牺牲阳极和外加电流联合保护法在长输管道中的应用

卜建设，梁久龙，吕东旭(.中国航空油料有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 05080；.承德华腐隆辰防腐工程有限责任公司，河北 承德 067000)

0 引言

由于长输管道长期深埋地下，在地下温度、酸度等一系列复杂条件的影响下，管道外腐蚀十分严重。阴极保护是目前较为有效的缓解腐蚀手段。阴极保护目前可分为2种：外接电流和牺牲阳极。这两种方法原理相似，都通过集合在金属表面的电子来降低其被腐蚀的可能性。外接电流方案是将外接电源的负极接保护金属，辅助正极接电源正极，形成电流通路给埋地管线提供保护。这种操作的好处是电流可以根据需要进行调节，能够保护设备经久耐用，对电阻的限制较少。

牺牲阳极将具有高负电位的材料连接到所需的埋入金属上，并通过溶解在阳极中的电流来保护阴极表面。牺牲阳极法的一个主要不足之处是必须维持充足的负电位以稳定阳极电位，并且阳极材料要均匀溶解以防止局部腐蚀。除了严格把控正极外，还应选择土壤阻力低的负极层位置，以防止保护缺失。牺牲阳极法不需要外接电源电压，电流分布均匀，包含自动调节功能，不会发生过保护，设备的安装也比较简单，但是，缺点是保护范围不足并且消耗阳极材料，因此我们只能将其用于小型设备的阴极保护[1]。

1 实验介绍

保护设备分为牺牲阳极、外接电流和固体电解质三部分。首先，通过测试找到最为合适的阳极材料和符合条件的规格，然后再通过外部电流阴极保护筛选出最佳的保护电压。最后，完成对电解质相关的结果分析，找到最优制造条件，最终构建出联合保护。

为了找出牺牲阳极材料和其规格对埋地线路抗腐蚀的影响根据，选择锌(Zn)、镁(Mg)和铝(Al)作为阳极材料，表面积为25 cm2，厚度为2 cm，规格分为4*6.25 cm、12.5*2 cm、5*5 cm 3种。同样，使用5 V、2 V以及1 V的电压分别对其进行电压输出。固态电解质碘(I)、碘化钾(KI)、氢氧化钠(NaOH)、乙腈(C2H3N)、硫酸锌(ZnSO4)、乙二醇((CH2OH)2)和琼脂。管道材料以及阴极接头使用Q235型钢材，电解槽使用有机玻璃槽。

将埋地线路和阳极材料放入牺牲阳极装置中并用导线连接以构成原电池。为有效测试阳极材料对管道的抗腐蚀作用，将外部直径25 mm、内部直径19 mm、长50 mm的管道两端连接，将带有塑料软管和自来水的水泵引入管道以模拟供水。将管道浸入10%氯化钠溶液中，以模拟管道外腐蚀。每个实验的观测时效约为5 h，每15 min分钟记录一次电流。开始测试前，先磨去管表面的锈痕，以准确测试实验中的最小误差。

外接电流装置外直径为25 mm、内直径为19 mm、长约50 mm的管两端用塑料软管与水泵相连，将水引入管内以模拟埋地线路运行。腐蚀溶液也使用10%的氯化钠溶液。实验在外部电流设备上进行，其中，以石墨为辅助阳极，管道作为阴极。实验采用直流电，及时测量管道中的电极电位，电源电压为5 V、2 V以及1 V。反应时间为5 h, 15 min,每15 min也标记一次管道电位。

碘化钾和碘用作固体电解质中溶质。由于碘化钾无法溶于有机溶剂，因此用乙二醇作溶剂将其溶解，之后用乙腈再溶解碘。由于碘化钾溶于乙二醇并立刻产生碘离子，使得碘更易溶于乙腈。将金属电解质添加到溶液中并加热和搅拌以增加固体电解质的电导率，完全溶解后，加入胶凝剂形成固体电解质。选择氢氧化钠和硫酸锌作为金属电解质主要是因为二者反应形成的氢氧化锌胶体使溶液容易形成固态。如果有比电或锌更活泼的金属阳极，则电解液中的锌离子被置换，以小锌颗粒的形式分布在电解液中作为金属电解液。锌离子的表面张力较大，相比于阴极材料更容易发生氧化还原反应，和埋地线路形成小型电池结构，向阴极保护系统提供电子，提高电流效率以及固态电解质的性能[2]。

牺牲阳极和外接电流联合保护由太阳能供电，无需建造阴极保护站、测试桩和长距离输电电缆，这样，可随时用于管道阴极保护。当电池电量不足，太阳能在夜间或长时间阴雨天气无法为其提供充足电流时，牺牲阳极则开始起作用，产生阴极保护电流继续保护管道，而固态电解质可以有效延长材料的使用周期。电解质具有高电导率、低挥发、化学性质稳定的特性，不因外部自然环境变化而发生变化，保证了阳极元件电位的稳定。太阳能板产生的能量储存在电池中，将电池的输出端连接到恒电位器，各部分用隔板隔开，置于500*500*600 mm的聚四氟乙烯板外壳内，内部填充固体电解质。施工时，只将负极连接器触点用焊枪连接到管道上，实现阴极保护。通过选择牺牲阳极、外接电流测试和固体电解质测试的最佳条件来构建保护装置。联合保护实验时间为外加电流5 h，牺牲阳极5 h，共10 h，每30 min记录一次电流电位。作为牺牲阳极，用万用表的红头接阳极镁，黑头接阴极管测量读数。通电时读取的参比电极值，是阴极连接器的电位。

腐蚀速率为：

式中：v为腐蚀速率(mg/(min·cm3))；m为埋地线路被腐蚀前的重量(g)；m1为线路被腐蚀后重量(g)；S为线路的表面积(cm2)；t为反应时长(min)；d为材料厚度(cm)。

表面积为：

式中：D为管道内外径和(cm)；l为管道长度(cm)。

计算三个试验组的钢管用不同材料保护时不同尺寸材料的消耗率：

式中：v1为镁材料的消耗率(mg/(min·cm3))；m3为反应前镁材料的重量(g)；m2为反应后镁材料重量(g)；S1为镁材料接触面的表面积(cm2)；t1为反应时长(min)；d1为所选材料的厚度(cm)。

2 实验结果分析

通过分析得出，对于同样的表面积和材质，纵横比越接近1，管道的腐蚀速率越小，相应的，其保护结果就越优秀。实验得出，在同样规格的材料中，镁阳极的腐蚀速率最小。在不同的外接电流下，管道减少量和管道腐蚀率基本不变。然而，没有电流保护的管道的腐蚀速度是其他的两倍左右。在不同电压条件下，被保护管道的电位从0～30 min呈下降趋势。这是因为反应的开始过程导致负电子流出，保护管的电位迅速下降。30～150 min时，电位先缓慢上升，后缓慢下降，在保护范围内形成波动曲线，寻找平衡的保护管线电位。150 min后，波动趋于平稳，说明氧化还原反应达到平衡，可靠地保护了埋地管线。在施加电压后，计算管道的腐蚀速率，观察管道电位随时间变化的曲线，可以看出保护效果是差不多的，但是从节能的角度来看，1 V电压可作为电源使用[3]。

采用乙二醇与乙腈3∶7的比例配备固态电解质，仅在变量不变的特定条件下改变琼脂的量来研究对固体电解质的影响。分析表明，所有电解质均呈弱碱性，液态电解质的挥发性比半固态电解质大三倍以上。这表明液体电解质的挥发性很强，其电导率相对较高，但随着液体蒸发，电导率显着下降。随着琼脂质量的提高，其挥发性显着降低，但其导电性也降低。不同品质的琼脂形成的电解质状态也不同。同等条件下，10%和20%琼脂的电解质状态不符合要求，而40%和50%琼脂的半固态电解质的电导率比较接近。因此，如果选择质量分数为30%琼脂的半固态电解质，60 h后的电导率为4.31 ms/cm。

乙二醇与乙腈的体积比为3∶7，碘化钾和碘的浓度分别为0.5 mol/L和0.05 mol/L，金属电解质的比例为3∶3，加入质量分数为30%的琼脂，最终制备固体电解质，并在40 ℃下加热搅拌。60 h后测电导率，其稳定在5.83 ms/cm左右，蒸发度小于0.2%，为碱性。

按照以上材料和配比来建造联合保护设备，在运行后进行数据处理分析可以得出，与实验中的单个牺牲阳极相比，埋地管线腐蚀率减少了近80%，镁阳极消耗率减少了10%。相比外接电流，管线腐蚀率也减少到了70%左右。与牺牲阳极和外接电流实验相比，电源输出时间短，管线腐蚀率低。电解质中的锌从中被置换出来，锌颗粒的表面积小，因此可以形成原电池结构，继续保护管线。这样的话，既减少了电能的消耗，又降低了正极的消耗率，增加了使用寿命，形成有效的循环利用。所以，联合保护法不仅实现了对埋地管线的有效保护，而且节约了资源和相关成本[4]。

3 结语

在牺牲阳极实验中，对比不同的材料、不同规格的阳极，发现相同材料、不同规格的阳极保护启动时间不同，阳极的启动时间也不同。镁材料在比较同规格的其他材料时，对保护电流起到最大作用。在截面积相同的情况下，自耗率最低，所以5*5 cm的镁材料更合适。在外加电流实验中可以看出，三种不同电压保护的管道保护效果在直流电源输出电压的测试情况下是相似的。由于本次实验只模拟了Q235管道研究，在实际工程中，对于长距离埋地管道，每个点所需的电压并不高。在节能降耗方面，1 V特供电电压更合适。在电解质实验中优化溶剂、溶质、胶凝剂和金属电解质的质量分数制备的电解质的电导率稳定在5.83 ms/cm左右，挥发性小于0.2%，该设计在原则上和建设性上都有意义，在运行过程中，管道实现了有效保护，电位也在保护电位范围内。