陰極保護在埋地燃氣管道腐蝕防護中的應用
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【摘 要】由于埋地鋪設的輸氣管道大都處于復雜的土壤環境中，尤其在鹽類聚集的地區，天然氣輸送管道的腐蝕穿孔問題十分嚴重，本文通過深入了解我國管道運輸的特點及腐蝕現狀，掌握管道腐蝕的規律并加以有效控制，對腐蝕程度嚴重的管道采取陰極保護技術，確保我國民經濟地下大動脈的安全運行。
【關鍵詞】天然氣管道;鹽堿地;陰極保護
目前，國內外輸送天然氣資源主要依靠埋地方式鋪設長距離管道來實現，據聲明所說，僅中國石油天然氣股份有限公司，至2012年末，建設管道總長度增長到為66776千米，天然氣管道長度也增加到40995千米，是2000年為止所建天然氣管道長度的兩倍，且該公司目前擁有的天然氣管道長度已占到全國天然氣管道總長度的80%左右。預計2015年時，其天然氣管道長度可達到4.8萬千米，使長度再延長一倍。Visiongain也著眼于全球石油與天然氣管道市場分析表明，全球石油與天然氣管道市場將在2013年達到473.5億美元，包括世界各地的所有新的石油和天然氣管道的施工成本。
但由于埋地鋪設的輸氣管道大都處于復雜的土壤環境中，且土壤中含有不同分量的水和易電離的鹽類等物質，使土壤與管道金屬構成原電池，導致金屬管道外壁上發生不同程度的電化學腐蝕，甚至造成管道失效。一旦輸氣管道出現腐蝕穿孔就會造成油氣泄漏，不僅運輸中斷，而且會污染環境，還可能引發災難性事故，造成的經濟損失難以估量[1]。據調查，我國石油石化工業每年因腐蝕所造成的直接經濟損失達數億元。由于土壤的腐蝕性大小主要取決于土壤的含水量、含鹽種類和含量、pH值及有機物質和微生物含量等因素。因此，鹽類聚集的鹽堿地地區鋪設的輸氣管道所承受的腐蝕作用更為嚴重。
然而，輸氣管道一直是管道工程中的重要環節，它的防腐保護對保障能源運輸乃至于國民經濟的發展等起著十分重要的作用，故一直受到研究人員的關注。為了解決腐蝕問題，除可以在管道外壁覆蓋防腐絕緣層外，陰極保護技術也是防止金屬腐蝕的有效方法，適用于對土壤、淡水和海水等介質中的金屬腐蝕的保護，且經濟效益十分顯著。
1、土壤的腐蝕性分析
土壤是具有固、液、氣三相的毛細管多孔性的膠質體，土壤的空隙為空氣和水所充滿，水中含有一定量的鹽使土壤具有離子導電性[2]。土壤的PH值以及土壤中的含鹽量明顯高于一般的其他地區，其腐蝕性也相應變強。除此以外，還可依照土壤電阻率、自然電位、和氧化還原電位來判斷土壤的腐蝕性的強弱。
由于管道所埋土壤各處的物化性質不同、管道各部分的金相結構不同，如晶格缺陷、雜質、內部應力、表面粗糙程度等原因，一部分金屬易電離，帶正電的金屬離子進入土壤中，從而該段電子過剩電位變負;而另一部分金屬不容易電離，電位變正，從而在兩段間發生電子流動即發生氧化還原反應。失去電子的管道段成為陽極區，得到電子管道段則成為陰極區，并和土壤一起組成回路，形成了電化學電流即腐蝕電流，從而產生了土壤腐蝕[1]。假如管道各段落所處土壤透氣性不同，土壤中氧的濃度也就不同，從而使腐蝕電池發育，腐蝕電池兩極間的距離可達數公里。
2、陰極保護技術
在實際的工程應用中，將被保護的金屬陰極極化以消除電化學不均勻性所引起的金屬腐蝕的方法稱為陰極保護。陰極保護技術就是通過向被保護的管道通以足夠的直流電流，使管道表面產生陰極極化，減小或消除造成管道土壤腐蝕的各種原電池的電極電位差，使腐蝕電流趨于零，進而達到阻止管道腐蝕的目的[3]。該技術方法經過幾十年的快速發展，已經成為技術較為成熟，市場也較為廣闊的管道防腐技術，且操作簡單，實施安裝工程量不大的同時亦能起到很好的排流作用。陰極保護作為防腐層保護的一種補充手段是必不可少的，它可以彌補涂層的缺陷（破壞、漏點等）。因此，陰極保護技術作為第二道防線更好地抑制管線的腐蝕，也是反應管線防腐狀態的重要指標。
目前較為常用的兩種陰極保護方法分別是犧牲陽極陰極保護法和強制（外加）電流陰極保護法。前者是用一種腐蝕電位比被保護金屬腐蝕電位更負的金屬或合金與被保護體組成電偶電池，依靠負電性金屬不斷腐蝕溶解產生的電流供被保護金屬陰極極化而構成保護的方法，由于低電位金屬所在電偶電池中作為陽極，偶接后其自身腐蝕速度增加;后者則是利用外部直流電源直接向被保護金屬通以陰極電流，使之陰極極化，實現被保護體進入免蝕區而受到保護的方法，由輔助陽極、參比電極、直流電源和相關的連接電纜組成[4]。
犧牲陽極法和外加電流陰極保護法各有優缺點，有其各自的應用范圍，應根據供電條件、介質電阻率、所需保護電流的大小、運行過程中工藝條件變化情況、壽命要求、結構形狀等決定[4]。犧牲陽極陰極保護法不需外部電源，投產后維護管理工作量小，但在高電阻率環境中不宜使用，同時保護范圍和輸出電流小且輸出電流還不可調;強制電流陰極保護法輸出電流連續可調，保護范圍大，不受土壤電阻率的限制，適用性強，保護裝置使用壽命長，但是卻需外部電源，投產后需進行維護管理。通常情況下，對有電源、介質電阻率大、所需保護電流大、條件變化大、使用壽命長的大系統，應選用外加電流陰極保護，反之宜選用犧牲陽極保護[4]。在一些情況下，需要將犧牲陽極法和外加電流陰極保護法并聯防護才能取得良好的效果。
3、埋地管道微生物腐蝕的防護措施
3.1表面防腐處理
優良的基層是防腐工程的基礎，金屬管道的防腐質量絕大程度上取決于涂層與基體的粘結程度，因此管道表面的處理十分重要。在涂層厚度、除銹質量以及施工條件等因素中，除銹質量是表面防腐處理的重中之重，實驗表明除銹質量優良的比未經除銹處理或除銹質量相對較差的防腐涂層的使用壽命至少長3至5倍。因而在管道表面防腐處理時，應先將鋼管、容器表面的鐵銹與氧化皮徹底清除干凈。與此同時，還可采用氧化型或非氧化型殺菌劑來抑制或殺滅腐蝕微生物繁殖的方式，進一步實現控制腐蝕的目的。
3.2涂層防腐處理
3.2.1內涂層防腐
內涂層防腐處理中常用的內涂層有環氧樹脂粉末涂層、聚乙烯粉末涂層等，也可采用可耐約300℃高溫的熱噴玻璃防腐新工藝，其可有效地避免管內硫化氫等酸性氣體與碳鋼之間的接觸。此外，對于遭受嚴重腐蝕而進行返修的管道則可采用環氧粉末涂裝或環氧液體涂料內涂方法。
3.2.2外涂層防腐
外涂層防腐是使管道與土壤等腐蝕環境相互隔絕的防腐途徑，當前埋地管道通常使用在水介質與土壤中具耐菌破壞力保護層，無機保護層主要有水泥、鍍鋅、鉻等，有機保護層則主要有塑料薄膜、環氧樹脂漆、多層PE防腐層等。此外還有煤焦油瓷漆防腐層、石油瀝青防腐層、熔結環氧粉末防腐層以及HPCC 涂層體系等。
4、結論
天然氣輸送管道的防腐保護對保障能源運輸乃至于國民經濟的發展等起著十分重要的作用，尤其在鹽類聚集的地區，天然氣輸送管道的腐蝕穿孔問題十分嚴重，除在管道上覆蓋防腐絕緣層外，還可以輔助采用陰極保護技術抑制土壤對天然氣輸送管道的腐蝕作用。
參考文獻：
[1] 劉佳.天然氣管道的腐蝕原因防治措施[J].內江科技，2012（6）
[2] 陳勝利，蘭志剛，宋積文，等.長輸天然氣管線的腐蝕與防護[J]全面腐蝕控制，2011（1）
[3] 黃騰飛.埋地管道陰極保護電位參數及電位測試技術研究[J].西南石油大學博士學位論文，2014
[4] 孫鵬然.天然氣長輸管道的防腐與防護措施[J]管道技術與設備，2013（1）：
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