牺牲阳极保护技术在供热管线防腐工程中的应用2012/03/14

众所周知，金属腐蚀问题遍及国民经济的各个领域，从日常生活到工农业生产，从尖端科技到国防工业的发展，凡是使用金属材料的地方都存在不同程度的腐蚀问题。它给人们带来巨大的经济损失，造成灾难性的事故，阻碍了科学技术的发展，危害极大。由此可见，金属的腐蚀防护具有重大的现实意义和经济意义。金属在中性的水或土壤中的腐蚀基本属于电化学腐蚀，阴极保护是防止电化学腐蚀最有效的方法。世界上采用阴极保护已经有几十年的历史了，其优异的防腐效果已经得到了充分的认证。
一、阴极保护技术
阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法两种：
      1、牺牲阳极保护方式
牺牲阳极的原理就是利用腐蚀原电池的原理，腐蚀原电池的形成是由于电位差引起的。通常规定电位低的电极称为阳极，相反电位高的电极称为阴极。腐蚀原电池的阳极电位低放出电子M—ne→Mn+，所以，阳极被腐蚀，阴极不发生腐蚀。利用这个原理，只要在被保护金属上加牺牲阳极，使被保护的金属成为阴极，从而得到保护。
这种方式的优点是：施工简单费用低，安装后不需要专门的管理工人，维护费用低，可使用在无外部电源场合和可移动的对象，对其它管道杂电干扰小，可更为有效地利用保护电流。
缺点：外加电位有限，输出电流较低，土壤电阻率有限制。
      2、外加电流方式
这种方式是将直流电源的负极与被保护体连接，把正极与阳极体（不溶阳极）外部电源连接，通过埋地的辅助阳极，将保护电流引入地下，通过电解质（土壤）向被保护体流通电流，被保护金属在电解质中为阴极，其表面只发生还原反应，不发生金属离子化的氧化反应。
这种方式的优点是：外加电位高，输出电流大，几乎适用于任何土壤环境，可灵活控制输出电位和电流，可用于没有涂层或劣质涂层的金属构筑物，可保护重要的大型地下结构，管理、检查、维护和操作较为方便，防腐效果容易测定，运行成本低廉。
缺点：安装费用高，需要一定的运行及维护费用，可能会对外界管道产生杂散电流干扰。
由于城市地下金属设施星罗棋布，纵横交错，地下埋有自来水管道、供暖管道、煤气管道、输油管道等设施。且土壤中杂散电流很强，因此城市中地下金属设施的阴极保护大都采用牺牲阳极保护法。这是因为，牺牲阳极具有可分段施工、灵活方便、管理简单，对邻近设施无干扰腐蚀，并可起到防雷、防蚀作用，对杂散电流干扰腐蚀能起到接地排流作用。
一项工程施加牺牲阳极保护能否取得最佳保护效果，主要取决于牺牲阳极保护技术设计。
二、埋地管线牺牲阳极保护设计
设计前的调查工作对牺牲阳极保护的设计是不可缺少的一个环节，因为不同的土壤腐蚀差别很大，如钢铁在强腐蚀土壤中腐蚀速度平均为1mm/a，而在弱腐蚀性土壤中仅为0.05 mm/a。而影响土壤腐蚀的因素又很多，如全部掌握工作量太大。目前，工作中常用测量土壤电阻率来判定土壤腐蚀性的级别。土壤电阻率是综合性的指标，且与阳极的输出电流及选用何种阳极材料都有直接的关系。表1列出了土壤电阻率与腐蚀性的关系。
为此，应沿管道走向定点测量土壤电阻率，平均1公里左右一个测试点，同时还了解管道沿线有无杂散电流源等情况。
      1、保护电流密度
阴极保护电流密度的大小是影响金属阴极保护效果的最重要的参数，它与最小保护电位相对应。为使金属达到完全保护，必须正确的选取阴极保护电流密度，如果选取的电流密度偏低，金属达不到完全保护；反之，将会造成不必要的经济损失。
阴极保护电流密度的大小与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面涂层的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等。这些因素的差异可以使阴极保护电流密度有几十个μA/m2变化到几十个mA/m2。表2列出了钢铁在某些条件下的保护电流密度。
      2、牺牲阳极材料的选择
目前，我国用作牺牲阳极保护的有锌合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极和镁合金牺牲阳极，在埋地管线牺牲阳极保护工程中通常不用铝合金牺牲阳极。
①锌合金牺牲阳极
六十年代以前，用的锌阳极为纯锌牺牲阳极，因铁含量偏高，在使用过程中易产生钝化而失效。现在广泛应用于工程中的锌合金阳极是锌—铝—镉三元锌阳极。三元锌阳极的成分和性能分别列于表3和表4中。
锌合金阳极的特点是：电流效率高，表面溶解均匀，腐蚀产物疏松，易脱落，并且在保护钢结构时有自动调节电流和电位的作用，但驱动电位较低，所以当土壤电阻率小于15Ωm时锌阳极可用于地下管道的保护。
②镁合金牺牲阳极
我国应用的镁合金阳极主要是镁—铝—锰—锌合金，其化学成分和电化学性能列于表5和表6中。
镁阳极的特点是，电流效率低，电位相当负，对钢的驱动电压相当大，适宜在电阻率较高的介质中使用，土壤中钢设施的保护大都采用镁合金牺牲阳极。
      3、牺牲阳极用量的计算
当材料选定后，能否使被保护体达到最佳保护状态，关键在于阳极用量的计算。
所谓牺牲阳极用量计算，主要是指为了满足被保护体得到足够的保护电流需用量和有效保护年限而计算每块阳极尺寸、形状、重量以及每项工程所用的阳极块数和总重量等。具体计算如下：
①设计参数选取
保护电流密度i=0.5mA/m2土壤电阻率小于30Ω·m地段
      i=0.3mA/m2 土壤电阻率大于30Ω·m地段
②阳极发射电流计算
      Ia=ΔE/R
      式中Ia：阳极发射电流（A）
      ΔE：牺牲阳极的驱动电压（V）
      R：牺牲阳极与钢管之间电流回路总电阻（Ω），近似等于阳极的接地电阻Ra，可按下式计算：
      Ra=1/2πL{ρln2L/da［1+L/4t/ln2L/da］+ρalnda/d}
      式中L：阳极长度（cm）
      ρ：土壤电阻率（Ω·cm）
      da：阳极包直径（cm）
      t：阳极中心距地面的距离（cm）
      d：阳极的直径（cm）
      ρa：填料包的电阻率（Ω·cm），取50Ω·cm
      ③阳极数量计算：
      n=a×I/Ia
      式中n：阳极数量（只）
      a：遮蔽系数
      I：需要的保护电流（mA）
      Ia：每只阳极的放射电流（mA）
④阳极寿命计算：
      T=0.85W/g×Ia′
      式中T：阳极使用寿命（a）
      W：阳极重量（kg）
      g：阳极消耗率（kg/A·a）
      Ia′：阳极的实际发射电流（mA）
      0.85：阳极利用系数
三、牺牲阳极的布置与施工
      1、牺牲阳极的布置
阳极布置原则上在沿线均匀布置，但也可以根据实际情况采用不等距布置。埋设的位置可视现场情况而定，一般在管道一侧，也可以在管道两侧。阳极埋设点最好应选择在地势低洼潮湿、土层厚、易施工的地方。每个埋设点为一组，一组可由2—4支阳极组成。
      2、牺牲阳极的施工
①阳极床填包料
为了保证牺牲阳极输出电流稳定，提高阳极效率，降低阳极接地电阻，阻止阳极表面钝化层的形成，阳极周围一定要填加阳极床填包料。表7列出了牺牲阳极填包料的组成及适用条件。
      4kg级镁阳极以及10kg级以下的锌阳极，每支阳极用填充料为30kg，其他级别的镁阳极和锌阳极用填充料均为50kg，并保证土壤回填密实。
②阳极埋设深度一般与被保护管道埋设深度相当，寒冷地区应埋设在土壤冻土层以下。
③阳极与管道间的距离一般选择在1.5—3米的范围内。
④同组阳极相互间距至少2m，以减少“屏蔽”作用，避免过多地降低阳极的电流输出量。
⑤牺牲阳极钢芯和电缆焊接处要加环氧树脂或环氧煤沥青防腐绝缘。
另外，牺牲阳极埋设前的组装即阳极导线的连接，阳极表面的处理等也必须按照要求施工。施工质量的控制按《镁合金牺牲阳极应用技术标准》SYJ19—86执行。
四、阴极保护技术在供热管线中的应用
      1、公司概况（长春市热力集团）
我公司现供热面积3100万m2，共有锅炉房15座，锅炉47台，总计1575吨，换热站238座，循环水泵790台，网总长度约为520公里，负责长春市994个企事业单位、机关团体及15万户居民的供热任务。
      2、阴极保护的应用
我公司部分管网由于使用年限较长，故腐蚀较为严重，公司一期主管网于1990年投产运行，现已运行16年，部分管网腐蚀很严重，存在安全隐患，必需更换，公司投入了大量资金在管网复置上。更换的管网又面临着腐蚀的威胁，再过16个运行期，管网又必须更换了。这样周而复始地进入了一个恶性循环，如何从根本上解决腐蚀给管网带来的危害呢？阴极保护是防止管网腐蚀最经济和有效的方法。
我公司在一段长度为150米外径1120mm的过河管线上应用阴极保护的牺牲阳极来进行管网防护。经过计算，确定阳极尺寸为镁合金阳极：（130+150）×125×700mm，净重22kg，数量为12个，寿命30年。如图所示。
目前为止，牺牲阳极工作正常，管道使用寿命大大增加，从长远角度看，势必为公司节约大量管网复置费用。
五、结束语
近几年来阴极保护得到了迅速发展和广泛应用，特别是在地下金属管线保护方面有长足的发展。它具有简单、施工方便、保护时间长等特点，是一项投资少、效果好、经济效益显著的应用技术。