阴极保护技术在钢制埋地管道及储罐上的应用

郑 州

天然气公司因为管道腐蚀所造成的安全事件对周围的环境带来极大的污染，同时给天然气公司带来极大的经济损失。要防止或者降低管道输送过程中发生安全事故，有效解决地下管道与储罐的应用安全性问题，利用阴极保护技术对其进行防腐蚀保护要重要的价值和意义。阴极保护技术是一种长效性的防腐蚀方法，利用金属在电解质环境中发生的电位负移来达到防腐蚀的目的，在技术的应用过程中也要很多的注意事项。作者秉承讨论的态度，对阴极保护技术的相关技术性问题展开研究，对技术的应用实践进行探索，致力于更好地利用阴极保护技术在埋的管道与储罐中的应用，为管道运输提供帮助。

1 阴极保护技术在钢制埋地管道与储罐防腐蚀原理

腐蚀是指所保护的金属与周围的环境发生物理及化学反应的腐坏变质现象，据不完全统计，某大型石油公司每年因为腐蚀所产生的经济损失高度三百亿元，还出现了由于腐蚀所产生的石油泄漏事件，其损失的经济价值与环境破坏程度非常的严重。由于石油管道与储存罐都是采用活性较强的金属制成，而阴极保护技术的应用就发挥了非常好的作用。阴极保护法是牺牲阳极的一种金属防腐蚀保护法，是通过一种防止金属离子电解质中腐蚀的电化学保护技术，其运用的技术性原理是对被保护的金属表面施加一定量的直流电流，让其产生出阴极的极化，当金属的电位负于某一设定的电位值时，其腐蚀的阳极溶解的过程就得到了有效的抑制。利用不断的阴极极化对金属表面的化学不均衡性进行消除，从而达到对金属的腐蚀性得到缓解的作用。阴极保护技术发展有很长的时间了，其应用的范围也非常的宽泛，对石油地下钢制管道与储罐的技术应用中产生了较高的经济价值。当管道或者储罐的防腐蚀层出现了小缺陷的情况下，阴极保护的电流就会发挥其作用，其所需要的电流与防腐层的缺陷程度成正比，其金属防腐层出现的缺陷越大所需要的保护电流也越大。当其腐蚀的破坏缺陷达到一定的程度，破损点的局部保护性电流就很难达到所需的标准，阴极保护系统就难当重任，其缺陷的管道位置就会发生腐蚀的现象。因此，阴极保护技术的应用中，要对金属构造物的安全性提供保障，必须通过参比电极对金属保护电位进行测量，要达到所需求的保护电位，可通过改变保护电流的密度来完成，可以说保护电流密度与保护电位是阴极保护应用的两大重要参数。要有效地降低地下管道与储罐金属的腐蚀性，提升其使用年限，必须做好定期的监测性工作。

2 阴极保护方法的种类

2.1 牺牲阳极法

牺牲阳极的保护法又称为牺牲阴极的阳极保护法，是一种防止金属腐蚀的最好方法，其将还原性较强的金属当成了其原有的保护极，与被保护的金属进行关联，其还原性较强的金属作为电流循环的负极在自然环境中发生氧化反应而产生消耗，就会对被保护金属的正极的活性进行降低，从而对被保护金属获得避免腐蚀的作用。其发生电流循环的过程中，有稳定的负稳定电位，被保护金属的腐蚀发生率得到了有效的降低，其电流的效率稳定且比较高，在单位重量中所产生的电流量较大，以此来降低金属的腐蚀性产物对环境带来的污染。其主要的优点就是不需要外部电源，牺牲阳极的保护法应用到地下管道中，通常能提供均匀的电流分配，很容易安装却也不需要过多的维护。也有一定的缺点，其驱动性的电流电压较低，而在劣质的涂层结构中需要较多的阳极，在高电阻的土壤中的效果不佳。由于电流效率较低，每安培电流非相比外加电流阴极保护来说，其替换阳极的费用比较昂贵且困难。

2.2 强制外加电流法

强制外加电流法是通过对所保护的金属增加直流电电源与辅助的阳极，增加电源与辅助阳极的最终目的是为了使阴极极化，人为地将阴极的电流外加到管道和储罐上，从而实现阴极极化与降低金属活性的目的，达到有效缓解金属腐蚀的最终目标。其辅助阳极的建设必须要满足导电性好、本质耐腐蚀、机械强度高、放电的容量大、加工方便、材料加工较低的要求。而如今所选用材料通常有石墨、钢、铝、高硅铸铁、铂等一些氧化物作为辅助阳极材料。强制外加电流法适用于高土壤电流率当中的金属结构，在地下管道与储存罐的应用中有比较好的优势。

2.3 排流保护法

排流保护法与上面两种方法有很大的区别，其不是利用阴极极化的方式来进行阴极保护，而是采用一些对杂散电流环境中之中的杂散电流进行消除或者是减少，从而达到对阴极进行保护的效果。将其归纳为以下的三种方式：①由于杂散电流会对单位的稳定性带来不良的影响，要解决这样的问题，可采用干扰源与电缆和保护器相连的方式，以此方法来抑制电流的增加，所要进行注意的是操作的过重中一定要谨慎地操作，防止错误性的操作；②由于杂散电流对单位的干扰通常都在正负极之间进行交替，因此利用二极管对电位的极性进行保护也是最好的方式，二极管其本身独特性能保持杂散电流与干扰源之间的平衡：③当没有杂散干扰源出现的情况下，其保护器与其它的设备不产生杂散电流时，应当利用整流器对电流提供保护，在杂散电流产生时，可将漏极电流当作保护，而稳压器是进行强制放电的主要设备。

3 阴极保护技术在钢制埋地管道中应用策略

要对钢制埋地管道做到最好的防腐蚀效果，可供多种方案进行应用选择，通过应用实践证明，阴极保护技术与覆盖层的联合防腐性措施的应用效果较好，在实际的应用中会产生很大的经济性价值，行业内的普遍性认可，这样的联合性措施被广泛的应用到我国的各个行业中，而油田的油品输送管道也广泛的采用。据相关的资料显示，我国有约30000 公里的管道采用了阴极保护技术。不同的阴极保护法使用在不同的环境中，而牺牲阳极法在管道的防腐工程中应用比较普遍。通过实践证明，牺牲阳极的阴极保护技术对钢制埋地管道在应用中可有效的减少与防止电腐蚀的发送，进行阴极保护技术应用之前，要对管道预埋位置的土壤进行实地的测试，针对性的制定出与当地环境相适应的最合理的防腐蚀方案。

3.1 适用环境要求

牺牲阳极法只适用于水、沼泽与土壤中，这样的环境中的电阻率的小直径管道，或者是距离短、防腐层质量较高的大直径管道中。

3.2 安装技术要求

将牺牲阳极安装在与管道外壁的3m ～5m 远的距离之间，阳极的顶部与地面的距离应当控制在1m 开外，还要将其埋在冻土层的里面。如果安装环境的土壤比较干燥的情况下，还要充分的结合土壤的外部环境，将阳极埋到更深的地方。如果安装在河流的底部，应当注意对河床的淤泥进行清除，要考虑到河床中阳极会遭受到损坏与洪水冲走的危险。也要直接的避免将土壤直接地埋在土壤之中，要尽量地减少土壤环境与阳极的直接性接触，从而对阳极的消耗均匀性产生不良的影响。

3.3 电缆的筛选与施工的要点

通常保护性电缆都使用铜芯电缆，对牺牲阳极的电导线横截面必须要大于4mm2，如果采用多股连线的情况下也要对导线的横截面注意，单根导线的横截面积必须大于2.5mm2。在电缆的选用上与要严格的遵照相关的技术性标准，并将其埋入冻土层的垂直距离大于0.5m 的深处，另外还要合理的控制管道与电缆部位焊接的缝隙，其缝隙必须要大于200mm，且离弯头部位要保持一定的距离，进行电缆的焊接时要关注其横截面的面积，如果出现电缆横截面积较大的情况，要将电缆均匀的分成几股来进行焊接，当电缆横截面焊接部位形成无缝对接之后，还应当在焊点处的外部缠上热收缩的胶带，通常将缠绕的热收缩胶带控制在250mm 宽度为宜，其外缠胶带的搭接长度也应当控制不小于100mm 的范围内，利用胶带对焊点部位进行二重的保护。

3.4 绝缘装置的施工要点

绝缘装置在阴极保护的电路装置中有非常重要的作用，绝缘接头与绝缘管是最重要的组成部分，在一些较为特殊的环境中还会用到绝缘支架。在管道中可能还存在很多的风险区域，危险区域有发生爆炸的可能性，此时就采用绝缘支架来进行防火花的间隙桥接，以此方式来降低爆炸的发生概率，有效防止管道爆炸的危险性因素。对于绝缘装置一定要进行定期的监测，并利用对应的保护性措施，对绝缘装置的外在干扰因素进行排除；在套管与管道的端口处还要利用绝缘装置来对其它的管道事故发生进行预防，绝缘接口的合理利用可提升管道的密封性，管道的密封性好能有效的减少管道外的土壤中水分对管道渗漏，对渗水的现象进行有效地避免。

3.5 管道测试装置的安装与设置

由于管道测试装置是方法与措施的检验性过程，管道的测试结果直接对管道的防腐蚀措施效果产生直接的影响，在进行管道测试装置的安装与设置上有许多专业性的要求。进行安装的过程中，要充分的考虑管道的地理环境，对管道与测试装置的距离控制在安全的范围内。为了达到管道防腐蚀的最好效果，通常将两个相邻的管道测试装置的距离控制在1m～3m的范围内。相对来说，市区与工业区的管道环境相对较好，也要控制在1 公里的范围中。在环境复杂，杂散电流较多的干扰性区域中，要根据实际的需求对相邻的测试装置位置进行缩短。在并行的不同沟槽中铺设多条相对平行的管道，对每条管道都应当安装一个与管道单独配对的测试装置，且确保每个测试装置都有两条电缆与管道直接关联。阴极保护系统与管道测试装置应当同时进行安装，并确保相互的性能适应。将测试桩安装在距离管中心线1.5m 的位置，利用铝热焊焊接的工艺将测试桩身固定到管道上。

4 阴极保护技术在储罐中的应用策略

从现阶段来看，新闻报道的储罐因为腐蚀因素发生的安全事件较多，要对储罐的安全问题进行有效的解决，对储罐的防腐蚀性能力进行提升。首先要对储罐的防腐蚀措施作出统一的行业性标准，只有在科学合理的规范性标准的制定，才能客观的评价储罐的防腐蚀措施的优劣性，减少阴极保护措施应用在各个行业中的摸索时间。阴极保护技术应用至今已经有一百多年的历史了，诸多的研究证明其确实是行之有效的方法，要进行实际的应用，必须对储罐的安装环境进行实际的调查与测试，并结合储罐本身所用材质的防腐蚀性特点，制定出最佳的防腐蚀性方案。通常储罐的内部整体都要进行涂层防防腐蚀，另外对于储罐的内地版位置部位要进行涂层防腐蚀之外，还要使用牺牲阳极的阴极保护方法进行防腐蚀。因为储油罐的底部经常还存在一定量的盐水，盐水中的氯离子要很强的渗透性，从而导致了储罐的底板遭到腐蚀的问题较为严重，同时盐水也是一种电解液，阴极保护措施也要电解液的环境下才能真正地发挥出其防腐蚀的作用。因此，在储油罐的底部利用阴极保护措施是最好的选择。阴极保护的方法不仅适合原油储罐，对于其它类型的储罐或者是底部有沉淀水层的情况同样适用。

4.1 适用环境要求

地下储罐的环境都比较的复杂，通常还遭受雨水与沙子或者是土壤中的水、地下水、还原菌、硫酸盐、溶解氧与可溶性离子的侵蚀，对地下储罐外涂层中缺陷部位的防腐性钢材的安全性带来威胁。由于储罐与管道所使用的原材料质地不同，进行电气连接时存在电气腐蚀因素，同时埋地管道与储罐的保护面积较小，其周围土壤环境的电阻率有明显程度的上升性趋势，特别是土壤中出现细沙或者碎石其电阻率会更加的显著增高。在充分的考虑其应用经济性来说，其储罐的材质通常都选用镁合金并将其作为牺牲阳极的原材料，故其管道的排水应当应用增加锌阳极的方式。

4.2 系统设计与参数计算

要确保阴极保护措施的有效性，应当对储罐阴极保护面积进行精确的计算，结合罐内涉水面积与罐外土壤成分和面积，通过计算的数据参考制作出最为合理的科学性保护方案，参考相关的标准从而确定出保护性电流的密度，同时计算阴极保护实际所需求的总电流，并计算出合理的保护时间；通过对每块阳极重量来计算出实际需求的总重量，从而确定出阳极的总体数量。通过参数计算与整体的系统设计，对阴极保护技术的实际应用性措施的有效性进行合理的设置。

4.3 远程控制系统

储罐的防腐蚀性保护也要应用现代的信息技术，通过远程控制的方式既减少了问题故障中人工消耗，还对储罐的安全性因素得到了大幅度的提升。其远程控制装置通常由远程通信系统、电源控制接口、前端的微机监控系统、阴极保护数控电源与远程控制中心等不同的功能部分组成，在储罐发生故障或者是系统出现问题的情况下，会收到自动的系统预警从而精确的解决问题。

4.4 储罐的防腐施工的技术要点

不仅要对储罐进行基本的防腐性操作，首先要对储罐的内外进行清理，清洗完成后还要将储罐内外的水风干，干透后对其做表面的防锈处理，在缺陷明显时还要对其进行修复性的处理；然后对储罐的罐底与壁板进行仔细的检查，确保罐底与板壁之间的间隙控制在涂装施工要求的标准范围内，随后将牺牲阳极的板块直接焊接在罐体上，其焊接的过程也要确保技术操作的规范性，待焊疤冷却之后将外层的焊接保护层去掉，清理完焊接点作业垃圾；最后进行防锈油漆施工，根据罐体的施工标准来看，罐体的内底板与壁板要使用专业的绝缘性槽漆，而罐体的其它部位使用导静电漆即可。由于埋地钢制储罐极为容易发生腐蚀甚至穿孔，应当进行重视，通过储罐安装位置的环境特点与相关的参数计算，采用科学有效的预防性措施才能确保安全。

5 阴极保护技术发展的未来趋势

阴极保护技术在钢制埋地管道及储罐上的应用中有其本身的优势，对于其未来的发展趋势，作者研究国内外的相关性技术资料，并结合实践的作业经验，归纳为以下几个方向。

5.1 提升阴极保护的测量研究技术

测量技术的发展从一定程度上制约了阴极保护技术的发展，对阴极保护技术的设计与管理方面都带来了不小的影响。测量技术的质量提升旨在提供精确性更高的测量数据，为阴极保护技术提供技术参考的数据型性支持，从而实现更为科学合理的方案设计。社会经济法飞速发展，对生态环境不断重视的环境下，测量技术已经体现出前所未有的技术性水平，但是阴极保护技术方面的融合度还有很大的发展空间。阴极保护要将测量技术的研究与技术融合为重要的发展方向，为阴极保护技术的应用措施的优劣性奠定基础。

5.2 高效应用现代信息技术

远程技术在储罐防腐工作中的应用是阴极保护技术中现代信息技术的初探，而如今的现代信息技术得到了飞速的发展，应用到各个行业中都体现出了不可替代的优势。在阴极保护技术的发展方面，现代信息技术的融合性应用也是发展的最好方向。由于阴极保护技术在制埋地管道及储罐的应用中有其技术的特殊性，要将其进行技术的应用性融合应当还有很长的路要走。在控制系统的软件设计方面都亟待提升，要设计出完全符合阴极保护设计的专业性软件，需要阴极保护技术人才与软件设计人才的技术性培养，共同研发才能促进融合的未来。

5.3 做好阴极保护监测工作

监测工作在阴极保护技术的应用中有非常重要的作用，通过监测工作可及时地了解和掌握腐蚀的过程与状况，实现对管线的腐蚀参数设置与腐蚀速度的测量与监控，通过金属的腐蚀参数分析出腐蚀结果，对产生腐蚀的结果与腐蚀的相关因素进行分析。并通过技术管理与企业的决策层及时知晓腐蚀的情况，全面统一有计划、有目的展开防腐蚀工作，实现企业降低成本提升效率的目标。通过减缓与防止防腐蚀对管道与储罐带来的危害，在不断地实践工作中提升防腐蚀工作的技术管理水平，保障管线的正常应用带来更大的价值。

腐蚀监测的重要性体现在它能对管线的腐蚀因素得到及时的了解，并针对性的制定出防腐蚀的有效性措施的基础，同时也是评价和监督防腐措施的有效性的最好手段与方法。阴极保护监测技术是由实验室腐蚀实验方法与无损设备的监测技术融合发展而来的，监测设备不仅要监测管道的被腐蚀性状况，还要腐蚀环境的变化与介质的腐蚀问题进行监测，从而达到更好的防腐蚀监测效果。

6 结语

综上所述，现阶段中阴极保护技术工程的应用有非常广阔的市场前景，但技术的应用过程还在持续的进行发展。在地下管道与储罐的防腐蚀措施应用中，还应该保持对行业的前瞻性探索目光，对防腐蚀性措施技术不断的创新为前提，对阴极保护技术创建严格的标准性体系，从而最大程度的降低管道应用中发生事故的概率。