深井阳极在天然气管道保护中的设计及创新应用

汪久虎，吴 相

（国家管网集团西南管道有限责任公司兰成渝输油分公司，四川 成都 610000）

为了满足社会各界的用气需求，近年来我国天然气管网的布设范围进一步扩大，对管道的防腐保护也提出了更加严格的要求。无论是从经济性还是从实用性来说，电化学保护法也都具备优势。但是牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法各有特点，前者适用于小范围、新建管道的保护，后者适用于大范围、老旧管道的保护。深井阳极是近几年出现的一种阴极保护新技术，从技术的实践来看，保护效果较为理想，值得推广。

1 外加电流阴极保护中最佳保护电位的选择方法

1.1 实验方法

该实验中包含3 块电极，第一块为工作电极，材质为碳钢；第二块为辅助电极，材质为Pb；第三块为参比电极，组成为Hg、HgCl 和KCl 溶液。电极连接恒电位仪，经由导线与电化学工作站相连。仪器分析所得数据通过线路输入到计算机中，在计算机的Power Suite 软件上进行数据统计和整理，基于所得数据用tafel 外推法可以得到工作电极的腐蚀速率。

上述实验装置中，左侧溶液成分如表1 所示。

表1 试验模拟溶液的组成

实验开始后，先打开计算机上的应用软件，然后启动电化学工作站，进行参数调节。将激励信号调节为10mV 的正弦波，使测试频率范围控制在100kHz-0.01Hz 之间。完成实验后，将所得数据进行拟合处理，得到极化电阻。

1.2 实验结果分析

从实验所得数据来看，在不同的溶液浓度下，阻抗谱的变化明显（如图1-3 所示）。

对比三图可以发现，在Rt-Ee，c 曲线不存在峰值（图2、图3）的情况时，随着电压的增加，Rt 也呈现出上升趋势，相应的腐蚀速率降低，此时最佳保护电位即等同于最小保护电位；在Rt-Ee，c 曲线存在峰值（图1）的情况下，在750mV 附近，出现了极值点电位，阳极反应电阻也同步的增加，当阴极电位达到极值时，阳极反应电阻达到最大，金属块的保护效果最好。此时的阴极电位，即为最佳保护电位。

图1 1%氯化钠Rt～Ee,c 曲线

图2 0.5%氯化钠Rt～Ee,c 曲线

图3 0.1%氯化钠Rt～Ee,c 曲线

2 基于最佳保护电位的天然气管道深井阳极设计

2.1 保护方式的选择

常用的防腐措施为两种，其一是内外涂刷涂层的物理防腐，其二是阴极保护防腐。使用单一方法效果不尽理想，通常是将两种方法联用，既可以取得较为理想的防腐效果，同时又具有较强的性价比。牺牲阳极的阴极保护法，以及外加电流的阳极保护法，虽然同属于电化学保护范畴，但是两者的保护机理、适用情况存在明显差异，这就需要根据土壤情况、埋设环境、保护要求等具体信息加以选择。

2.2 保护电流密度确定

当保护电流的密度达到特定值后，金属的腐蚀过程才会中止。当然，除了土壤电阻率外，像被保护金属的材质、温度、浓度以及金属表面的光滑度等等，也都是计算保护电流密度时必须要思考的问题。通常情况下，保护电流的密度值在μA 和mA 级别。

2.3 辅助阳极接地电阻

辅助电极的材质为铂，在实验中作为阳极接地电阻，其阻值的确定可以参照如下公式：

上式中：RV1——接地电阻，Ω；La——长度，m；Da——直径，m；ρ——土壤电阻率，Ω·m。

将辅助阳极的各项参数（见表2）带入到公式（1）中，可以计算得出RV1为0.6Ω。

表2 辅助阳极接地电阻计算

2.4 阴极保护阳极材料

在外加电流的阴极保护法中，辅助阳极的挑选要满足的标准有：（1）电阻较小，可以保证微弱电流的正常流通，金属材料的表面不容易出现钝化现象，即保持较长的使用寿命；（2）具有较强的耐腐蚀性能。尤其是在盐碱性土壤中，耐腐蚀性能越强，则阳极被消耗的速度越慢，也是延长使用寿命、减少阳极材料更换频率的有利因素；（3）机械性能优良。阳极材料应当易于加工且强度较大，同时材料易得、造价较低，方便进行大批量生产。

3 天然气管道深井阳极创新技术应用

某工业园区按照天然气管网的布设规划和保护要求，需要使用外加电流阴极保护的面积约为18600m2。其中，电流密度取0.3mA/m2，共需要安装3 个阴极保护站，每个站选择50m 的深井阳极地床，可以满足该园区所有天然气管网的防腐要求。

3.1 基本材料的安装

经过简单处理后的土壤，可以作为阳极地床。其原理是选择一块土壤电阻率相对较低的地块进行整理形成地床，然后将电源的保护电流自上而下的插入地下。由于土壤的电阻率小，因此保护电流可以经过土壤到达埋在地下一定深度的天然气管道。相当于为管道提供了外加电流，达到保护管道不被腐蚀的目的。从实际应用效果来看，保护效果取决于辅助阳极地床的设计水平，除了土壤电阻率这一核心要素外，像地床土壤的含水率、温度、透气性等，也是需要注意的重要因素。以钻进直立式阳极地床为例，安装位置需要选择在相邻两座阴极保护站的中心位置上，最大保护深度需要达到地下60 米，以保护站为圆心，以100 米为半径，保护覆盖的整个圆形区域。

地床的安装质量也会对保护效果产生影响，在现场安装时应做好以下工作：（1）进行简单的地质测量，安装区域应保证土壤湿润且土层深厚。（2）阳极材料为高硅铸铁，为了延长阳极使用寿命，防止后期频繁更换，采用胶带捆绑的方式，将3 块规格为Φ200×5000 的高硅铸铁阳极合成一块，其放置位置为深井的正下方。（3）阳极安装完成后，从阳极上方引出一条导线，在导线上做好永久性标记，方便后期进行检查和维护。（4）由于井深最大可达60m，为了防止地下水浸泡、侵蚀，应当使用专用的吊绳将阳极挂起。（5）完成上述工作后，重新回填土壤，并在深井的顶部加盖保护罩。

3.2 电气连接

安装时，分别找到主、备两台恒电位仪的接线端，分别接上阴极电缆，然后将两股电缆合为一股。电缆的另一端接到被保护的地下天然气管道上。通电以后，即可实现阴极极化保护。为了保证连接稳定，阴极电缆与地下管线之间优先考虑铝热焊接，且必须保证完全焊透、焊牢，不存在焊孔。待焊接部位冷却以后，使用环氧煤沥青玻璃进行表面涂抹。

3.3 绝缘、连接

如何保证天然气管道具有良好的防腐性能也是深井阳极保护中必须要考虑的问题。除了天然气管道外，像接地装置以及其他金属设备，也应当按照相同的标准采取绝缘措施。除此之外，电流不连续以及因为各种因素导致的断路问题，也会直接影响管线的保护效果。例如，法兰连接不牢固、插头松动、丝扣滑脱等等，都是以往深井阳极技术应用中经常发生的问题。

3.4 保护电位测试方法

近年来，国内通过自主创新和技术引进等方式，建立了比较齐全的保护电位测试技术体系。各种方法的优缺点对比如表3 所示。本文以地表电位测试法和试片断电法为例展开了简要分析。

表3 几种保护电位测试方法对比

（1）地表电位测试法

运用此方法所得的结果，代表的是极化电位与回路中所有电压降（IR 降）的总和。其中，极化电位可以利用测量仪器直接测定，而IR 降则需要测得管道极化电位、破损点面积、土壤电阻率等各项参数后，带入公式求得。另外，实验表明，IR 降会因为实验区域土壤电阻率的变化而受到较大的影响。例如，在电流密度、土壤含水率等各项条件保持一致的情况下，土壤电阻率为100Ω·cm时，IR 降只有5mV；但是土壤电阻率上升至2000Ω·cm时，IR 降则达到了500mV 以上。如图4 所示。

图4 地表电位测试

（2）试片断电法

此方法的操作要点在于：选定测试点后，选择一块高硅铸铁的薄片，将其插入测试点的土壤中。金属薄片上引出一根导线，与被保护管道连接起来。由于管道上有源源不断的电流通过，薄片也被极化。此时薄片可以看作是管道防腐层上的一处破损点。测量管人员只需要断开金属薄片与管道之间的连接导线，就可以通过电位变化情况，得到保护电位。某天然气管道采用试片断电法的测量结果如表4 所示。

表4 某输油管道阴极保护试片断电电位

4 结论

在能源紧缺的背景下，做好天然气管道保护也符合当前提倡的资源集约化理念。对比现阶段常用的各种管线保护技术，深井阳极保护作为一项新技术，不仅保护效果理想，而且具有性价比较高、阳极损耗小、可无间断供电保护等优点。