酸濕土壤中燃?xì)夤艿狸枠O保護(hù)的研究與實現(xiàn)

摘 要

摘要：闡述了陽極保護(hù)的原理，分析了某實際工程埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖耐寥拉h(huán)境和管道防腐現(xiàn)狀：土壤環(huán)境呈酸性，含水率高，電阻率小，管地電位正向偏移，管段實施了犧牲陽極陰極保護(hù)和強制電
摘要：闡述了陽極保護(hù)的原理，分析了某實際工程埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖耐寥拉h(huán)境和管道防腐現(xiàn)狀：土壤環(huán)境呈酸性，含水率高，電阻率小，管地電位正向偏移，管段實施了犧牲陽極陰極保護(hù)和強制電流陰極保護(hù)，保護(hù)效果不佳，管道腐蝕速率過快。提出了酸濕土壤埋地燃?xì)夤艿狸枠O保護(hù)工藝設(shè)計和實施方案。
關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)管道；陽極保護(hù)；酸濕土壤；防腐系統(tǒng)
Research and Implementation of Anodic Protection of Gas Pipeline in Acid and Wet Soil
LI Longjiang，TAO Wenliang
Abstract：The principle of anodic protection is expounded.The soil environment and anticorrosion status for buried steel gas pipeline in a practical project are analyzed.The soil environment is acidic with high moisture content，low resistivity and positive deviation of pipe to soil potential.The sacriftcial anode cathodic protection and impressed current cathodic protection are used on the pipeline，but the effect is poor，and the pipeline corrosion rate is too rapid.The design and implementation scheme of anodic protection of buried gas pipeline in acid and wet soil is proposed.
Key words：buried steel pipeline；anodic protection；acid and wet soil；anticorrosion system
1 陽極保護(hù)原理
    陽極保護(hù)是指通過對處于酸性介質(zhì)中的鋼質(zhì)材料通以適當(dāng)?shù)年枠O電流使金屬表面陽極極化，使其表面形成致密的、有良好耐腐蝕性的鈍化膜，進(jìn)入鈍化狀態(tài)，從而防止金屬表面腐蝕的防腐技術(shù)，屬于電化學(xué)保護(hù)的范疇[1]。20世紀(jì)50年代初就有人首先提出了利用鈍化理論來保護(hù)在強腐蝕酸性介質(zhì)中使用的金屬的可能性[2]，到20世紀(jì)60年代逐漸形成了陽極保護(hù)這門新的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。陽極保護(hù)技術(shù)能降低金屬的腐蝕速率，其最大的優(yōu)點在于能對強腐蝕酸性介質(zhì)中的金屬進(jìn)行有效的保護(hù)，且僅需要很小的外加電流。陽極保護(hù)適用于酸類、鹽類等強腐蝕環(huán)境下金屬的腐蝕防護(hù)，和陰極保護(hù)相比較，陽極保護(hù)只適用于通電后能活化及能鈍化的金屬，腐蝕介質(zhì)可以從弱腐蝕性到強腐蝕性，安裝費用比較高，但是操作費用很低，電流沿管道的分散能力很強，且能實現(xiàn)均勻分布。金屬進(jìn)入鈍態(tài)后，對應(yīng)于鈍化穩(wěn)定區(qū)電位的電流密度，在某種意義上代表著陽極保護(hù)時鈍態(tài)金屬的腐蝕速率。陰極保護(hù)的操作條件通常由實際試驗確定，而陽極保護(hù)的操作參數(shù)可由電化學(xué)測試精確而迅速地確定。
    向浸在電解質(zhì)溶液中的金屬(電極)施加直流電流，金屬的電極電位會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱作極化[3]。所通電流為正電流(金屬為陽極)，金屬的電位向正方向變化，這種過程叫做陽極極化。反之，通過的電流為負(fù)電流(金屬為陰極)，金屬的電位向負(fù)方向變化，則稱作陰極極化。電位與對應(yīng)電流密度之間的關(guān)系曲線叫做極化曲線。具有鈍化性傾向的金屬在進(jìn)行陽極極化時，如果電流達(dá)到足夠的值，在金屬表面上能夠生成一層具有耐腐蝕性能的鈍化膜而使電流減小，金屬呈鈍化狀態(tài)。繼續(xù)通以較小的電流，金屬表面就可以維持這種鈍化狀態(tài)，從而減緩金屬的腐蝕，這就是陽極保護(hù)的基本原理。
圖1為典型的鈍性金屬鈍化過程的陽極極化曲線。圖1中，橫坐標(biāo)表示陽極極化電位φ(單位為mV)，縱坐標(biāo)表示電流密度1，(單位為A/m2)，AB段金屬發(fā)生活性溶解，稱為活化區(qū)，在A點，金屬為自然腐蝕狀態(tài)，在靠近曰點附近，電極極化過程受到阻礙，可能產(chǎn)生氧化物的薄膜；在BC段，保護(hù)膜的生長速度已超過化學(xué)溶解速度，形成保護(hù)膜，這一區(qū)稱為鈍化過渡區(qū)，到C點時，整個表面已被吸附氧化膜所覆蓋；在CD段，陽極電流與電位往往沒有關(guān)系，這一區(qū)為穩(wěn)定狀態(tài)，稱為穩(wěn)定鈍化區(qū)。隨著電位的升高，膜中氧的含量增加，膜隨之變厚；在DE段，D點的電位相當(dāng)于氧的陽極析出電位，氧化膜被氧化成可溶性的高價氧化物，金屬又開始溶解，這一區(qū)域稱為過鈍化區(qū)。
 

    陽極保護(hù)的基本參數(shù)有3個，分別為致鈍電流密度(Jc)、維鈍電流密度(Jp)和穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍[φp1，φp2]。致鈍電流密度是指金屬在給定條件下發(fā)生鈍化所需要的最小電流密度，致鈍電流密度越小，陽極保護(hù)就越經(jīng)濟(jì)。維鈍電流密度是使金屬在給定環(huán)境條件下維持鈍態(tài)所需的電流密度，維鈍電流密度的大小決定了陽極保護(hù)時所耗用的電流的量，同時也反映了金屬在陽極保護(hù)時的腐蝕速率的大小。在工程實際中，腐蝕速率常用式(1)近似計算。
 
式中v——金屬的腐蝕速率，g/(m2·h)
    Jp——維鈍電流密度，A/m2
    Mj——金屬的摩爾質(zhì)量，g/mol
    F——法拉第常數(shù)，C/mol，取96500C/mol
    n——金屬的化合價
    Md——鈍化膜的摩爾質(zhì)量，g/mol，其值等于金屬的摩爾質(zhì)量除以該金屬的化合價。
    維鈍電流密度越小，被保護(hù)對象的腐蝕速率越小，保護(hù)效果越明顯，正常的耗電量也越小。陽極極化曲線CD段對應(yīng)穩(wěn)定鈍化區(qū)的電位范圍為φp1～φp2，為便于控制，電位范圍應(yīng)不小于50mV。陽極保護(hù)的3個基本參數(shù)，可在一定溫度范圍內(nèi)，在實驗室用恒電位法[4]通過實測金屬在腐蝕介質(zhì)中的陽極極化曲線獲得。
    致鈍電流和維鈍電流可用式(2)、(3)計算。
    Ic=JcA    (2)
    Ip=JpA    (3)
式中Ic——致鈍電流，A
    Jc——致鈍電流密度，A/m2
    A——金屬和腐蝕介質(zhì)的接觸面積，m2
    Ip——維鈍電流，A
2 陽極保護(hù)管道環(huán)境分析
    貴陽市埋地燃?xì)夤艿滥扯?.5km范圍，管道規(guī)格為DN 400mm，管道材質(zhì)為Q235A鋼，管道敷設(shè)環(huán)境都是稻田，管道穿越稻田并大部分浸于酸性泥漿中，管道埋設(shè)于土壤的時間長達(dá)18年。對此段管道進(jìn)行風(fēng)險評估[5]，評估結(jié)果為：風(fēng)險高，達(dá)到了Ⅳ級風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)。該管段實施了外防腐層保護(hù)、犧牲陽極陰極保護(hù)、建立陰極保護(hù)站實施強制電流陰極保護(hù)等聯(lián)合保護(hù)，但保護(hù)效果不佳，管道腐蝕速率過快，穿孔漏氣現(xiàn)象時有發(fā)生。為了解管道腐蝕過快的原因，對該段管道進(jìn)行了材料化學(xué)成分分析[6]，管道材料化學(xué)組成見表1。對埋設(shè)區(qū)段進(jìn)行了土壤理化分析測試，表2為管道埋設(shè)環(huán)境土壤理化性質(zhì)。從表2可以看出，土壤呈酸性，電阻率低，含水量偏高，氧化還原電位偏高，并含有一定量的有機質(zhì)。
表1 管道材料化學(xué)組成
元素
Mn
C
P
S
Si
Fe
質(zhì)量分?jǐn)?shù)
0.420
0.300
0.019
0.029
0.01O
0.222
表2 管道埋設(shè)環(huán)境土壤理化性質(zhì)
土壤電阻率/(n·m)
13～31
氧化還原電位/mV
500～550
pH值
5.5～7.1
含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
49.5～60.4
有機質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.73～2.25
總鹽含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.03～0.05
全硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
0.03～0.13
氯離子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
25～117
碳酸根含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
134～220
硫酸根含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/10-6
10～60
    為了進(jìn)一步分析土壤的腐蝕性，對管段的5個凝水缸位置進(jìn)行長達(dá)1年的管地電位跟蹤測試，每天測試1個數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表3。從表3可以看出，5個測試點的管地電位都比[-1350mV，-850mV]區(qū)間偏正，5個測試點都處于電流干擾腐蝕狀態(tài)中。傳統(tǒng)的防腐保護(hù)方法保護(hù)不到位，形成欠保護(hù)，應(yīng)該采取其他措施對其進(jìn)行保護(hù)，以防止發(fā)生腐蝕穿孔，造成不必要的損失。通過實驗論證和技術(shù)攻關(guān)，鑒于該段管段土壤呈酸性，且含水率大，決定對該管段實施陽極保護(hù)。
表3 燃?xì)夤艿拦艿仉娢?/span>    mV
測試點
最高值
最低值
平均值
凝水缸測試點1
-435
-532
-483
凝水缸測試點2
-531
-621
-576
凝水缸測試點3
-206
-219
-214
凝水缸測試點4
-143
-256
-211
凝水缸測試點5
-512
-621
-585
3 酸濕土壤管道陽極保護(hù)工藝設(shè)計
    酸濕土壤埋地燃?xì)夤艿狸枠O保護(hù)工作原理就是把與酸濕土壤接觸的管道全部表面作為陽極，另外設(shè)置數(shù)根陰極，通過酸濕土壤介質(zhì)形成電流回路。通過主控系統(tǒng)(埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng))[7～8]向陽極保護(hù)管道施加一定的陽極電流，使其產(chǎn)生陽極極化，通過致鈍電位，進(jìn)入穩(wěn)定鈍化區(qū)并維持其電位在這個區(qū)域，依靠在鈍化區(qū)形成的鈍化膜減緩管道在酸濕土壤中的腐蝕。在實施陽極保護(hù)前，需要測定管道的致鈍電流密度、維鈍電流密度、穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍，確定最佳維鈍電位，選用輔助陰極及參比電極，選用控制電纜等。
3.1 管道陽極保護(hù)參數(shù)的測定
    管道的致鈍電流密度、維鈍電流密度、穩(wěn)定鈍化區(qū)電位范圍的測定方法采用恒電位法[4]。恒電位法就是將研究電極依次恒定在不同的值，然后測量對應(yīng)于各電位下的電流。極化曲線的測量應(yīng)盡可能接近體系穩(wěn)態(tài)。體系穩(wěn)態(tài)指被研究體系的極化電流、電極電位、電極表面狀態(tài)等基本上不隨時間而改變。在實際測量中，常用的控制電位測量方法有動態(tài)法，控制電極電位以較慢的速度連續(xù)地改變(掃描)，并測量對應(yīng)電位下的瞬時電流，以瞬時電流與對應(yīng)的電極電位作圖，便獲得整個極化曲線。測量在實驗室進(jìn)行，需要恒電位儀1臺，飽和甘汞電極1支，Q235A鋼制作的電極1支，鉑電極1支，三室電解槽1只，2L現(xiàn)場土壤配制液，0.5mol/L的H2S04溶液2L，0.85mol/L的丙酮水溶液1.5L。用金相砂紙將Q235A鋼制作的測試電極打磨至鏡面光亮，用石蠟蠟封，留出1cm2面積，然后在丙酮水溶液中除油，在0.5mol/L的H2S04溶液中去除氧化層，浸泡時間分別不低于10s，然后按圖2進(jìn)行安裝。圖2中，選用JH-2c恒電位儀作為恒電位的輸出，參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極選用鉑電極，研究電極為Q235A鋼制作的測試電極。保持25℃環(huán)境，測量方法采用動態(tài)法。
 

    通過測量和數(shù)據(jù)整理，得到Q235A鋼在現(xiàn)場土壤配制液中的致鈍電流密度為Jc=1.63A/m2，維鈍電流密度為Jp=0.12A/m2，鈍化區(qū)電位φp1=-150mV，φp2=400mV，最佳維鈍電位為120～150mV。由式(2)、(3)計算得知，1500m管道至少需要致鈍電流150A、維鈍電流12A。
3.2 被保護(hù)的陽極材料
    被保護(hù)的陽極材料是在役埋地燃?xì)夤艿?，即和酸濕土壤接觸的Q235A鋼管外表面。為了達(dá)到更好的保護(hù)效果，Q235A鋼管表面采用石油瀝青防腐涂層，防護(hù)涂層和陽極保護(hù)形成聯(lián)合保護(hù)，可減小維鈍電流，增強保護(hù)效果。保護(hù)管段兩端安裝絕緣法蘭，減少陽極電流擴散。
3.3 輔助陰極的選擇
    輔助陰極材料要求在陰極電位下耐腐蝕，有一定的機械強度，容易加工，來源廣泛，價格低廉，常常根據(jù)腐蝕性介質(zhì)來選擇不同的輔助陰極材料。腐蝕介質(zhì)為酸濕土壤，管地電位較正，輔助陰極材料可選擇圓柱形DN 40mm普通碳素鋼，圓柱形形狀擴散電流均勻，電阻率均勻。輔助陰極連接在主控系統(tǒng)電流輸出端的負(fù)極。通過實驗得知，管道陽極的維鈍電位為120～150mV時，輔助陰極材料碳素鋼上的電位為-1270～-1425mV，本身也處在良好的陰極保護(hù)狀態(tài)。
3.4 參比電極的選擇
    參比電極是測量被保護(hù)設(shè)備保護(hù)電位的參考物，是比較對象，在陽極保護(hù)中，通過參比電極來控制保護(hù)對象的電位在一定的范圍之內(nèi)。參比電極要求電極表面的反應(yīng)可逆，難于極化或根本不極化，電位穩(wěn)定，再現(xiàn)性高，易于制造，便于攜帶，價格經(jīng)濟(jì)。為便于安裝和焊接，陽極保護(hù)系統(tǒng)選用直徑為20mm、長度為60mm的圓柱形315不銹鋼參比電極。和陰極保護(hù)的參比電極一樣，陽極保護(hù)的參比電極也是一個參考點，只是參考的是對管電位。參比電極焊接在管道上，用以檢測管道電位。用參比電極的目的是有一個對比點，直接檢測管道電位，把導(dǎo)線焊接在管道上，若沒有對比點，是不能檢測的。在埋設(shè)管道的空間里，除了管道就是土壤，如果不焊接在管道上，相當(dāng)于用鋼電極測量對地電位了。
3.5 控制電纜的選擇
    陰極、陽極與主控系統(tǒng)的連線采用RV1×10電纜，主控參比電極、監(jiān)控參比電極與主控系統(tǒng)的連線采用RVVP1×2.5的單芯屏蔽電纜，輸出維鈍電位控制信號、陽極和陰極電位取樣信號采用RVVP2×1.5屏蔽電纜。
4 管道陽極保護(hù)裝置安裝
    管道陽極保護(hù)裝置見圖3，圖3中，保護(hù)管道長1500m，兩端安裝絕緣法蘭。用鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng)[7]作為陽極保護(hù)的主控系統(tǒng)，有風(fēng)光電互補穩(wěn)壓直流雙極性變換輸出電源，有檢測端口、觸摸屏設(shè)置界面和穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。主控系統(tǒng)電流輸出端正極通過電纜和管道相連，連接處采用鋁熱焊并采用電工絕緣塑料帶纏繞包扎，保證防潮和絕緣。主控系統(tǒng)輸出端的負(fù)極用電纜和兩段長度為100m的圓柱形輔助陰極碳素鋼相連，輔助陰極和管道形成一個回路。為了降低維鈍電流密度，輔助陰極應(yīng)平行安裝在距管道0.5m處并保持和管道中心線同一高度。主控系統(tǒng)檢測端口的3個接線端分別連接一個主控參比電極(315不銹鋼)和兩個監(jiān)控參比電極(315不銹鋼)。主控參比電極的任務(wù)是檢測管道上的陽極電位，并把檢測值反饋給主控系統(tǒng)；監(jiān)控參比電極安裝在和主控參比電極有一定距離的管道上，和主控參比電極的檢測值相對比，供防腐工程師參考決策調(diào)整維鈍電位。主控和監(jiān)控參比電極用氬弧焊豎直焊接在管道上。在焊接點處去除防腐涂層，然后用氬弧焊將參比電極焊上。焊接點同樣用絕緣塑料帶纏繞包扎。各部分電路電纜連接好后，檢查所有電纜，保證接線方式正確無誤。檢查完后回填土，為了讓土壤介質(zhì)形成均一的導(dǎo)電體系，回填土一定要均勻壓實，剔除雜草和亂石，并保持原有的含水率，土壤干燥的地方要用當(dāng)?shù)靥锼疂补唷?/span>
 

5 應(yīng)用
    為了快速使1500m管道鈍化，先用200A大功率恒電位儀連接陰陽極供電，當(dāng)管道達(dá)到鈍化電位后，再啟動鋼質(zhì)管道風(fēng)光電互補網(wǎng)絡(luò)式防腐系統(tǒng)供電。由于維鈍電位的測量是用土壤配制液代替土壤，有一定的偏差，因此防腐系統(tǒng)給管道供電電位留有一定的裕量。陽極電位的檢測值設(shè)置區(qū)間為[135mV，160mV]，當(dāng)檢測值在設(shè)置區(qū)間時，陽極保護(hù)電流值保持原來的狀態(tài)，當(dāng)檢測值不在設(shè)置區(qū)間[135mV，160mV]時，防腐系統(tǒng)通過計算并調(diào)整恰當(dāng)?shù)年枠O保護(hù)電流，快速實時地把檢測值調(diào)整到[135mV，160mV]區(qū)間，隨時保持最佳陽極保護(hù)狀態(tài)。本系統(tǒng)已運行2個月，從各項監(jiān)測指標(biāo)看，系統(tǒng)運行正常，維鈍電流達(dá)到最小，耗電量只為陰極保護(hù)系統(tǒng)的70%，達(dá)到了預(yù)定的對管道的保護(hù)要求。
6 結(jié)論
    對于埋地管道土壤環(huán)境，若含水率足夠高，達(dá)到50%以上，且土壤介質(zhì)呈酸性，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)方法難以奏效，則用陽極保護(hù)的方法可以達(dá)到保護(hù)管道的要求，不但操作維護(hù)簡單，而且還降低能耗。
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(本文作者：李龍江1 陶文亮2 1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院 貴州貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 貴州貴陽 550003)