閆家鵬

(沈陽化工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

長輸管道一般都是埋地敷設(shè)，受土壤中溫度、酸度、雜散電流等一系列變化復(fù)雜的埋設(shè)條件影響，管道外部的腐蝕極易加速，使用壽命會縮短[1-2]。對于長輸管道陰極保護(hù)技術(shù)是目前較為行之有效的防腐措施。陰極保護(hù)的方法可以分為兩大類：外加電流法和犧牲陽極法[3-4]。兩種方法在原理上相似，均為集聚被保護(hù)金屬表面的電子來降低該金屬的腐蝕電位[5-6]。外加電流法通過將外電源負(fù)極與所要保護(hù)的金屬相連接，輔助陽極與電源正極相接，從而構(gòu)成通路，為金屬提供保護(hù)電流。該方法的優(yōu)點在于保護(hù)電流大小可調(diào)，保護(hù)裝置壽命長，環(huán)境電阻率限制作用小等[7-9]。在長輸管道中主要應(yīng)用外加電流法進(jìn)行保護(hù)。這就對土壤的導(dǎo)電率有一定要求，土壤電阻率一般應(yīng)小于50 Ω·m，即一般在地下水位較高或潮濕低洼處，并且土層厚，無塊石的地段，外加電流陰極保護(hù)效果較好。但在實際的長輸管道埋設(shè)中總會存在一些局部空洞(即，管道周圍沒有土壤導(dǎo)電，形成濕空氣腐蝕環(huán)境)的現(xiàn)象，與管道接觸的僅為濕空氣，地下濕空氣可能含有多種腐蝕性的離子，土壤的孔隙有利于氧氣的滲入和水分保存，孔隙度越大管道腐蝕越嚴(yán)重[10]；同樣，在長輸管道的“管中管”封閉空間內(nèi)沒有構(gòu)成陰極保護(hù)的電流回路，陰極保護(hù)基本上沒有發(fā)生作用[11]。所以，在埋地管道的空洞環(huán)境中空氣電阻大，達(dá)不到陰極保護(hù)要求的導(dǎo)電率條件，而出現(xiàn)局部保護(hù)減弱甚至失效，導(dǎo)致管道腐蝕嚴(yán)重。

本文設(shè)計出一種三層緊密結(jié)構(gòu)組成的局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)方案，通過對比實驗的方法，研究此方案對處于空洞環(huán)境中的管道的防腐保護(hù)效果。

1 方案設(shè)計及實驗方法

1.1 局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)方案設(shè)計

通常的埋地管道外加電流陰極保護(hù)方案如圖1。其原理是：外部電源通過埋地的輔助陽極將保護(hù)電流引入地下，通過土壤提供給被保護(hù)金屬。輔助陽極埋設(shè)位置與被保護(hù)管道有一定距離，使電流分布能較均勻。被保護(hù)金屬在大地中為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，使腐蝕受到抑制。

圖1 通常的外加電流陰極保護(hù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of common external current cathodic protection

本文設(shè)計的方案為局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)，如圖2。

本方案中，電解池是由三層緊密結(jié)構(gòu)組成，依次為被保護(hù)金屬、固體電解質(zhì)層、輔助陽極加導(dǎo)電涂層，夾在中間的固體電解質(zhì)層提供了陰極保護(hù)電流的離子遷移通道。這種緊密結(jié)構(gòu)的突出特點是在輔助陽極與被保護(hù)金屬之間能夠建立強(qiáng)度均勻的電場，從而使保護(hù)電流均勻地分布到被保護(hù)金屬的所有表面上，對管道進(jìn)行有效的防腐保護(hù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)外加電流陰極保護(hù)因管道外空洞環(huán)境電流回路電阻過大而對管道的保護(hù)失效的現(xiàn)象。

參比電極是測量被保護(hù)金屬電位的基準(zhǔn)電極，選用與固體電解質(zhì)相匹配的固體參比電極。

極化電源使用恒電位儀。保護(hù)電流由恒電位的正輸出端流出，流經(jīng)輔助陽極和固體電解質(zhì)層到達(dá)被保護(hù)金屬，匯流后返回恒電位儀的負(fù)輸出端。

利用固體電解質(zhì)涂料在金屬表面構(gòu)造出完整的電解質(zhì)環(huán)境，以金屬陽極加導(dǎo)電涂層作為輔助陽極，解決了長輸管道濕空氣環(huán)境下金屬腐蝕的問題。

圖2 局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)示意圖
Fig.2 Schematic diagram of partly enhanced external current cathodic protection

1.2 實驗材料

用三個塑料長方體有蓋盒子作為實驗容器。為方便實驗，以9塊薄碳鋼板代替管道作為目標(biāo)電極材料(被保護(hù)體)，尺寸為100×100×5 mm，其化學(xué)成分為C 0.20%，Si 0.35%，Mn 1.45%，P 0.045%，S 0.045%，密度ρ=7.85 g/cm3。配備三組電源。固體電解質(zhì)涂料由7%～10%的蒙脫石固體電解質(zhì)與水性聚氨酯樹脂以1∶1共混，加入水和助劑組成。陽極材料選用紫銅片；導(dǎo)電涂層采用片狀石墨與樹脂的復(fù)合樹脂導(dǎo)電材料。參比電極為石墨電極，其表面狀態(tài)穩(wěn)定，與固體電解質(zhì)涂料組成的電極系統(tǒng)的抗極化性能好。從室外1 m以下取潮濕土壤作為實驗用土壤。

1.3 實驗方法

實驗前將9塊目標(biāo)電極(鋼板)用細(xì)砂紙將表面打磨光滑去銹，清理干凈后稱重并測量表面積，記錄其數(shù)值，保存在干燥容器中備用。

1.3.1 實驗分組

(1)A組實驗：模擬空洞環(huán)境對鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持濕空氣環(huán)境，將三塊目標(biāo)電極A1、A2、A3懸掛在土壤上方，距土壤50 mm的高度，土壤中埋入陽極材料，并采用外加電流陰極保護(hù)。

(2)B組實驗：模擬正常的外加電流陰極保護(hù)條件下鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入200 mm厚的土壤，將三塊目標(biāo)電極B1、B2、B3豎直埋入土壤，并且距目標(biāo)電極200 mm處土壤中埋入陽極材料，并采用外加電流陰極保護(hù)。

(3)C組實驗：模擬采用三層緊密結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)條件下鋼材腐蝕速率的實驗組

在長方體容器的底部放入少量土壤(50 mm厚)，保持濕空氣環(huán)境。在將三塊目標(biāo)電極C1、C2、C3表面涂1 mm厚的固體電解質(zhì)，并植入?yún)⒈入姌O。在固體電解質(zhì)外涂約0.2 mm厚導(dǎo)電涂層，并加上陽極。然后把三塊目標(biāo)電極懸掛在土壤上方，距土壤50 mm的高度，并采用外加電流陰極保護(hù)。

1.3.2 實驗過程及時間

實驗時間為30天。在實驗過程中每天向土壤中加入少量水，保持土壤濕潤，以模擬真實土壤環(huán)境。在實驗結(jié)束時，取出目標(biāo)電極，用細(xì)砂紙仔細(xì)打磨去除表面銹層，干凈后稱重并記錄質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

2.2 實驗結(jié)果分析

由表1數(shù)據(jù)可以看出，A組模擬在道空洞環(huán)境下埋地管道的腐蝕速率，年平均速率為0.0887 mm/a；B組模擬埋地管道采用通常的外加電流陰極保護(hù)后的腐蝕速率，年平均速率為0.0059 mm/a；C組模擬埋地管道采用本文設(shè)計的局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)方案后的腐蝕速率，年平均速率為0.0030 mm/a。

三組鋼板年腐蝕速率的比較如圖3。A組的平均腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B組和C組，而C組較B組更小。B組的平均腐蝕速率大約是A組的6.7%，C組的平均腐蝕速率大約是A組的3.4%。

圖3 三組實驗的年腐蝕速率比較Fig.3 Comparison of annual corrosion rates of three groups of experiments

如A組實驗所示，在道空洞環(huán)境下埋地管道由于濕空氣環(huán)境的電阻過大，陰極保護(hù)近乎失效，而鋼材在濕空氣中極易腐蝕，所以腐蝕速率大。如B組實驗所示，在埋地管道采取外加電流陰極保護(hù)措施后，電位較低，由外電路向被保護(hù)金屬通入電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，以供去極化劑還原反應(yīng)所需，從而使金屬氧化反應(yīng)(失電子反應(yīng))受到抑制。但A組實驗與B組相比，說明即使有外加電流陰極保護(hù)，埋地管道在空洞環(huán)境中腐蝕也非常嚴(yán)重，接近失效。C組實驗采用本文設(shè)計的方案，使得埋地管道即使在空洞環(huán)境中，采用局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)方法，管道的腐蝕速率大大降低，僅為空洞環(huán)境的3.4%。原因是這種緊密結(jié)構(gòu)的外加電流陰極保護(hù)在輔助陽極與被保護(hù)金屬之間能夠建立強(qiáng)度均勻的電場，不受空洞環(huán)境的影響，使保護(hù)電流均勻地分布到被保護(hù)金屬的所有表面上，對管道進(jìn)行有效的防腐保護(hù)。

3 結(jié)論

在設(shè)計和施工長輸管道時，在預(yù)測到可能出現(xiàn)空洞或加裝套管的被保護(hù)管道處，采用本文設(shè)計的局部強(qiáng)化外加電流陰極保護(hù)方案，即局部采用由三層緊密結(jié)構(gòu)組成的電解池，可以有效地解決原來長輸管道中某些地方由于加電流陰極保護(hù)的回路電阻過大而保護(hù)失效的問題，將局部防腐失效的管道腐蝕速率降低到原來的3.4%左右，保護(hù)效果顯著。