棒状辅助阳极对小管径管道内壁轴向的保护距离

,,,(1. 钢铁研究总院 青岛海洋腐蚀研究有限公司，青岛 266071； 2. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛 266071)

小管径海水管道广泛用于各种海洋工程装备,如滨海电场、舰船装备、浮式储油轮等，且这些管道所处空间狭小，受力复杂，因此属于海工装备的腐蚀隐患部位。工程中常用外加电流阴极保护方式对小管径海水管道内壁进行腐蚀防护。外加电流阴极保护所使用的辅助阳极可以是分散的棒状阳极，也可以是连续的线型阳极[1]。线型阳极的保护电位分布均匀，但其接头处的密封及安装施工困难；棒状阳极的保护电位受管道密闭空间及介质电导率等因素影响呈现不均匀分布状态[2]，因对管道内部各点电位同时进行实时监测困难，其电位分布一般用有限元计算或者模拟方式呈现。本工作通过自主设计的电位实时监测装置对实海环境中小管径管道内壁轴向各点的电位变化进行监测，并与Beasy软件模拟计算方法比较，探究了小管径管道中棒状阳极的轴向保护距离。

1 试验

1.1实海试验

试验介质：青岛海域海水；试验温度：15～20 ℃。

试验材料：碳钢管DN200、DN125、DN100、DN80各一段(钢管内部无涂层，为裸露碳钢)，管径分别为200，125，100，80 mm，每段钢管的长度为其管径的十倍；辅助阳极为φ2 mm×12 mm MMO(Mixed Metal Oxide)棒状阳极；参比电极为自制40路线型高纯锌电极。

按图1所示接入各试验设备。四段钢管通过法兰变径连接，法兰连接处绝缘，各管段端部开孔，可接入棒状阳极。每段管道端部有四个开孔，为棒状辅助阳极安装部位。另外，首段钢管的前端及尾段钢管的后端分别开孔装入自制40路线型参比电极。将MMO棒状辅助阳极与钢管分别连接到恒电位仪的正负接线柱，线型参比电极与钢管连接到多通道电位采集器，便可采集参比电极反馈的钢管各点的阴极保护(阴保)电位。通入海水，待1 h至参比电极稳定后，接通恒电位仪开关，对MMO棒状阳极施加稳定的直流电流，观察并记录各管段阴保电位的分布。40路线型参比电极可精确监测到20 cm间隔的电位。测试得到电位均相对于参比电极。

图1 管道内部外加电流阴极保护试验示意图Fig. 1 Diagram of impressed current cathodic protection test for inside of pipe

1.2 Beasy软件模拟计算

采用Beasy 软件对管道内部外加电流阴极保护数值进行模拟计算。Beasy软件是英国CM BEASY公司开发的大型防腐蚀软件,在石油化工、海洋工程等领域应用较多，此软件是基于边界元程序开发的，边界元程序软件能够在不影响计算精度的前提下，降低计算维数， 减少计算量，特别适用于海洋工程中不易检测装置的防腐蚀数值计算[3-4]。

首先,采用Beasy软件对四种管径管道进行建模，将辅助阳极布置在管道端部的中间位置;然后,对模型进行网格划分，模拟辅助阳极与海水管道内壁上各点轴向距离对外加电流阴极保护的影响。

2 结果与讨论

2.1 实海环境管道的阴保电位

采取恒电流法测定管道阴保电位曲线。恒定电流通过恒电位仪施加，根据每段管道棒状阳极相对于参比电极的电位确定恒定电流大小，以确保阳极附近电位不超过极化电位且可使管道迅速极化[5]。当棒状阳极相对于参比电极的电位为0 mV时，所加电流值合适。恒电流阴极极化测得的管道轴向阴保电位变化曲线如图2所示。

由于高纯锌在海水中稳定性好，且易加工，因此适用于此次参比的选材和制作。相对于高纯锌，海水中碳钢的自然腐蚀电位在500～560 mV，极化电位在0～250 mV时碳钢处于有效的被保护状态。

由图2可见：在轴向距离棒状阳极90 cm处，DN200管道的阴保电位为250 mV，这表明管道内部棒状阳极轴向保护距离为90 cm；同理，棒状阳极对DN125管道的轴向保护距离为60 cm，对DN100管道的轴向保护距离为24 cm，对DN80管道的轴向保护距离为20 cm。以上结果表明，随管径的减小，管道内部棒状阳极的轴向保护距离呈递减规律。由图2还可见：当管径≥125 mm时，轴向相邻两监测点间的电位差约为50 mV；而管径≤100 mm时，轴向相邻两监测点间的电位差突然变大，约为200 mV。以上结果表明，当管径≤100 mm时，保护距离已降到最小，保护作用不大，因此管径小于100 mm的管道不适宜用棒状阳极方式进行保护。

2.2 Beasy软件模拟结果

模拟得到的管道轴向阴保电位分布如图3所示。由图3可见：模拟得到棒状阳极对DN200与DN125管道的轴向保护距离分别为82，55 cm，与实海测试结果相近，差异率最大为2.5%；模拟得到棒状阳极对DN100和DN80管道的轴向保护距离均为40 cm，而实海测试结果分别为24 cm和20 cm，数值差异很大，差异率最大为100%。这说明对于类似DN100和DN80的小管径管道，外加电流阴极保护在实海测试中受实际因素如管道空间、管道表面状态等的影响较大，棒状阳极对管道的轴向保护距离较短，实海测试结果比计算结果偏小很多，因此管径≤100 cm的小管径管道不适宜用外加电流棒状阳极方式进行腐蚀防护。

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80图2 恒电流下测得各管道轴向阴保电位变化曲线Fig. 2 Cathodic protection potential curves in axial direction of pipeline in constant current

(a) DN200

(b) DN125

(c) DN100

(d) DN80图3 恒电流下管道轴向阴保电位的模拟结果Fig. 3 Simulated results of cathodic protection potentials in axial direction of pipeline in constant current

2.3 棒状阳极保护作用分析

由管道阴保电位变化曲线图知：四组管道阴保电位的测试值均呈现靠近阳极的位置电位较负，而远离阳极的位置电位较正的规律。这是因为在阴极保护系统中，离棒状阳极越近的阴极区域，其阴、阳极回路间的溶液电阻越小，电流倾向流经阻力较小的回路，因此会出现上述规律。值得注意的是，由于各阴极区域的电流大小不同，造成不同阴极表面的状态也有所差别，如阴极电流大的区域，表面阴极反应速率较大，致使电极表面的氧浓度降低、阴极产物浓度增加，进而影响了阴极反应中氧扩散、电荷转移等步骤的速率[6-7]。因此，试验结果中，阴极电位与阴、阳极间的距离未出现正比例关系。以上分析说明阴极极化状态不能仅考虑溶液电阻的影响，还要考虑不同区域的阴极反应状态。

此外，管径越小的管路，单位长度的溶液电阻越大，因此在与辅助阳极等距离的各阴极点处，管径越小的管道中，流经的电流越小，电位越正，保护效果越差。因此，随着管径的减小，阴极保护距离也随之减小，对于管径在100 mm以下的管道，由于保护距离过短，不适宜用棒状阳极外加电流的方法进行阴极保护。

3 结论

(1) 由实海测试结果可知，在管道轴向，离阳极距离越大，管道的阴保电位变负的倾向越小；而随管道管径变小，由于介质电阻变大，阳离子扩散受阻，所以保护距离也变小；当管径≤100 mm时，棒状辅助阳极方式基本起不到保护作用。

(2) 由Besay软件模拟计算可知， 棒状辅助阳极对DN200、DN125管道的保护距离与实海试验结果大体一致，而对DN100、DN80管道的轴向保护距离与实海试验所得结果相差较大。在实海试验中，小管径管道受实际环境影响较大，所以需按照实海试验数据指导海上工程施工。

(3) 管道棒状辅助阳极保护方式对管径≤100 mm的管道作用不大，因小管径管道较多应用于滨海设施，应考虑研究其他保护方式，确保其有效寿命，如：能提供稳定保护电位的线型辅助阳极，重点研究安装，密封工艺等对小管径管道的腐蚀防护的影响。

[1] 徐乃欣，张承典，周凤鸣，等. 管道内壁阴极保护时的电位分布[J]. 中国腐蚀与防护学报,1987,7(4):249-256.

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