阴极保护技术在钢制埋地管道及储罐上的应用

张彦坤

（北京碧海舟腐蚀防护工业股份有限公司，北京 100071）

早在2000年墨西哥某天然气公司就因为埋地天然气管道因腐蚀破裂造成重大事故；而2004年我国某化肥厂埋地输气管道因土壤腐蚀泄漏了大量易燃有毒的水煤气，对周围环境造成了严重污染，这些事故都是由管道腐蚀引起的安全事故。诸如此类由管道腐蚀引起的安全事故数见不鲜，寻找安全有效的防腐蚀方法是解决钢质埋地管道安全且长期运行的关键[1，2]。阴极保护技术可以将金属在电解质环境中的电位负移来达到无腐蚀电位，最终使电化学腐蚀现象的发生大大减少[3，4]。

因此本文对阴极保护技术的原理、方法及相关应用进行简单介绍，以探讨解决钢质埋地管道和储罐腐蚀问题的方法，最终达到安全运输和生产的目的。

1 阴极保护原理

腐蚀是指金属与周围环境发生化学、电化学反应和物理作用引起的变质及破坏现象。据中石油总公司的统计显示:每年由于腐蚀给油田造成的损失约两百亿元，2003年，英国BP石油公司在拉斯维加斯的石油管线由于腐蚀泄露，造成超过757m3原油外泄，环境破坏和经济损失相当严重。作为最常见的腐蚀形式，电化学腐蚀的腐蚀危害要远远大于比其他腐蚀。阴极保护技术是一种用于防止金属在电解质(海水、淡水及土壤介质)中腐蚀的电化学保护技术，该技术是使金属构件作为阴极，对其施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，在金属表面的通过阴极极化来消除该金属表面的电化学不均匀性，达到保护金属构件的目的。阴极保护是一种经济而有效的防护措施，其应用已有一百多年历史，使用范围日益广泛。阴极保护对地下管道的防腐起着非常重要的作用。特别是当管道的防腐层或内涂层出现小的缺陷，阴极保护电流可使管道免遭腐蚀。阴极保护电流在阻止有防护层缺陷的管道发生腐蚀时，所需保护电流的大小与防腐层缺陷的严重程度有关，缺陷越大越严重所需要的保护电流也就越大。当防腐层缺陷很严重时，虽然有阴极保护系统，但破损点局部保护电流极化电位达不到最低保护标准要求时，缺陷处管道还是会发生腐蚀。在阴极保护中，判断金属构筑物是否达到完全保护，要借助参比电极测量金属的保护电位。而为了达到需要的保护电位，都是通过改变保护电流密度来实现的。因此，保护电位和保护电流密度是阴极保护的两大参数。为了使得管线的腐蚀速率降到最低，要合理地设计这两大参数，并做好定期检测工作[5]。

2 阴极保护方法

2.1 牺牲阳极法

负电位大于被保护金属的合金或其他金属是牺牲阳极法的主要组成，通过与被保护金属连接来牺牲阳极，最终达到阴极保护的效果。具有足够的负稳定电位、自我腐蚀发生率较低、电流效率可以保持较高而稳定、单位重量产生的电流量大、腐蚀产物不会对环境造成污染、材料来源广泛、易加工、价格低廉等要求均是作为牺牲阳极材料的必要条件，而镁基、锌基和铝基合金是目前常用的三种牺牲阳极材料[6，7]。

2.2 强制电流法

强制电流法的最终目的是使阴极极化，可以人为将阴极电流施加到被保护金属（管道、储罐）上来实现该目的。辅助阳极必须满足导电性好、放电容量大、耐腐蚀、使用寿命长、机械强度高、加工安装方便、材料价格低等要求[8]。目前常用的钢、铝、高硅铸铁、石墨、铂和金属氧化物均是辅助阳极的材料。

2.3 排流保护法

排流保护法与上面两种方法有所不同，其不是通过阴极极化来进行阴极保护，而是使杂散电流环境中的杂散电流减少或消除达到阴极保护的作用。可细分为以下三种情况：①杂散电流干扰电位极性稳定：在此种情况下有种简单可行的方法，直接将电缆分别与保护器及干扰源相互连接即可，但需要注意的是该过程需要操作选择得当，尽量抑制杂散电流的增加；②杂散电流干扰电位的极性在正负之间交替：此种情况最为常见，只需要借助二极管就可进行阴极保护，通过二极管自身独有的特性可以平衡杂散电流与干扰源之间的平衡；③当没有杂散电流：此种情况只在理论情况下出现，当干扰源、保护器或其他设备不产生杂散电流时可以由整流器提供保护电流，而当产生杂散电流时，漏极电流可用作保护，强制放电一般用稳压器[9]。

3 阴极保护技术在钢制埋地管道上的应用

在钢制埋地管道的防腐蚀措施的实施上，有较多的方案可供选择，而覆盖层和阴极保护的联合防腐蚀措施具有良好的效果，这是管道行业基本认可的。目前在我国包括油田的集输管道及其他管道大概将近25000公里的管道行程均是采用阴极保护技术[10]。

3.1 适用范围

牺牲阳极法只适用于土壤、水或沼泽环境中低电阻率的小直径管道，或距离短、防腐层质量高的大直径管道。

3.2 安装要求

牺牲阳极与管道外壁的距离控制应该不小于3米且不大于5米，还应保证阳极顶部与地面的距离在1m以上。应该埋在冻土层下面。在干燥地区应结合土壤及外部环境将阳极埋在更深的地方。另外需要注意的是在清除河床淤泥时应避免埋在河床中的阳极被洪水冲刷和损坏。还要避免直接将阳极埋在土壤中，减少阳极与土壤环境的直接接触，从而造成阳极消耗不均匀。

3.3 电缆的选用及施工要点

阴极保护电缆应为铜芯电缆，牺牲阳极铜芯电缆的截面应大于4mm2。多股连接线时要注意导线的横截面积，此时可以保持每根导线的横截面积大于2.5mm2。电缆的选用应严格按照标准，把电缆埋在冻土层下使得电缆与管道相交时的垂直净距大于0.5m，另外在管道与电缆焊接的缝隙要保持大于200mm且不能处于管道弯头部分。

在焊接电缆时应注意电缆横截面积，若电缆的截面面积较大，可以把电缆分成均匀的几股来进行单独焊接，在焊接过程电缆与管道的焊点处可以缠绕热收缩带，此收缩带不宜过大也不宜过小，可把250mm宽度作为标准，径向搭接长度不应小于100mm。

3.4 绝缘装置的形式及施工要点

绝缘装置在管道阴极保护中有着重要作用，一般常见的绝缘装置为绝缘管与绝缘接头，而绝缘支架应用在较为特殊的场合。管道可能存在诸多危险区域，在易发生爆炸的危险区域，可以使用绝缘支架来对防爆火花间隙进行桥接，从而降低爆炸风险。对绝缘装置需定期进行检查，采取相应的保护措施，来防止外界因素对绝缘装置造成影响；在管道和套管的端口可以使用绝缘接头来防止其他事故的发生，且绝缘接口的使用可使管道密封性更好，从而减少土壤水分对管道的渗漏以及其他因素带来的漏水现象。

3.5 测试装置的设置与安装

在测试装置的设置与安装上也有诸多要求，测试结果直接决定防腐蚀措施的效果，另外测试装置也是方法及措施的检验过程，因此要根据地理环境决定测试装置与管道之间的间隔距离。

为了更好的为管道防腐蚀提供便利，一般将相邻测试装置的距离控制在1到3km之间。在市区或工业区，相邻间隔不应超过1公里。在有杂散电流干扰的区域，可以适当缩短测试设备之间的间隔。对于铺设在不同沟槽中的多条平行管道，每条管道应配备一个单独的测试装置，每个测试装置应至少有两条电缆与管道连接。测试装置应与阴极保护系统同时安装。测试桩安装在距离管道中心线1.5m处，桩身固定在管道上。焊点应采用铝热焊接工艺进行焊接[11]。

3.6 小结

综上所述，牺牲阳极法在钢质埋地管道中的应用可以有效避免或减少电蚀的发生，但只有通过对埋地土壤环境的认真调查，才能制定符合环境和管道自身的最佳防腐蚀方案。

4 阴极保护技术在储罐上的应用

就现在而言，储罐因为腐蚀而发生事故的新闻还在持续报道，究其根本原因不合理的防腐蚀措施或无防腐蚀是储罐事故的最大问题所在。另外对于储罐防腐蚀措施没有规范统一的标准也是造成诸多腐蚀事故发生的主要原因之一，没有标准就无法对防腐蚀措施实施的效果进行评估，都处在各自摸索的阶段。但阴极保护技术是已被诸多研究证明的行之有效的防腐蚀措施，根据储罐所处土壤环境及其他因素，结合储罐自身材料防腐蚀的特点，提出除了对油罐内部整体进行涂层防腐外，还应对腐蚀严重的内底板进行牺牲阳极的阴极保护[11]。这种方法最适合原油储罐。原因是原油储罐底部经常存在盐水，盐水中氯离子渗透性比较强，导致底板腐蚀严重。同时盐水是一种电解液，阴极保护只有在有电解液的情况下才能发挥其防腐作用，因此在原油储罐底部实施阴极保护是正确的选择，对于其他油罐，如果底部有沉淀水层，也可以采用阴极保护[12]。

4.1 适用范围

由于雨水和地下水的渗透，沙子和土壤中的水、可溶性离子、溶解氧和硫酸盐还原菌可以通过储罐外涂层的缺陷腐蚀钢材。储罐和管道的材料不同，所以电气连接时存在电气腐蚀。但是，埋地储罐和管道保护的面积较小，其周围土壤的电阻率有呈上升的趋势，尤其是土壤环境中夹杂着碎石或细沙的地方电阻率显著增高。故从经济实用上来说储罐可以选择镁合金作为牺牲阳极的材料，管道的排水应增加锌阳极[13]。

4.2 参数计算及系统设计

首先对阴极保护面积进行计算，并结合罐内浸水面积与罐外土壤接触面积大小制定最佳的保护方案，根据有关标准确定保护电流密度并计算出阴极保护所需要的总电流，确定保护年限；根据每块阳极重量计算出阳极所需要的总重量，确定阳极总数量[14]。

4.3 远程系统

由阴极保护数控电源、电源控制接口、前端微机监控系统、远程通信系统和控制中心组成，能够及时发现系统的问题和故障[15]。

4.4 储罐防腐蚀施工要点

对储罐进行基本防腐蚀操作，如对储罐内外罐体进行清洗，清洗完后等到水渍晾干，可适当进行除锈处理，需要注意的是对于罐体上相对薄弱的地方要避免过度除锈，必要时可进行简单修补；对罐底及壁板进行仔细检查，使罐底及连接罐底的壁板之间的缝隙达到涂装施工的标准后，将牺牲阳极块焊接在上面，在焊接过程中应小心操作，及时将焊接产生的垃圾清理；接下来进行油漆施工，1m以下的内底板和墙板采用绝缘槽漆，其余部分采用导静电漆[16]。

4.5 注意事项

储罐需要镁合金牺牲阳极，在靠近气体分配器的管道一端设置锌阳极用于排水，在储罐和控制设备之间、控制设备和管道之间、管道和气体分配器之间设置绝缘法兰。埋地储罐在设计和施工中要注意绝缘问题，使储罐和管道成为相互独立的个体，可以避免阴极保护电流损失和相互干扰，注意加油机接地设备产生的杂散电流引起管道腐蚀的可能性，可以通过相应的排水措施，如人工排水或设置远程系统程序自动排水，从而减少杂散电流来防止腐蚀现象发生[17]。

4.6 小结

综上所述，埋地钢质储罐容易发生腐蚀和穿孔，应引起重视并采取有效措施进行预防。

5 总结与展望

现在，阴极保护技术的工程应用可以说具有广阔的应用前景和市场，更多的科技创新热点必将出现。结合自身经验及查阅相关国内外资料，笔者认为未来国内阴极保护技术的发展方向有以下几点：①研究测量技术：阴极保护测量技术在一定程度上制约了我国阴极保护技术的发展，影响了设计和管理，必须首先解决[18]；②信息软件支持：在信息社会，软件已经成为公司水平的标志，没有一个像样的软件很难在国际工程中占据一席之地。目前最迫切需要开发的软件是相关的阴极保护设计和强电流干扰[19]；③做好监测工作：及时了解和掌握腐蚀过程及状况，对管线的腐蚀速度和与腐蚀速度相关的参数进行监控测量，通过对所获得的信息进行分析研究，揭示和掌握腐蚀过程及状况，确定腐蚀状况和成因。从而使决策层和各级管理人员及时了解管道的腐蚀现状，采取更具针对性的防护措施，确保防腐工作有计划、有目的的开展，降本增效，对防止和减缓管线因腐蚀而造成的危害，从而提高防腐技术水平、管理水平，确保管线的正常运行有重要意义。

腐蚀监测工作的重要性在于它是认识和了解影响管线腐蚀因素、制定防腐蚀措施的基础;是监督、评价防腐蚀措施的有效手段。腐蚀监测技术是由实验室腐蚀实验方法和设备的无损检测技术发展而来的。监测不仅要监测管道的腐蚀情况，还应监测腐蚀介质、腐蚀环境的变化情况，以便及时进行防腐；④应用领域扩展：国内阴极保护仅限于油气管道，有些领域没有得到足够的重视，如混凝土管道和大型基础、城市供水和供气管道的保护等[20]。故在今后还需不断探索埋地管道的防腐蚀措施，特别的阴极保护技术的实施还需更加规范严格的体系标准，从而最大限度降低管道事故的发生率。