摘　要：在明確了陰極保護的管道條件前提下，文章簡述了埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護

基本原理，確定了應(yīng)采用的陽極材料；給出了規(guī)范要求和設(shè)計參數(shù)、以及鎂陽極接地電阻的簡化計算公式；明確了不宜使用鋼套管及對水泥套管內(nèi)管道采取的保護措施；給出了陽極地床填包料的組分。

關(guān)鍵詞：犧牲陽極　犧牲陽極陰極保護　犧牲陽極地床

埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極陰極保護在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€上被普遍應(yīng)用應(yīng)該是在原建設(shè)部《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》CJJ95-2003發(fā)布并實施之后。為了適應(yīng)建設(shè)市場要求，燃?xì)忭椖恐械穆竦劁撡|(zhì)管道的腐蝕控制開始由采用防腐層進行外防護轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎梅栏瘜虞o以陰極保護的腐蝕控制系統(tǒng)，開始執(zhí)行CJJ95-2003中的3.0.2款。

陰極保護需要一定的管道條件：其一為電絕緣，即被保護管段應(yīng)與非保護管段和場區(qū)接地系統(tǒng)電絕緣；其二為電連續(xù)性，即被保護管段全線為電導(dǎo)通狀態(tài)；其三為接地要求，即被保護管段的保護和工作接地應(yīng)采用鋅接地極，并不得對管道陰極保護造成不利影響。

正確選擇和計算陽極材料、處理好套管內(nèi)管段的附加保護和陽極地床是設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)。

1 陽極材料的選擇

陰極保護系統(tǒng)分為強制電流系統(tǒng)和犧牲陽極系統(tǒng)。由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐饕植荚诔擎?zhèn)市域范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)地下管線及構(gòu)筑物非常擁擠，所以，在城鎮(zhèn)市域范圍內(nèi)鋼制管線的陰極保護多采用犧牲陽極系統(tǒng)。

《燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊》和《管線腐蝕控制》對金屬的腐蝕原理都有明確的描述。“金屬轉(zhuǎn)化成低能量氧化物的過程稱為腐蝕”。金屬失去電子被氧化而導(dǎo)致金屬損失就是腐蝕，“如在金屬和電解質(zhì)溶液的界面堆積大量的負(fù)電荷，腐蝕過程就會停止”，采用犧牲陽極陰極保護技術(shù)就是利用了這個原理。常見的幾種金屬在電解液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位由小到大的順序（亦即金屬在電解液中失去電子的能力由大到小的順序）依次是：鎂、鋁、鋅、鐵、銅，因此，原理上采用鎂、鋁、鋅任一種材料通過電化學(xué)反應(yīng)對鋼鐵材料的腐蝕都能起到保護作用，事實上也確實如此。“但到目前為止，還沒有證據(jù)表明鋁適合埋設(shè)在土壤中使用”，因此，埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極保護用的陽極材料主要是鎂和鋅。

由于金屬鎂比較活潑，表面不易極化，腐蝕產(chǎn)物容易脫落，電極電位比較負(fù)等優(yōu)異特性，所以，鎂成了理想的陽極材料。但純鎂的電流效率不高，且造價昂貴，所以，鎂合金成為了陽極材料的首選。

2 陽極材料的計算

《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》GB/T21448-2008的頒布和實施，對管道陰極保護的要求就更加具體和明確，特別是附錄A的內(nèi)容使陰極保護設(shè)計的可操作性變得更強。GB/T21448-2008明確了管道陰極保護的最低要求，即管道陰極保護電位應(yīng)為-850mV(CSE)或更負(fù)，極限保護電位不能比-1200mV(CSE)更負(fù)。該規(guī)范沒有提及CJJ95-2003中3.0.2款提及的管徑和壓力的要求。GB/T21448-2008對管道外防護層及其對應(yīng)的保護電流密度的選取沒有論述。隨著科技的進步，目前管道外防護層變得單一，并且多為三層PE。具有三層PE防護層的管道，其保護電流密度的選取主要依據(jù)《石油工業(yè)中的腐蝕與防護》中的相關(guān)數(shù)據(jù)：即三層PE防護層面電阻為100000Ω.m²，相應(yīng)地保護電流密度應(yīng)>10μA/m²。設(shè)計實踐中針對具有三層PE防護層的管道其保護電流密度多取30μA/m²?；谶@些基本準(zhǔn)則的確立，加之設(shè)計時收集到的管線附近的土壤參數(shù)和管線設(shè)計專業(yè)提供的管道設(shè)計施工圖，按照GB/T21448-2008附錄A.2給出的公式就可以進行犧牲陽極系統(tǒng)的相關(guān)計算，并最終確定犧牲陽極數(shù)量。

GB/T21448-2008附錄A.2給出的公式很明確，但使用起來并不方便。為了方便使用這些公式，在參照相關(guān)施工經(jīng)驗、相關(guān)陽極材料廠商的技術(shù)資料及《管線腐蝕控制》中給出的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，公式中諸多參數(shù)都可以進行確定，并針對常用的幾種規(guī)格鎂陽極將A.15&A.16公式進行簡化處理。

見表1、表2。

為使管道得到較好的保護，犧牲陽極數(shù)量確定后，在犧牲陽極保護半徑內(nèi)使之均勻分布就顯得尤為重要。在城鎮(zhèn)市域范圍內(nèi)犧牲陽極（組）間距300m～500m較為合適，市域外地下管線或構(gòu)筑物較少的開闊地區(qū)＜1000m較為合適。

3 套管內(nèi)管段的附加保護措施

在陰極保護設(shè)計工作中，經(jīng)常會遇到管道的局部管段加裝套管，從而需要采取附加措施的情況。GB/T21448-2008中明確指出“不宜使用金屬套管”，但在設(shè)計實踐中遇到使用鋼套管的情況還是時有發(fā)生。金屬套管存在套管與管線短路的可能，從而使套管內(nèi)的管段完全收集不到陰極保護電流，該管段處在自由腐蝕的狀態(tài)；即使套管與管線處在絕緣狀態(tài)，由于電化學(xué)的作用鋼套管的內(nèi)表面也將遭到嚴(yán)重腐蝕。因此，應(yīng)避免使用鋼套管。

設(shè)計過程中遇到的需要采取附加措施最多的情況是用水泥套管做保護的管段，具體措施是在套管內(nèi)的管線段上另外敷設(shè)鎂或鋅材質(zhì)的陽極帶，并依管徑大小以不同角度沿管道外壁纏繞。“當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴?le;219mm時，陽極帶沿管道外壁等距且與管道軸向成30°角纏繞；當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴綖?/span>219～377mm時，沿管道外壁等距且與管道軸向成45°角纏繞；當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴?ge;377mm時，沿管道外壁等距且與管道軸向成60°角纏繞。”除了纏繞陽極帶之外，另外一種附加措施是在套管內(nèi)的管線段上安裝一定數(shù)量的鐲式陽極。

4 犧牲陽極地床

為了讓陽極在土壤中能可靠的工作，并能夠有效防止土壤對陽極的鈍化作用，犧牲陽極地床專門采用具有特定組分的化學(xué)填包料。這種陽極地床能夠起到溶解陽極腐蝕產(chǎn)物、維持陽極周圍持久濕潤、將陽極材料與當(dāng)?shù)赝寥栏綦x的作用，為陽極材料提供一個電阻率在1Ω.m左右穩(wěn)定良好的工作環(huán)境，同時增加陽極輸出電流。鎂合金犧牲陽極在土壤電阻率＞20Ω.m時，其填包料應(yīng)按石膏粉75%、膨潤土20%、工業(yè)硫酸鈉5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行配比。填包料應(yīng)用棉布袋或麻袋進行預(yù)包裝，厚度≥50mm，并保證陽極四周厚度一致、組分均勻、密實。

管道犧牲陽極陰極保護方法除了防腐以外，亦有排除管道雜散電流、管道防雷及防靜電接地等多種功能，加之這種方法簡單易行，對臨近設(shè)施不造成干擾等獨特優(yōu)點，因而該技術(shù)必將在我國經(jīng)濟建設(shè)的更大領(lǐng)域得到推廣和發(fā)展，也必將在產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向得到發(fā)展。

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(本文作者：侯彪 中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津 300074）