浅谈牺牲阳极在城市燃气管线保护中的设计与应用

　　摘　要：文章针对城镇燃气埋地钢质管道的阴极保护的方法，牺牲阳极设计、选用、布置等问题进行了分析介绍，为埋地钢质管道牺牲阳极保护设计提供了参考。

　　关键词：牺牲阳极;管线保护

　　Abstract: this paper discusses town gas buried steel pipeline corrosion protection method, design, selection of sacrificial anode, decorate, this paper analyzed the problems of introduction, for buried steel pipeline sacrificial anode protection design provides reference.

　　Keywords: sacrificial anode; Pipeline protection

　　中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：

　　1.前言

　　天然气是一种清洁高效优质的能源，随着天然气应用的迅速发展，天然气管网的建设不断加快。如何建设结构合理、安全可靠的城市燃气管网，成为我国燃气行业的重要课题。城镇燃气地下管网不断增加，钢质管道的腐蚀与防护问题日益突出。为了延长埋地钢质管道的使用寿命，确保城镇燃气供应安全、可靠，通常采用阴极保护方法保护埋地钢质管道。

　　2.设计方案选择

　　敷设燃气管道沿线土壤性质变化较大，容易形成宏观腐蚀，土壤透气性良好，成分变化明显，较易形成浓差电池，城市管网地下金属结构不明物较多，更易形成电偶腐蚀，以上这些会使管线点蚀与穿孔腐蚀速度加快，阴极保护是防止金属管道穿孔腐蚀的最有效方法。

　　阴极保护原理的基础是电化学中有关腐蚀原电池的理论。它是根据不同金属在电解质(如海水、土壤等)中不同的电极电位，电位负的为阳极，电位正的为阴极。在电解质中，阳极上失去金属离子(即腐蚀)，产生电子，电子通过连接电缆流向阴极，从而使阴极上富集了电子。这样阴极不再失去金属离子而产生电子，也就是阴极不腐蚀得到保护。上述防腐方法称为阴极保护。阴极保护就是要消除金属结构上的阳极区及腐蚀原电池中的阳极区。

　　通常可通过以下两种方法来实现：牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

　　(1)牺牲阳极阴极保护;

　　牺牲阳极阴极保护是将电位较负的金属或合金(通常为镁基、铝基或锌集合金)作为牺牲阳极，通过连接电缆与阴极即电位较正的金属(通常为被保护的构筑物)连接，在电解质中构成了电池组。如镁和钢铁之间电极电位不同，产生电位差(也就是驱动电压)，电子从电位较负的镁经电缆流入电位较正的钢铁中。此时，镁不断的失去电子而遭到腐蚀(牺牲);而钢铁因不断地接受电子从而抑制了铁离子的形成，使之免受腐蚀。这就是牺牲阳极保护阴极的牺牲阳极阴极保护法。对于埋地金属构筑物，用牺牲阳极不仅有防腐蚀的功能，还能起到防干扰接地电池的作用，同时还有作为接地体的地电压均压装置的功能。

　　(2)外加电流的阴极保护：

　　外加电流的阴极保护是通以直流电流，将电源的负极接到被保护的金属构件上，电源的正极接到辅助阳极上，通过电解质构成一个回路。这样金属构件因成为阴极而得到保护。用于外加电流的辅助阳极通常为高硅铸铁阳极，另外还有石墨等。

　　对管道实施阴极保护可以弥补非金属涂敷层的缺点，管道局部暴露部分可以由阴极保护来完成。管道经过长时间的使用，在没有阴极保护的情况下，会造成管道的局部腐蚀，这将导致管道穿孔、天然气泄漏，使管道使用中留下灾难性隐患。

　　采用非金属涂敷层和阴极保护联合防腐的方法是最经济、最有效、最可靠的防腐措施。牺牲阳极适用于各种场合的阴极保护，其优点在于不需要外加电源，几乎不需要维护保养;保护电流利用率高，不会过保护;管道各处电流均衡，保护电流稳定，可以有效避免管道附近杂散电流的干扰，对临近的地下金属设施无干扰影响;施工技术成熟，安装及维修费用小;有外加电流无法相比的优点。

　　外加电流阴极保护适用于野外长输管道，需要设置恒定的外加电源，需要设立专门的阴极保护站并需要有专人管理和维护，一次性投资费用高。在采用外加电流阴极保护的时候，必须考虑系统输出电流对附近同一介质的金属物的影响，一般在附近有地下管网或金属构筑物的地区不适合采用外加电源的阴极保护方法，因此作为城市燃气管网不适合采用外加电流阴极保护方法。

　　综合上述，城镇燃气埋地钢质管道宜采用牺牲阳极阴极保护来减缓土壤对管道的电化学腐蚀。

　　3.阴极保护设计

　　一、牺牲阳极的选取

　　1) 土壤电阻率

　　土壤电阻率反映了土壤介质的导电能力。一般电阻率低的土壤腐蚀性强，反之腐蚀性弱，通常根据土壤电阻率选取适宜的牺牲阳极。无论采用哪种牺牲阳极，都需要先测出管道所在位置的土壤平均电阻率。土壤中所含成分的比例不同，造成各个地方电阻率也不同，即使同一地点不同埋深的电阻率也不同，因此我们常采用管道所在埋深处的电阻率的平均值。

　　2)牺牲阳极的选用

　　牺牲阳极主要有两大类型，即镁合金阳极和锌合金阳极。

　　根据勘测出来的土壤电阻率(ρ)，可以选择采用锌阳极或镁阳极。一般ρ<5Ω·m时，选用锌阳极;5Ω·m≤p≤100Ω·113时，选用镁阳极;p>100Ω·m时，选用带状镁阳极。在土壤潮湿的情况下，锌阳极使用范围可扩大到30Ω·m

　　二、阴极保护设计

　　1).牺牲阳极保护设计：

　　<1>.总面积： S=DπL

　　式中：S—管道表面积 m2

　　D—管道直径 m

　　L—管道长度 m

　　<2>.保护电流密度计算： IA=i·S

　　IA--保护电流密度量

　　i--平均保护电流密度 A/m2 (取0.5X10-3A/m2)

　　S--被保护面积 m2

　　最小保护电流密度IA是根据管道的防腐层种类、好坏来确定的，新建沥青玻璃布防腐管道所需的IA约0.1mA/m2，新建三层PE管道所需的IA约0.001mA/m2，旧管道的IA取0.3mA/m2。

　　<3>.单支阳极输出电流的确定

　　Ia=150000fY/ρ

　　ρ--土壤电阻率Ω.m

　　f--系数 取1.09

　　Ia--单支阳极输出电流 mA

　　Y--系数 取0.79

　　<4>. 阳极支数确定

　　N=K·IA/Ia

　　N--牺牲阳极数量 支

　　K--设计系数 (备用系数 取2-3)

　　2).阳极地床

　　埋地牺牲阳极必须使用化学填包料，依据当地实际情况选用，工程选配方为： 石膏粉：15%;工业硫酸镁：35% ;膨润土：50%

　　3).阳极安装：

　　设计阳极一般为卧式单支或组合二支，四支为一组，轴向埋设，开槽施工，埋设一般情况距管道壁3~5m,最小不宜小于0.3m,深度为不小于1m为宜，成组布置，阳极间距为2m。

　　注意事项：1)布置阳极时阳极与管道间不应有金属构筑物。

　　2)阳极接地要求按有关电力接地技术标准，接地电阻〈4Ω。

　　4).测试桩：

　　测试桩在二阳极埋点中部，编号设置。距离以不大于500米为宜，以施工图为准。辅助试片与钢管材质相同，规格取50X25X5，连接电缆取VV-1KV/1X10mm2铜芯电缆，要求电缆长度有预留量，电缆四周填5-10cm细砂，上盖红砖保护。

　　5).排流器：

　　当被保护管道受周围电场影响，管道的电位较自然电位正向偏移100mV或附近土壤电位梯度大于2.5mV/m时应采取防护措施，可采用接地排流方式。

　　三、施工原则和运行管理

　　1) 施工中应考虑被保护系统管网和非保护系统管网的隔离问题，通常可用绝缘法兰作为管网间的隔离设备。

　　2) 阳极埋设点可在设计位置±5米之内找合适地点安装，测试桩可以就近靠路边、路牙处设置，以不妨碍使用，不妨碍交通为原则。

　　3) 按规范规定的测试项目进行测试，主要是电位、电流、电阻测试，监视牺牲阳极工况。保护参数投产测试必须在阳极埋入地下及填包料浇水10天以后进行。运行后应定期监测维护，至少每半年一次。

　　4. 结语

　　(1) 采用阴极保护技术能大大减缓电化学腐蚀过程，根据现有敷设经验阴极保护的投资占管网总投资比例很小，取得的经济效益与社会效益明显，因此在埋地钢质管道敷设中可同时应用。

　　(2) 为延长管道寿命，增加使用年限，应加强施工过程的防腐层保护，对强腐蚀性土壤地区的燃气管道，可考虑加厚防腐层。施工中还应使用电火花检漏仪对防腐情况进行严格验收。这样即可保护管道，在实施了阴极保护的管网中还可延长阴极的使用寿命。

　　(3) 因地制宜选择防腐，管道建设可根据不同地理环境和土壤检验分析分别选用适宜的管材和防腐方法，保证防腐的长效性，增加管网的安全运行可靠性。

　　作者简介：苏岗，男，1973-，汉族，陕西西安人，工程师，现就职西安市燃气规划设计院有限公司。