直埋蒸汽管牺牲阳极保护有关问题的讨论

蒸汽管道直埋，我国始于90年代初期，随着国民经济的高速发展和城市规划建设的要求，原蒸汽管道架空敷设，不少地方都改为直埋，许多城市的经济开发区甚至不允许蒸汽管道架空敷设，否则规划部门不予批准；经过国内科研所、生产厂家的开发和研究，直埋蒸汽管道技术已取得了较大的发展，并于2005年7月15日颁发了行业标准《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》（ＣＪＪ104-2005）

蒸汽直埋管道主要结构型式，一直有“南北之争”，在南方地区，多采用“钢套管”结构，由于地下水位浅，所以“外套钢管”的防腐措施是否得当，直接影响蒸汽管道的安全运行，严重时甚至造成全部保温和防腐的失效 ，管线报废。

如“×××热电厂”南线供热管网直埋蒸汽管道由于外套钢管防腐的失效排潮管处大量漏汽，导致该段管线停产维修，严重影响了生产。

目前国内外套管的防腐采用的几种涂料：

1. 环氧沥青煤      
2. 烧结环氧粉末
3. 聚乙烯三层结构
4. 聚脲 

然而直埋管道在运输和安装过程中不可避免地造成外套管防腐层小面积的损坏 ，从而导致外套管防腐层的破坏，而在防腐层外再设置阴极保护，阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，防腐层的存在可大大减少阴极保护的消耗电流；而阴极保护可以弥补防腐层完整性方面的不足，从而在安全性和经济性达到    的结合，是目前*的较佳的防腐方案。

外套管采用阴极保护，阴极保护在金属防腐蚀工艺中，是电化学方法的一种，同其它防腐工艺不同的是，它通过给被保护金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，金属表面各点达到同一负电位，金属原子不易失去电子而变成离子溶入溶液；有两种办法可以实现该要求：即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。原则上这两种方法均使用，但从经济上考虑对于新建管道的覆盖层电阻小于10000Ω·m²和土壤电阻率大于100Ω·m时，不宜采用牺牲阳极阴极保护。

在工程设计中，牺牲阳极阴极保护应从以下几个方面着手：

1. 阳极种类的选择

通常根据土壤电阻率选取牺牲阳极的种类,根据保护电流的大小选取阳极的规格；

在土壤中推荐的牺牲阳极种类应用选择见下表，关于土壤电阻率可按《交流电流装置的接地》DL/T621—1997附录E表F₁中介绍的方法测试，亦可采用四极法测试，四极法测试方法如下：

• 在测量区域沿直线等距离插入四根金属电极，电极彼此相距５ｍ，Ｓ为测量深度，插入地表深度为１/20S为宜；
• 将仪表稳定平放地面，调整仪表指针在标准黑线上；
• 打开Ｃ２和Ｐ２连接片，四根导线分别接到相应的电极上；
• 倍率开关置于×１0档，转动手摇发电机（120转／分）同时旋转测量标度盘旋钮，使指针对准标准黑线，如小于１，倍率减小一档（倍率在三档×１0，×１，×０.1）一直得到准确值．Ｒ＝倍率档值×测量标度盘读数。
• 计算

　　　　ρ＝２πSR

        ---ρ为Ｓｍ深土壤的电阻率

埋地牺牲阳极必须采用化学填料包，而填料包的配方与“土壤电阻率”有直接关系，所以“土壤电阻率”的测取至关重要。

土壤中牺牲阳极种类应用选择

2．阴极保护的主要参数

1）自然电位：

自然电位是金属埋入土壤后，在无外界电流影响下的对地电位即阴极开路电位E_c。自然电位随着金属结构材质、表面状况、土质状况、土壤的含水量等因素不同而不同，一般有涂层埋地管道的自然电位在-0.4--0.7Vcse之间，在雨季土壤湿润时，自然电位会偏低，一般取平均值-0.55Vcse；

2）小保护电位

金属达到*保护所需要的低电位值，一般认为，金属在电解质溶液中，极化电位达到阳极区的开路电位(Ea)时，就达到了*保护。

3）大保护电位

保护电位是有限度的，过高的保护电位会造成管道防腐层漏点大量析出氢气，造成涂层与管道脱离，即阴极剥离，不仅使防腐层失效，而且电能大量消耗，还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂，所以必须将电位控制在比析出氢电位稍高的电位值，此电位称为大保护电位即阳极极化电位（ea），超过大保护电位时称为“过保护”。

4）瞬时断电电位

在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2-0.5秒之内读取结构对地电位，由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构，所以所测电位为结构的实际极化电位即阴极极化电位（ec），不含IR降（介质中的电压降）；

5）小保护电流密度

使金属腐蚀下降到低程度或停止时所需要的保护电流密度，其常用单位为mA/m²表示，处于土壤中的裸露金属，小保护电流密度一般取10mA/ m²。

1. 保护准则

1）相对于饱和铜/硫酸铜参比电极的管道阴极极化电位至少为850mV；

2）管道表面与接触电解质的稳定饱和铜/硫酸铜参比电极的管道阴极极化电位差小为100mV；

牺牲阳极的埋设有立式和卧式两种，埋设位置分轴向和径向。且必须埋设在冰冻线以下。

工程实例：“×××热电厂”供热管网直埋管道L=12km,φ529×9,外套管φ1020×10, 聚脲防腐层，处于土壤电阻率 ρ=50Ω·m的环境中，设计寿命15年,计算牺牲阳极的大小及支数 。

选取梯形截面镁阳极，规格号为“-4 ”, 镁重11.34Kg, 其尺寸为E=700mm, A=90mm,B=110mm,C=88mm,其阳极等效直径d=C/π=0.12m,C为周长（m）, 填料包直径为D=0.17m, 埋地阳极水平放置,经测量其电阻率为40Ω·m， 阳极中心至地面的距离约2m, 牺牲阳极的连接电缆按采用铜芯电缆:VV-1KV/1×10mm², 电缆长度为4m。

1. 被保护面积: A=π·D·L=3.14×1.020×12×10³=38433.6m²
2. 所需阴极保护电流 I_A= A·Id·(1-E)=38433.6×10×(1-0.99)=3.843A

式中A---被保护面积，m²

Id---小保护电流密度，一般取10mA/ m²

   E---涂层效率，一般取(98-99)%, 聚脲涂层取99%；其余涂层取98%；

3.单支阳极接地电阻按下式计算：

 R_H=(ρ/2πL) ×｛Ln(2L/D)+ Ln(L/2t)+(ρa/ρ)×(LnD/d)｝

式中R_H ---水平式阳极接地电阻，Ω

ρ ---土壤电阻率，Ω·m

ρa---填料包电阻率，Ω·m ,

L  ---阳极长度，m

D ---填料包直径,m

    T ---阳极中心至地面距离，m

R_H=(50/2×3.14×0.7) ×｛Ln(2×0.7/0.17)+ Ln(0.7/2×2)+（40/50）×Ln(0.17/0.12) ｝=8.05Ω

4. 单支阳极输出电流按下式计算：

Ia=ΔE/R=｛(-0.55+0.85)-(1.56-1.7) ｝/8.173=0.054A

式中Ia ---阳极输出电流，A

ΔE---阳极有效电位差，V

R ---回路总电阻=（阳极接地电阻Ra= R_H+阴极过渡电阻Rc+回路导线电阻Rw），Ω,一般管道的自然电位为-0.55V,极化电位为-1.0V,由上可知管线所需保护电流为7.626A，则阴极过渡电阻为 (1.0-0.55)/3.843=0.117Ω； Ra= R_H=8.05Ω；

回路导线电阻Rw=0.006Ω; R=8.173Ω

  所需阳极数量N=(f ·I_A)/Ia=2.5×3.843/0.054=177.9支，取178支。

式中f为备用系数，取2-3倍，本例f取2。

将178支阳极沿管道每隔73米处埋设一支，然后与管道连接。在布置牺牲阳极时，注意阳极与管道之间不应有金属构筑物。阳极埋设位置在一般情况下距管道外壁3-5m,小不宜小于0.3m, 埋设深度以阳极顶部距地面不小于1m。

  牺牲阳极保护系统的维护很简单，经常检查阳极的输出电流，阳极消耗尽后，应及时更换。