1 管道的腐蝕機理

油氣管道埋地後，防腐層不可避免的存在破損點。由于管道的不同位置，土壤的含水量、含鹽量、含氧量濃度不同，導緻管道表面各缺陷點位置管地電位存在差異。電位的差異給電流的流動提供了動力。電位偏負的位置，電流從管道流出進入土壤，為陽極；電位偏正的位置，電流從土壤流入管道，為陰極。陽極位置發生腐蝕，陰極位置腐蝕便會減緩。

電子沿金屬管道向陰極跑動，正電荷（電流）在電解液中也向陰極遊動，但電子跑動速度大于離子遊動速度，滞留的正離子便導緻陽極電位正向偏移。電位較正的金屬得到陽極跑動過來的電子，無法立即被溶液中的正離子消耗，導緻電子積壓，所以陰極電位負向偏移。電子和正離子都朝陰極方向移動，但所經路徑不同，在金屬管道中電子導電，在電解液中離子導電，在陰、陽極和電解液接觸面氧化還原反應導電。

2 陰極保護原理

陰極保護的方法是額外增加一個電源，電流從電源流出入土壤後，再從土壤流回到管道表面。使原來的陽極轉變成陰極，整條管道都在吸收電流，成為陰極，得到保護。

陰極保護就是通過平衡金屬表面各點的電位，使金屬表面都成為陰極而進行腐蝕控制的技術，如圖 1所示，管道上原來的陰、陽極都變成了陰極。

圖1 管道表面各點對地單位

3 陰極保護方式

當電流流出金屬進入電解液的時候，金屬是陽極，會發生腐蝕。如果我們采取措施，讓電流始終是流入金屬，這時，金屬是陰極，将不再腐蝕或腐蝕減緩。

如圖 2所示，在沒有外部電源時，管道表面存在電位的差異，在電位較負的位置（陽極），電流流出管道，在電解液中流向電位較正的部位（陰極），電位較負的位置為陽極，發生腐蝕。施加外部電流後，外部電流最開始時流向管道表面電位較正的部位（陰極），随着電流的流入，該部位電位負向偏移，從管道陽極部位流過來的電流逐步減小，随着陰極電位的負向偏移，從陽極流過來的電流最後為零。當外部施加的電流足夠大時，電流将通過原來金屬表面的陰極部位和陽極部位都流入金屬管道，金屬表面各點都成為吸流點，都成為陰極，得到了陰極保護。

圖2 陰極保護等效電路

為迫使陰極保護電流從電解液（土壤）流向管道，使管道成為陰極，主要采用犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護兩種方式。

随着技術的進步以及公衆對環境的重視，陰極保護的應用越來越廣。從過去的船舶陰極保護，發展到今天管道、儲罐、橋梁、碼頭等都施加了陰極保護。該技術的推廣，延長了埋地管道等金屬設施的使用壽命，為安全運營提供了保障。

文/馮洪臣，中國腐蝕與防護學會常務理事，陰極保護專家、高級工程師。

來源：《管道保護》

天然氣長輸管道陰極保護的運行管理

一、陰極保護原理

陰極保護的原理是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀态，使金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實現這一目的，即，犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

1、犧牲陽極陰極保護是将電位更負的金屬與被保護金屬連接，并處于同一電解質中，使該金屬上的電子轉移到被保護金屬上去，使整個被保護金屬處于一個較負的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少産生腐蝕幹擾，廣泛應用于保護小型（電流一般小于1安培）或處于低土壤電阻率環境下（土壤電阻率小于100歐姆.米）的金屬結構。如，城市管網、小型儲罐等。根據國内有關資料的報道，對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓，認為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年，最多5年。犧牲陽極陰極保護失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。本人認為，産生該問題的主要原因是陽極成份達不到規範要求，其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設計犧牲陽極陰極保護系統時，除了嚴格控制陽極成份外，一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。

2、外加電流陰極保護是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤中流向被保護金屬，使被保護金屬結構電位低于周圍環境。該方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結構，如：長輸埋地管道，大型罐群等。

二、陰極保護投入前的準備和驗收

(一) 陰極保護投入前對被保護管道的檢查

1、管道對地絕緣的檢查

從陰極保護的原理介紹，已得知沒有絕緣就沒有保護。為了确保陰極保護的正常運行，在施加陰極保護電流前，必須确保管道的各項絕緣措施正确無誤。應檢查管道的絕緣法蘭的絕緣性能是否正常；管道沿線布置的設施如閥門、抽水缸、閘井均應與土壤有良好的絕緣；管道與固定墩、跨越塔架、穿越套管處也應有正确有效的絕緣處理措施。管道在地下不應與其它金屬構築物有“短接”等故障。

管道表面防腐層應無漏敷點，所有施工時期引起的缺陷與損傷，均應在施工驗收時使用DCVG檢漏儀檢測，修補後回填。

2、管道導電性檢查

對被保護管道應具有連續的導電性能。

3、舊管道對地絕緣狀态的檢查，應按設計要求處理。對是否修補防腐塗層，排除接地故障(如防靜電接地極等)，應根據技術經濟條件比較确定。對管道導電性的檢查，仍需按前述要求進行。

(二) 對陰極保護施工質量的驗收

1、對陰極保護間内所有電氣設備的安裝是否符合《電氣設備安裝規程》的要求，各種接地設施是否完成，并符合圖紙設計要求。

2、對陰極保護的站外設置的選材、施工是否與設計一緻。對通電點、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應嚴格符合規範要求。尤其是陽極引線接正極，管道彙流點接負極，嚴禁電極接反。

3、圖紙、設計資料齊全完備。

三、陰極保護投入運行

1、組織人員測定全線管道自然電位、土壤電阻率、各站陽極地床接地電阻。同時對管道環境有一個比較詳盡的了解，這些資料均需分别記錄整理，存檔備用。

2、陰極保護站投入運行

按照直流電源(整流器、恒電位儀、蓄電池等)操作程序給管道送電，使電位保持在-1.30伏左右，待管道陰極極化一段時間(四小時以上)開始測試直流電源輸出電流、電壓、通電點電位、管道沿線保護電位、保護距離等。然後根據所測保護電位，調整通電點電位至規定值，繼續給管道送電使其完全極化(通常在24小時以上)。再重複第一次測試工作，并做好記錄。若個别管段保護電位過低，則需再适當調節通電點電位至滿足全線陰極保護電位指标為止。

3、保護電位的控制

各站通電點電位的控制數值，應能保證相鄰兩站間的管段保護電位達到-0.85伏，同時，各站通電點最負電位不允許超過規定數值。調節通電點電位時，管道上相鄰陰極保護站間加強聯系，保證各站通電點電位均衡。

4、當管道全線達到最小陰極保護電位指标後，投運操作完畢。各陰極保護站進入正常連續工作階段。

四、陰極保護站的日常維護管理

1、陰極保護設施的日常維護

電氣設備定期技術檢查。電氣設備的檢查每周不得少于一次，有下列内容：

1)檢查各電氣設備電路接觸的牢固性，安裝的正确性，個别元件是否有機械障礙。檢查接接陰極保護站的電源導線，以及接至陽極地床、通電點的導線是否完好，接頭是否牢固。

2)檢查配電盤上熔斷器的保險絲是否按規定接好，當交流回路中的熔斷器保險絲被燒毀時，應查明原因及時恢複供電。

3)觀察電氣儀表，在專用的表格上記錄輸出電壓、電流、通電點電位數值，與前次記錄(或值班記錄)對照是否有變化，若不相同，應查找原因，采取相應措施，使管道全線達到陰極保護。

4)應定期檢查工作接地和避雷器接地，并保證其接地電阻不大于10歐姆，在雷雨季節要注意防雷。

5)搞好站内設備的清潔衛生，注意保持室内幹燥，通電良好，防止儀器過熱。

2、恒電位儀的維護。

1)陰極保護恒電位儀一般都配置兩台，互為備用，因此應按管理要求定時切換使用。改用備用的儀器時，應即時進行一次觀測和維修。儀器維修過程中不得帶電插、拔各插接件、印刷電路闆等。

2)觀察全部零件是否正常，元件有無腐蝕，脫焊、虛焊、損壞、各連接點是否可靠，電路有無故障，各緊固件是否松動，熔斷器是否完好，如有熔斷，需查清原因再更換。

3)清潔内部，除去外來物。

4)發現儀器故障應及時檢修，并投入備用儀器，保證供電。每年要計算開機率。

3、硫酸銅電極的維護。

1)使用定型産品或自制硫酸銅電極，其底部均要求做到滲而不漏，忌污染。使用後應保持清潔，防止溶液大量漏失。

2)作為恒定電位儀信号源的埋地硫酸銅參比電極，在使用過程中需每周查看一次，及時添加飽和硫酸銅溶液。嚴防凍結和幹涸，影響儀器正常工作。

3)電極中的紫銅棒使用一段時間後，表面會粘附一層蘭色污物，應定期擦洗幹淨，露出銅的本色。配制飽和硫酸銅溶液必須使用純淨的硫酸銅和蒸餾水。

4、陽極地床的維護。

1)陽極架空線：每月檢查一次線路是否完好，如電杆有無傾斜，瓷瓶、導線是否松動，陽極導線與地床的連接是否牢固，地床埋設标志是否完好等。發現問題及時整改。

2)陽極地床接地電阻每半年測試一次，接地電阻增大至影響恒電位儀不能提供管道所需保護電流時，應該更換陽極地床或進行維修，以減小接地電阻。

5、測試樁的維護。

1)檢查接線柱與大地絕緣情況，電阻值應大于100千歐，用萬用表測量，若小于此值應檢查接線柱與外套鋼管有無接地，若有，則需更換或維修。

2)測試樁應每年定期刷漆和編号。

3)防止測試樁的破壞丢失，對沿線城鄉居民及兒童作好愛護國家财産的宣傳教育工作。

6、絕緣法蘭的維護。

1)定期檢測絕緣法蘭兩側管地電位，若與原始記錄有差異時，應對其性能好壞作鑒别。如有漏電情況應采取相應措施。

2)對有附屬設備的絕緣法蘭(如限流電阻、過壓保護二極管、防雨護罩等)均應加強維護管理工作，保證完好。

3)保持絕緣法蘭清潔、幹燥，定期刷漆。

7、陰極保護管理

1)每條陰極保護管道，都應制符合本管道實際情況的《陰極保護運行管理規定》，使陰極保護的日常測試、控制、調整、維修等方面的工作均按此進行。

2)加強陰極保護的組織、領導。保持室内設備整潔，達到無故障、無缺陷、無鏽蝕、無外來物。實現三圖上牆，即線路走向圖、保護電位曲線圖、崗位責任制。

3)陰極保護站投産後，電氣設備接線不得擅自改動，需要改變的應由主管部門作出方案，經批準後方能執行。

4)每日檢查測量通電點電位，填寫好運行日志，向生産調度部門彙報陰極保護站運行情況。

5)陰極保護站向管道輸送電不得中斷。停運一天以上須報主管部門備案。利用管道停電方法調整儀器，一次不得超過2小時，全年不超過30小時。保證全年98％以上時間給管道送電。

6)保持通電點電位在規定值，沿管道測定陰極保護電位，此種測量在陰極保護站運行初期每周一次，以後每兩周或一月測量一次。并将保護電位測量記錄造表、繪圖上報主管部門。

7)每年在規定時間内測量管道沿線自然電位和土壤電阻率各一次。

8)檢查和消除管道接地故障，使全線達到完全的陰極保護。

五、陰極保護系統常見故障的分析

1、保護管道絕緣不良，漏電故障的危害

在陰極保護站投入運行，或犧牲陽極保護投産一段時間後，出現了在規定的通電點電位下，輸出電流增大，管道保護距離卻縮短的現象，或者在犧牲陽極系統中，犧牲陽極組的輸出電流量增大，其值已超過管道的保護電流需要，但保護電位仍達不到規定指标的現象。發生上述情況的原因，主要是被保護金屬管道與未被保護的金屬結構物“短路”，這種現象稱之為陰極保護管道漏電，或者叫做“接地故障”。接地故障，使得被保護管道的陰極保護電流流入非保護金屬體，在兩管道的“短接”處形成“漏電點”，這就會造成陰極保護電流的增大；陰極保護電源的過負荷和陰極保護引起的幹擾。

另外，陽極地床斷路、陰極開路、零位接陰斷路都會導緻陰極保護不能投保。例如：格爾木站、甘森站，93年由于陽極電纜斷路，造成陰極保護體系不能正常工作，判斷陽極地床連接電纜斷路時，可采用：

(1)測輸出電流，将恒電位儀開啟，在恒電位儀陽極輸出端串上一電流表，如果電流為零，則說明有斷路現象。

(2)将恒電位儀機後陽極輸出線斷開，接入臨時地床或其它接地裝置，若有輸出電壓、電流，則可斷定陽極地床連接線斷路。在陽極電纜與地床陽極接線處應設置接線用水泥井或标志。

2、造成管道漏電的原因

(1)施工不當，交叉管道間距不合規範，即當兩條管道，一條為陰極保護的管道，另一條為未保護的管道交叉時，施工要求應保持管道間的垂直淨距不小于0.3m，并在交叉點前後一定長度内将管道作特别絕緣，如果施工時不嚴格按照上述規定去做，那麼在管道埋設一段時間後，在土壤應力的作用下，管道相互可能搭接在一起，會造成絕緣層破損，金屬與金屬的相連，形成漏電點。

(2)絕緣法蘭失效或漏電，絕緣法蘭質量欠佳，在使用一段時間後絕緣零件受損或變質，使法蘭不再絕緣，從而使得兩法蘭盤側不再具有絕緣性能，陰極保護電流也就不再有限制；或者是輸送介質中有一些電解質雜質使絕緣法蘭導通，不再具有絕緣性能。從上述原因看，漏電點隻可能發生在保護管道與非保護管道的交叉點，或保護管道的絕緣法蘭處，因此查找漏電點就帶有上述局限性。但如果地下管網複雜，被保護管道與多條和線有交叉穿越，則使得漏電點的查找出現複雜現象。常常要根據現場實際情況，反複測量、多方位檢查并綜合判斷才能找到真正的漏電故障點。

3、漏電點的查找

(1)利用查找管道絕緣層破損點，從而确定管道的漏電點或短接點的方法。此方法首先将脈沖信号送到被測管道上，如果管道防腐絕緣層良好，流入管道的電流很弱，儀表沒有顯示。如果管道防腐層有破損，電流将從土壤中通過破損處漏入管道，電流的流動會在周圍土壤中将産生明顯的電位梯度。當探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時，伏特計将明顯的抖動，當伏特計指針停止抖動時，兩個參比電極的中間既為防腐層漏點位置，該方法簡便宜行，定位準确，是目前國際上公認的檢漏方法(DCVG)。

(2)可利用測定管内電流大小的方法尋找漏電點。因為無分支的陰極保護管道，管内電流是從遠端流向通電點。當非保護管道接入後就會形成分支電路，使保護電流經過漏電點會變小。因此，可利此法來尋找漏電點的位置。利用此法測定時，在有懷疑的管段上可依次選點，用IR壓降法或者補償法(詳見有關說明)測定管内電流。再通過比較各點電流的大小來确定漏電點的電位。

(3)絕緣法蘭漏電的測定。當絕緣法蘭漏電而導緻陰極保護系統故障時，則可通過在絕緣法蘭兩側管段上，分别測量管地電位，若保護側為保護電位，非保護側為自然電位，則絕緣法蘭正常。否則，有問題存在。也可在非保護側測法蘭端部的對地電位，如此電位比非保護管道或其它金屬構築物的電位要負，則此絕緣法蘭漏電。

測定流過絕緣法蘭的電流，也可用來判定絕緣法蘭的性能。若絕緣法蘭非保護端一側，能測出電流，則法蘭漏電；若測不出電流，絕緣法蘭不漏電。

(4)近間距電位測量法CIPS.

在測試樁上測量保護電位隻能反映管道的整體保護水平，不能說明管道各點都得到了保護。采用近間距測量方式，是沿管道每隔1—2米測量一次管地電位，可以準确的檢測出沒有得到保護的管段。

4、陽極接地故障

陰極保護另一常見故障是由陽極接地引起的。陽極接地電阻與陽極地床的設計與施工質量密切相關。“凍土”會使陽極地床電阻增加幾倍至十幾倍，“氣阻”也會使陽極地床電阻增加。當陽極使用一段時間後，也會由于腐蝕嚴重，表面溶解不均勻造成電流障礙。因此，在陰極保護的儀器上會出現電位升高，而保護電流下降的現象。此時，應通過測量，更換或檢修陽極地床，來使陰極保護正常運行。另一薄弱環節，是陽極電纜線與陽極接頭處的密封與絕緣，若施工不妥則會造成接頭處的腐蝕與斷路。使陰極保護電流斷路而無法輸入給管道。

來源：天然氣智庫

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