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输气管理中阳极地床对阴极保护的积极影响
2011-06-24 10:06:34 cippe网上展览 点击量: 1585
阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段，也是国内外公认的防止钢质构筑物腐蚀最为经济有效的措施。外加电流法是由外加的直流电源直接向被保护金属构筑物施加阴极电流使其发生阴极极化。它由辅助电极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。目前输气管理处普遍采用恒电位的方式对管道进行保护（见图1）。
外部电源通过埋地的辅助阳极、将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应。因此，阳极地床是强制电流阴极保护设计中很关键的部分，其设计合理与否、施工是否符合要求，直接关系到阴极保护系统能否正常运行，关系到能否对管线或设备提供有效的保护。
传统保护方法问题隐现
近几年，某天然气集输单位对管辖的天然气管道阴极保护效果进行了有效性评价，发现部分管线阴极保护电位发生异常。如某输气站共有两套阴极保护系统，建有两个阳极地床分别对两条天然气管道实施阴极保护，管线外防腐采用绝缘层和外加电流阴极保护组成的防护系统来承担，其中一条管线长约97km，管线规格为Ф711х7.1，管线防护层材料为3PE，另一条管线长约100 km，管线规格为Ф720х7.1，管线防护层材料为石油沥青，其中Ф720管线阳极地床离Ф711管线垂直距离较近（见图2）。
关闭Ф720管线阴极保护系统，在Ф711管线阴极保护系统上架设通断电器，采取了通12秒、断3秒的通断测试，Ф711管线恒电位仪输出情况（见表1）。
此时，Ф711管线站内通电点通、断电位分别位-1450 mV、-880 mV，Ф711管线第66号检测桩（距离Ф720管线阳极地床垂直最近）通、断电位分别位-1620 mV、-1080 mV，有200mV左右的负偏移。
继续使用Ф711管线阴极保护系统对Ф711管线供电，但将Ф711管线阳极地床换为Ф720管线的阳极地床，在恒电位仪输出情况基本相同的情况下，Ф711管线第66号检测桩通、断电位分别位-1050 mV、-440 mV。断电点位基本上为自然电位。
从以上实例中我们可以发现两种情况：一是当受保护管线与其他阴极保护系统的阳极地床垂直距离较近时，管线电位有一定的负偏移。二是当受保护的管线与自身阳极地床距离较近时，管线电位较低，无法达到保护要求。
两种原因导致保护不力
利用外部直流电源取得阴极极化电流来防止金属遭受腐蚀的方法，称为外加电流阴极保护。此时，被保护的金属接在直流电源的负极上，而在电源的正极则接辅助电极（见图3）。
当合上开关K，接通电路后，直流电源便给被保护金属通以阴极极化电流，使金属表面阴极极化。当外加电流大于腐蚀电流时，则进入金属的电子速度大于金属失去电子的速度。此时金属表面上积累了过剩的电子。金属的电极电位向负方向移动。当金属的电位降到一定的负值时，金属腐蚀电池阴、阳二极的电极电位相等或更负时，被保护金属停止了腐蚀。这就是外加电流阴极保护的原理。其实施电路为保护电流由电源正极流出，经导线至辅助电极散流入电解液，再流到被保护金属上，又通过汇流导线流回电源负极。
第一种情况：外加电流阴极保护系统正常运行时，可以假设辅助阳极正电子在流向保护金属的同时，也有一部分流向靠近的管道，导致距离近的管道金属表面上积累了过剩的电子，金属的电极电位就向更负方向移动。反映出来的现象就是管线电位存在一定的负偏移。
第二种情况：由于管线与自身的阳极地床距离较近，在接通电源后，经过阳极地床的电流漫流范围较窄，同时阳极地床距离站场阴保通电点较近，导致通电点的通电电位较高，将此时的高电位与地床距离管线较远时的通电电位之差假设成阳极地床对自身管线的干扰电位，由于干扰电位影响，同时恒电位仪的恒电位输出原理，导致真正送到管线的电流较小，可假设自然电位-0.5V，恒电位仪上输出电位-1.5V，正常情况下，考虑IR降的影响：-0.5V，送到管道上的电位为-0.5V，管道测得的断电点位应为-1.0 V，但由于地床干扰造成的干扰电位-0.4V，真正送到管道上的电位仅为-0.1V，管道测得的断电点位为-0.6 V，断电电位达不到阴极保护参数的最小保护电位-0.85V（相对饱和Cu／CuSO4参比电极）的技术要求同时当提高恒电位仪输出电位时，地床对管道的干扰也相应增加。在断电后，阳极地床对管道的干扰也相应消失，则管线断电电位很难达到保护要求。
针对性的解决方案
针对阳极地床出现干扰的原因，采取有效的措施，可以有效地提高阴极保护效果，减少腐蚀发生的几率，降低腐蚀的程度。可以采取的措施有：
（1）重新设计阳极地床位置，使阳极地床对管线不会形成干扰。
（2）在综合考虑站区现状和保护需求，环境条件符合的情况下，考虑采用深埋式阳极地床对管道进行保护。
（3）考虑采取一些措施来消除或缓减阳极地床对管道干扰的影响，如提高与阳极地床最近的管段的防腐层等级、在管线受干扰程度较大的区域实施排流、在管道与阳极地床之间埋设隔离桩等。
对以上措施的选择要从投资费用、安全可靠性、用电情况、环境因素等多方面考虑。在对输线阴极保护效果评价过程中，发现阳极地床干扰的情况并不是个别现象，通过对产生干扰的原因做出具体分析，提出具有针对性的解决措施，对以后阴极保护系统的调试、整改具有指导意义，同时可对新建管道提供指导借鉴，对延长管道的使用寿命将起到积极的作用。
来源: 《石油与装备》
外部电源通过埋地的辅助阳极、将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，腐蚀受到抑制。而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应。因此，阳极地床是强制电流阴极保护设计中很关键的部分，其设计合理与否、施工是否符合要求，直接关系到阴极保护系统能否正常运行，关系到能否对管线或设备提供有效的保护。
传统保护方法问题隐现
近几年，某天然气集输单位对管辖的天然气管道阴极保护效果进行了有效性评价，发现部分管线阴极保护电位发生异常。如某输气站共有两套阴极保护系统，建有两个阳极地床分别对两条天然气管道实施阴极保护，管线外防腐采用绝缘层和外加电流阴极保护组成的防护系统来承担，其中一条管线长约97km，管线规格为Ф711х7.1，管线防护层材料为3PE，另一条管线长约100 km，管线规格为Ф720х7.1，管线防护层材料为石油沥青，其中Ф720管线阳极地床离Ф711管线垂直距离较近（见图2）。
关闭Ф720管线阴极保护系统，在Ф711管线阴极保护系统上架设通断电器，采取了通12秒、断3秒的通断测试，Ф711管线恒电位仪输出情况（见表1）。
此时，Ф711管线站内通电点通、断电位分别位-1450 mV、-880 mV，Ф711管线第66号检测桩（距离Ф720管线阳极地床垂直最近）通、断电位分别位-1620 mV、-1080 mV，有200mV左右的负偏移。
继续使用Ф711管线阴极保护系统对Ф711管线供电，但将Ф711管线阳极地床换为Ф720管线的阳极地床，在恒电位仪输出情况基本相同的情况下，Ф711管线第66号检测桩通、断电位分别位-1050 mV、-440 mV。断电点位基本上为自然电位。
从以上实例中我们可以发现两种情况：一是当受保护管线与其他阴极保护系统的阳极地床垂直距离较近时，管线电位有一定的负偏移。二是当受保护的管线与自身阳极地床距离较近时，管线电位较低，无法达到保护要求。
两种原因导致保护不力
利用外部直流电源取得阴极极化电流来防止金属遭受腐蚀的方法，称为外加电流阴极保护。此时，被保护的金属接在直流电源的负极上，而在电源的正极则接辅助电极（见图3）。
当合上开关K，接通电路后，直流电源便给被保护金属通以阴极极化电流，使金属表面阴极极化。当外加电流大于腐蚀电流时，则进入金属的电子速度大于金属失去电子的速度。此时金属表面上积累了过剩的电子。金属的电极电位向负方向移动。当金属的电位降到一定的负值时，金属腐蚀电池阴、阳二极的电极电位相等或更负时，被保护金属停止了腐蚀。这就是外加电流阴极保护的原理。其实施电路为保护电流由电源正极流出，经导线至辅助电极散流入电解液，再流到被保护金属上，又通过汇流导线流回电源负极。
第一种情况：外加电流阴极保护系统正常运行时，可以假设辅助阳极正电子在流向保护金属的同时，也有一部分流向靠近的管道，导致距离近的管道金属表面上积累了过剩的电子，金属的电极电位就向更负方向移动。反映出来的现象就是管线电位存在一定的负偏移。
第二种情况：由于管线与自身的阳极地床距离较近，在接通电源后，经过阳极地床的电流漫流范围较窄，同时阳极地床距离站场阴保通电点较近，导致通电点的通电电位较高，将此时的高电位与地床距离管线较远时的通电电位之差假设成阳极地床对自身管线的干扰电位，由于干扰电位影响，同时恒电位仪的恒电位输出原理，导致真正送到管线的电流较小，可假设自然电位-0.5V，恒电位仪上输出电位-1.5V，正常情况下，考虑IR降的影响：-0.5V，送到管道上的电位为-0.5V，管道测得的断电点位应为-1.0 V，但由于地床干扰造成的干扰电位-0.4V，真正送到管道上的电位仅为-0.1V，管道测得的断电点位为-0.6 V，断电电位达不到阴极保护参数的最小保护电位-0.85V（相对饱和Cu／CuSO4参比电极）的技术要求同时当提高恒电位仪输出电位时，地床对管道的干扰也相应增加。在断电后，阳极地床对管道的干扰也相应消失，则管线断电电位很难达到保护要求。
针对性的解决方案
针对阳极地床出现干扰的原因，采取有效的措施，可以有效地提高阴极保护效果，减少腐蚀发生的几率，降低腐蚀的程度。可以采取的措施有：
（1）重新设计阳极地床位置，使阳极地床对管线不会形成干扰。
（2）在综合考虑站区现状和保护需求，环境条件符合的情况下，考虑采用深埋式阳极地床对管道进行保护。
（3）考虑采取一些措施来消除或缓减阳极地床对管道干扰的影响，如提高与阳极地床最近的管段的防腐层等级、在管线受干扰程度较大的区域实施排流、在管道与阳极地床之间埋设隔离桩等。
对以上措施的选择要从投资费用、安全可靠性、用电情况、环境因素等多方面考虑。在对输线阴极保护效果评价过程中，发现阳极地床干扰的情况并不是个别现象，通过对产生干扰的原因做出具体分析，提出具有针对性的解决措施，对以后阴极保护系统的调试、整改具有指导意义，同时可对新建管道提供指导借鉴，对延长管道的使用寿命将起到积极的作用。
来源: 《石油与装备》
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