to remote earth measurement

在实验室，依据GB/T 16545-1996和GB/T 17848-1999 标准，对取回的阳极进行了除锈处理：用清水浸泡后用刷子消除阳极表面疏松的腐蚀产物膜，然后用20%的CrO3溶液浸泡30 min后，去离子水冲洗。为了将腐蚀产物彻底去除干净，除锈过程要重复多次。然后，冷风快速吹干并称量，在此基础上利用公式(1)计算牺牲阳极的消耗速率v。

(1)

式中：v为阳极的消耗速率，kg/a；W0和W分别为阳极服役前后的质量，kg；t为阳极的服役年限，a。

2 测试结果

根据埋地燃气管道阴极保护系统的运行年限、管道涂层及环境因素的不同，选取了20处管段，进行了现场测试和牺牲阳极的开挖，共涉及高压管道6处，其中有1处管道是沥青类涂层，5处管道是FBE涂层；中压14处，其中3处管道是沥青类涂层，3处管道为FBE涂层，8处管道为PE涂层。现场共挖出27支镁合金牺牲阳极，其中高压管道牺牲阳极有6支服役年限在10～15 a，有5支服役年限为16 a；中压管道牺牲阳极有8支服役年限在7～10 a，有8支在11～15 a。

现场测试结果如表1所示。从表1中可知:

(1) 在20处开挖点中，管道通、断电电位达标的有14处，占总开挖点的70%，管道通、断电电位不达标的有6处，阴保水平较差，占30%，如九龙花园为-0.82 VCSE，翠微西里为-0.67 VCSE。

(2) 在调研中发现目前服役的镁阳极有两种：普通镁阳极和高电位镁阳极。对于普通镁阳极，开路电位正于正常水平，分布在-1.20～-1.48 VCSE的有12支，占总数的44.4%；开路电位分布在-1.48～-1.63 VCSE的有10支，占总数的37.0%。对于高电位镁阳极，其开路电位分布在-1.72～-1.86 VCSE，共有5支，占18.5%。部分阳极的开路电位偏正，如双桥西路1号和东营站等，可能与成分、现场环境等因素有关，有待进一步研究。

(3) 阳极接地电阻小于35 Ω的共有20支，占76.9%；接地电阻35～100 Ω的阳极有5支，占19.2%；接地电阻在100 Ω以上的有一支，占3.8%。对于较高的阳极接地电阻，可能的原因有土壤电阻率过高，或阳极电位过正引起致密的腐蚀产物膜，或阳极消耗过大使尺寸变小等。具体原因有待进一步研究。

(4) 阳极输出电流在6.8 mA以下的有10支，占总数的38.5%；输出电流在6.8～30 mA的有11支，占42.3%；输出电流在30～46.9 mA的有5支，占19.2%。阳极输出电流过小可能是由于接地电阻过大，或阳极开路电位过正，或管道涂层较好而导致。

3 规律分析

通过对不同服役年限、不同管道涂层以及不同服役环境的牺牲阳极进行现场服役参数测试和实验室测试，得到不同情况下牺牲阳极的消耗状况及服役参数变化规律。

图2显示了中压和高压两种管道镁合金牺牲阳极的消耗情况。可以看出，与高压管道相比，中压管道镁合金牺牲阳极的消耗速率明显增大。高压管道镁阳极消耗速率普遍在0.2 kg/a左右，而中压管线的消耗速率则普遍超过0.2 kg/a，最大的高达0.8 kg/a左右。这是因为通常情况下，高压管线的涂层较好，如FBE，且阳极组内支数较多，一般为6支左右，故而每支阳极的消耗速率相对较小；而中压管线的涂层较差，一般为沥青涂层，且阳极组内数量相对较少，一般为4支左右。故而中压管线阳极消耗速率要明显高于高压管线的阳极的消耗速率。

3.1 管道断电电位对阳极消耗速率的影响

阳极消耗速率与管道断电电位的变化关系见图3。可以看出，当管道的断电电位过负时，如负于-1.2 VCSE时，随着管道断电电位的正向偏移，镁合金牺牲阳极的消耗速率逐渐降低：当管道断电电位为-1.36 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率为0.23 kg/a左右；当管道的断电电位正向偏移至-1.25 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率降低至0.21 kg/a左右；当管道的断电电位达到-1.2 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率降低至0.05 kg/a左右。这是因为当管道电位过负，附近土壤碱性较强，即OH-含量较高，降低了土壤的电阻率。然而，随着断电电位的正向偏移，管道附近pH逐渐减小，土壤电阻率随之增大，抑制了镁阳极的法拉第过程，从而降低了阳极的消耗速率。

表1 现场测试数据表

图2 高/中压管线镁合金管道涂层牺牲阳极的消耗速率Fig. 2 Dissolution rates of magnesium sacrificial anodes

图3 阳极消耗速率随管道断电电位变化图Fig. 3 Dissolution rate of magnesium sacrificial anodes vs. the off-potential of pipelines

值得注意的是，当管道的断电电位正于-1.2 VCSE，镁合金牺牲阳极的消耗速率随着管道断电电位的正向偏移而逐渐升高：当管道的断电电位为-1.2 VCSE时，阳极的消耗速率在0.05 kg/a左右；当管道的断电电位正向偏移至-1.0 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率升高至0.13 kg/a左右；当管道断电电位正向偏移至-0.9 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率则升高至0.34 kg/a左右；若管道的断电电位进一步正向增大至-0.85 VCSE时，镁合金牺牲阳极的消耗速率则达到0.74 kg/a左右。这是因为随着管道断电电位正移，管道与阳极之间的电位差会增大，镁阳极的驱动电压也随之升高，从而增加了镁阳极的输出，增大了镁阳极的消耗速率。

从以上分析可以看出，当管道保护情况不好，即管道断电电位过正(正于-1.0 VCSE)时，镁合金牺牲阳极的消耗速率急速增加。为了延长镁合金牺牲阳极的服役寿命，在管道的日常维护和管理过程中，要定期检测管道的断电电位。一旦发现管道的断电电位过正，应当及时对该处牺牲阳极的服役状况进行检测和评估，并采取相应的措施，使管道的断电电位恢复至-1.0 VCSE左右。值得注意的是，一定要定期测试管道的断电电位，而不是通电电位，通电电位包含一个IR降，无法确定镁阳极的驱动电压。不幸的是，目前国内大部分管线的日常维护测试中，都只是监测管道的通电电位，增大了管道腐蚀泄漏风险的同时也加大了牺牲阳极提前失效的风险。

3.2 阳极开路电位对阳极消耗速率的影响

牺牲阳极开路电位对FBE涂层管道牺牲阳极消耗速率的影响如图4所示。可以看出，随着阳极开路电位正向增大，其消耗速率逐渐减少。如当阳极开路电位为-1.52 VCSE时，消耗速率为0.23 kg/a，当开路电位正向增大至-1.39 VCSE，消耗速率降至0.16 kg/a左右，当开路电位正向增大到-1.3 VCSE，阳极消速耗率进一步降为0.05 kg/a。这是因为随着阳极开路电位的正向增大，阳极与管道之间的电位差值也就越小，因此其驱动电位也随着减小，故而镁阳极输出的阴保电流也越小，从而导致其腐蚀失重的减少。

图4 阳极消耗速率随阳极开路电位变化图Fig. 4 Dissolution rate of magnesium sacrificial anodes vs. the open-circuit potential of magnesium sacrificial anodes

虽然镁合金牺牲阳极的开路电位越正，其消耗速率越低，表面上延长了牺牲阳极的服役寿命。但是，值得指出的是，当牺牲阳极的开路电位过正时，管道就有欠保护的风险，加速了管道腐蚀的同时也提高了管道的断电电位，从而也会促进阳极的提前失效。因此，在管道的日常维护管理中，要定期检测阳极的开路电位，一旦发现其开路电位过正，要及时进行更换。

3.3 管道涂层类型对阳极消耗速率的影响

管道涂层对阳极消耗速率的影响如图5所示。可以看出，随着管道涂层等级的提高，阳极消耗速率呈下降趋势。如中压管道涂层从沥青类发展到FBE时，阳极消耗速率从0.74 kg/a下降到0.56 kg/a左右，当管道涂层为PE涂层时，阳极消耗速率进一步降低至0.23 kg/a左右。这是因为，管道涂层绝缘性能越好，相同条件下管道需要牺牲阳极提供的阴保电流越小，根据法拉第定律可知，阳极的消耗速率也越小。

图5 管线涂层对牺牲阳极消耗速率的影响Fig. 5 Dissolution rate of magnesium sacrificial anodes vs. the performance of coatings

从以上的分析可以看出，管道防腐蚀涂层绝缘性能越好，镁阳极的消耗速率越低。因此，在管道的日常维护管理过程中，要定期对管道防腐蚀涂层的状况进行检测。一旦发现有涂层缺陷，要及时进行修复，从而延长牺牲阳极的服役寿命。

图6显示了不同涂层下，牺牲阳极组间距对管道断电电位分布的影响。该数据是用目前国内外最常用的阴极保护数值模拟计算软件(Beasy)计算得到，模型中采用的土壤电阻率为50 Ω·m，管道内径为530 mm，壁厚7 mm，阳极等效直径为100 mm，阳极长度为700 mm。从图6(a)中可以看出，对于沥青涂层管道，随着阳极组间距的逐渐增大，管道断电电位逐渐正向偏移，阳极的保护距离逐渐减小：当阳极组间距为50 m时，阳极组的保护距离远大于500 m，存在资源浪费；当阳极组间距增大至250 m时，阳极组的保护距离刚好在500 m左右，管道断电电位最负为-1 020 mV，中间点处管道断电电位为-850 mV左右；当阳极组间距进一步增大至500 m时，大部分管道断电电位都不能达到阴保要求，只有阳极组附近管道断电电位达到了-850 mV。因此，此时，合理的阳极组间距为250 m左右。图6(b)显示了管道涂层为3PE时，不同阳极组间距下管道断电电位的分布。与沥青涂层相似，随着阳极组间距的增大，阳极组保护距离逐渐减小，合理的阳极组间距为20 km左右，远远大于

(a) 石油沥青涂层(50～100 μA/m2)

(b) 3PE涂层(1～5 μA/m2)图6 不同涂层面电阻率和不同阳极组间距下管道阴保电位的分布Fig. 6 CP potentials of pipelines with different coatings and various sacrificial anode separations: (a)asphalt coating (50～100 μA/m2);(b)3PE coating (1～5 μA/m2)

沥青涂层的阳极组间距。

从以上的分析可以看出，管道防腐蚀涂层绝缘性能越好，牺牲阳极的保护距离也会越长，因此在管道的阴保设计过程中，要根据管道防腐蚀涂层的实际情况确定阳极组间的间距，而不是一味地采用经验值，如300 m。对于不同的涂层，需要结合数值模拟计算结果，采用不同的牺牲阳极组间距，从而提高牺牲阳极的效率。

4 结论及建议

(1) 对20处管段共27支镁合金牺牲阳极阴保系统的服役性能进行现场调研和实验室测试，初步掌握了北京燃气集团目前牺牲阳极阴保系统的服役状况。

(2) 根据现场和实验室的测试结果，得到了服役情况及镁合金牺牲阳极的服役参数(如工作电位、输出电流、接地电阻等)的影响规律。

(3) 获得到了镁合金牺牲阳极消耗速率的影响因素。阳极开路电位越负、管道涂层绝缘性能越差，阳极消耗速率越大。值得注意的是，管道断电电位对阳极消耗速率的影响不是线性的：当管道断电电位过负，如负于-1.2 VCSE，阳极的消耗速率随着管道断电电位的正向偏移而逐渐降低；当管道断电电位比-1.2 VCSE更正时，阳极的消耗速率随着管道断电电位的正向偏移而逐渐增大。

(4) 在管道的日常维护管理中，要定期对管道的断电电位(注意：不是通电电位)、牺牲阳极的开路电位以及管道的防腐蚀涂层性能进行测试，一旦发现异常，要及时地采取相应措施，从而延长牺牲阳极的服役寿命。

(5) 为了方便管道的断电电位测量，在后续的牺牲阳极阴极保护设计中，要确保所有的牺牲阳极都是通过测试桩与管道相连，而不是直接与管道相连；对于现有牺牲阳极保护的管道，建议采用极化探头的方法来测量管道的断电电位。

(6) 通常情况下，城镇燃气管网中高压管线涂层较好，低压管线涂层较差。在后续阴保的设计过程中，要考虑到管线涂层的差异来合理选取牺牲阳极组的间距，从而提高牺牲阳极的效率。

(7) 为了方便管道阴保水平的评价，对于牺牲阳极组间的中间点位置需要补加中间点测试桩。同时，在后续的牺牲阳极阴保设计中一定要注意中间点测试桩的设计。

[1] 唐德志，杜艳霞，路民旭，等. 埋地管道交流干扰与阴极保护相互作用研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报,2013,33(5):351-356.

[2] 张万友,王鑫焱,郗丽娟,等. 阴极保护技术中牺牲阳极材料的研究进展[J]. 腐蚀科学与防护技术,2013,25(5):420-424.

[3] 宋日海,郭忠诚,樊爱民,等. 牺牲阳极材料的研究现状[J]. 腐蚀科学与防护技术,2004,16(1):24-28.

[4] 黄永昌. 电化学保护技术及其应用 第三讲：牺牲阳极[J]. 腐蚀与防护,2000,21(5):232-235.

[5] 谢洪德,刘郁葱. 填料密封腐蚀磨损的牺牲阳极保护研究(Ⅰ)[J]. 化学工业与工程技术,2002,23(6):6-8.

[6] 刘生福. 油气长输管道的阴极保护测试[J]. 全面腐蚀控制,2013(2):31-34.

[7] 马志祥,梅云新. 我国油气长输管道的技术现状及差距分析[J]. 油气储运,2004,23(3):1-4.

[8] 赵富贵,孙建斌,孙强,等. 阴极保护系统在罐区和长输管道中的应用[J]. 油气储运,2004,23(8):31-33.

[9] BRICHAU F,DECONINCK J,DRIESENS T. Modeling of underground cathodic protection stray currents[J]. Corrosion,1996,52(6):480-488.

[10] SANTANA D E,ADEY R. Optimising the location of anodes in cathodic protection systems to smooth potential distribution[J]. Advances in Engineering Software,2005,36(9):591-598.

[11] 马丽杰,郭忠诚,宋曰海,等. 镁合金牺牲阳极及其在防腐蚀工程中的应用[J]. 四川化工与腐蚀控制,2003,6(3):38-42.

[12] 李异,李建三. 镁合金牺牲阳极研究[J]. 化工腐蚀与防护,1997,25(4):13-16.

Test and Change Law of the Service Parameters of Magnesium Sacrificial Anodes of Beijing Gas Pipelines

LI Xia-xi1, DU Yan-xia2, DUAN Wei1, TANG De-zhi2, WANG Qin-yu1, CHU Da-jun1

(1. Beijing Gas Group Company Limited, Beijing 100011, China; 2. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In this work, field tests and laboratory measurements were conducted to investigate the performance of magnesium sacrificial anode cathodic protection (CP) system of Beijing Gas Group Company Limited. Based on the results of field tests and laboratory measurements, the factors affecting the performance of magnesium sacrificial anodes were analyzed, which may provide important reference for the operation maintaining and life prediction of sacrificial anode CP system of city gas pipelines.

magnesium sacrificial anode; cathodic protection; service performance; field test; dissolution rate

2014-06-08

北京市燃气集团有限责任公司科研项目《运行10 a以上牺牲阳极服役行为和剩余寿命预测研究》

杜艳霞(1980-)，副教授，博士，从事于阴极保护技术的研究，010-62333972，duyanxia@ustb.edu.cn

TG174; TE8

B

1005-748X(2015)03-0263-05