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浅谈对埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计工作的认识

侯   彪
 
值此协会主题研讨之际,我愿意从设计工作者的角度与大家分享对埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护这一防腐分支的认识。
摘要:在明确了阴极保护的管道条件前提下,文章简述了埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护基本原理、确定了应采用的阳极材料;给出了规范要求和设计参数、以及镁阳极接地电阻的简化计算公式;明确了不宜使用钢套管及对水泥套管内管道采取的保护措施;给出了阳极地床填包料的组分。
 
埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护在城镇燃气管线上被普遍应用应该是在原建设部《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003发布并实施之后。为了适应建设市场要求,燃气项目中的埋地钢质管道的腐蚀控制开始由采用防腐层进行外防护转变为采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统,既开始执行CJJ95-2003中的3.0.2款。
阴极保护需要一定的管道条件:其一为电绝缘,即被保护管段应与非保护管段和场区接地系统电绝缘;其二为电连续性,即被保护管段全线为电导通状态;其三为接地要求,即被保护管段的保护和工作接地应采用锌接地极,并不得对管道阴极保护造成不利影响。
正确选择和计算阳极材料、处理好套管内管段的附加保护和阳极地床是设计工作中的重要环节。
一、阳极材料的选择
阴极保护系统分为强制电流系统和牺牲阳极系统。由于城镇燃气管道主要分布在城镇市域范围内,该范围内地下管线及构筑物非常拥挤,所以在城镇市域范围内钢制管线的阴极保护多采用牺牲阳极系统。
《燃气工程技术手册》和《管线腐蚀控制》对金属的腐蚀原理都有明确的描述。“金属转化成低能量氧化物的过程称为腐蚀”。金属失去电子被氧化而导致金属损失就是腐蚀,“如在金属和电解质溶液的界面堆积大量的负电荷,腐蚀过程就会停止”,采用牺牲阳极阴极保护技术就是利用了这个原理。常见的几种金属在电解液中的标准电极电位由小到大的顺序(亦即金属在电解液中失去电子的能力由大到小的顺序)依次是:镁、铝、锌、铁、铜,因此原理上采用镁、铝、锌任一种材料通过电化学反应对钢铁材料的腐蚀都能起到保护作用,事实上也确实如此。“但到目前为止,还没有证据表明铝适合埋设在土壤中使用”,因此,埋地钢质管道牺牲阳极保护用的阳极材料主要是镁和锌。
由于金属镁比较活泼,表面不易极化,腐蚀产物容易脱落,电极电位比较负等优异特性,所以镁成了理想的阳极材料。但纯镁的电流效率不高,且造价昂贵,所以镁合金成为了阳极材料的首选。
二、阳极材料的计算
《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008的颁布和实施,对管道阴极保护的要求就更加具体和明确,特别是附录A的内容使阴极保护设计的可操作性变得更强。GB/T21448-2008明确了管道阴极保护的最低要求,即管道阴极保护电位应为-850mV(CSE)或更负,极限保护电位不能比-1200mV(CSE)更负。该规范没有提及CJJ95-2003中3.0.2款提及的管径和压力的要求。GB/T21448-2008对管道外防护层及其对应的保护电流密度的选取没有论述。随着科技的进步,目前管道外防护层变得单一,并且多为三层PE。具有三层PE防护层的管道,其保护电流密度的选取主要依据《石油工业中的腐蚀与防护》中的相关数据:既三层PE防护层面电阻为100000Ω.m2,相应地保护电流密度应﹥10μA/m2。设计实践中针对具有三层PE防护层的管道其保护电流密度多取30μA/m2。基于这些基本准则的确立,加之设计时收集到的管线附近的土壤参数和管线设计专业提供的管道设计施工图,按照GB/T21448-2008附录A.2给出的公式就可以进行牺牲阳极系统的相关计算,并最终确定牺牲阳极数量。
GB/T21448-2008附录A.2给出的公式很明确,但使用起来并不方便。为了方便使用这些公式,在参照相关施工经验、相关阳极材料厂商的技术资料及《管线腐蚀控制》中给出的相关数据的基础上公式中诸多参数都可以进行确定,并针对常用的几种规格镁阳极将A.15&A.16公式进行简化处理:
 
A.15的简化公式
单只立式镁阳极规格 单只立式镁阳极接地电阻 备   注
11kg Mg-Mn Rv=0.38ρ+0.21 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
14kg Mg-Mn Rv=0.38ρ+0.19 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
22kg Mg-Mn Rv=0.38ρ+0.17 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
A.16的简化公式
单只立式镁阳极规格 单只立式镁阳极接地电阻 备   注
11kg Mg-Mn Rh=0.42ρ+0.21 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
14kg Mg-Mn Rh=0.42ρ+0.19 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
22kg Mg-Mn Rh=0.42ρ+0.13 (Ω) ρ:土壤电阻率(Ω.m)
为使管道得到较好的保护,牺牲阳极数量确定后,在牺牲阳极保护半径内使之均匀分布就显得尤为重要。在城镇市域范围内牺牲阳极(组)间距300m~500m较为合适,市域外地下管线或构筑物较少的开阔地区<1000m较为合适。
三、套管内管段的附加保护措施
在阴极保护设计工作中,经常会遇到管道的局部管段加装套管,从而需要采取附加措施的情况。GB/T21448-2008中明确指出“不宜使用金属套管”,但在设计实践中遇到使用钢套管的情况还是时有发生。金属套管存在套管与管线短路的可能从而使套管内的管段完全收集不到阴极保护电流,该管段处在自由腐蚀的状态;即使套管与管线处在绝缘状态,由于电化学的作用钢套管的内表面也将遭到严重腐蚀。因此应避免使用钢套管。
设计过程中遇到的需要采取附加措施最多的情况是用水泥套管做保护的管段,具体措施是在套管内的管线段上另外敷设镁或锌材质的阳极带,并依管径大小以不同角度沿管道外壁缠绕。“当燃气管道外径≤219mm时,阳极带沿管道外壁等距且与管道轴向成30°角缠绕;当燃气管道外径为219~377mm时,沿管道外壁等距且与管道轴向成45°角缠绕;当燃气管道外径≥377mm时,沿管道外壁等距且与管道轴向成60°角缠绕。”除了缠绕阳极带之外,另外一种附加措施是在套管内的管线段上安装一定数量的镯式阳极。
四、牺牲阳极地床
为了让阳极在土壤中能可靠的工作,并能够有效防止土壤对阳极的钝化作用,牺牲阳极地床专门采用具有特定组分的化学填包料。这种阳极地床能够起到溶解阳极腐蚀产物、维持阳极周围持久湿润、将阳极材料与当地土壤隔离的作用,为阳极材料提供一个电阻率在1Ω.m左右稳定良好的工作环境,同时增加阳极输出电流。镁合金牺牲阳极在土壤电阻率>20Ω.m时,其填包料应按石膏粉75%、膨润土20%、工业硫酸钠5%的质量分数进行配比。填包料应用棉布袋或麻袋进行预包装,厚度≥50mm,并保证阳极四周厚度一致、组分均匀、密实。
管道牺牲阳极阴极保护方法除了防腐以外,亦有排除管道杂散电流、管道防雷及防静电接地等多种功能,加之这种方法简单易行,对临近设施不造成干扰等独特优点,因而该技术必将在我国经济建设的更大领域得到推广和发展,也必将在产品系列化、标准化方向得到发展。
参考文献:
《管道腐蚀控制》 原著 【美】 A.W. 皮博迪
《燃气工程技术手册》
《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008
《石油工业中的腐蚀与防护》
《煤气与热力》第30卷第11期《燃气钢质管道牺牲阳极阴极保护实践》
 
作者:侯彪  中国市政工程华北设计研究总院      高级工程师 
电子邮箱:houbiao505@163.com