1  管道的腐蝕機(jī)理

油氣管道埋地后，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(dǎo)致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(fù)的位置，電流從管道流出進(jìn)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(fā)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游動，但電子跑動速度大于離子游動速度，滯留的正離子便導(dǎo)致陽極電位正向偏移。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(dǎo)致電子積壓，所以陰極電位負(fù)向偏移。電子和正離子都朝陰極方向移動，但所經(jīng)路徑不同，在金屬管道中電子導(dǎo)電，在電解液中離子導(dǎo)電，在陰、陽極和電解液接觸面氧化還原反應(yīng)導(dǎo)電。

2  陰極保護(hù)原理

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

陰極保護(hù)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(jìn)行腐蝕控制的技術(shù)，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(hù)方式

當(dāng)電流流出金屬進(jìn)入電解液的時候，金屬是陽極，會發(fā)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，將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(fù)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(fù)的位置為陽極，發(fā)生腐蝕。施加外部電流后，外部電流最開始時流向管道表面電位較正的部位（陰極），隨著電流的流入，該部位電位負(fù)向偏移，從管道陽極部位流過來的電流逐步減小，隨著陰極電位的負(fù)向偏移，從陽極流過來的電流最后為零。當(dāng)外部施加的電流足夠大時，電流將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(hù)。

圖2 陰極保護(hù)等效電路

為迫使陰極保護(hù)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(hù)和外加電流陰極保護(hù)兩種方式。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及公眾對環(huán)境的重視，陰極保護(hù)的應(yīng)用越來越廣。從過去的船舶陰極保護(hù)，發(fā)展到今天管道、儲罐、橋梁、碼頭等都施加了陰極保護(hù)。該技術(shù)的推廣，延長了埋地管道等金屬設(shè)施的使用壽命，為安全運(yùn)營提供了保障。

文/馮洪臣，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)理事，陰極保護(hù)專家、高級工程師。

來源：《管道保護(hù)》

天然氣長輸管道陰極保護(hù)的運(yùn)行管理

一、陰極保護(hù)原理

陰極保護(hù)的原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面各點達(dá)到同一負(fù)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(xiàn)這一目的，即，犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。

1、犧牲陽極陰極保護(hù)是將電位更負(fù)的金屬與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去，使整個被保護(hù)金屬處于一個較負(fù)的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少產(chǎn)生腐蝕干擾，廣泛應(yīng)用于保護(hù)小型（電流一般小于1安培）或處于低土壤電阻率環(huán)境下（土壤電阻率小于100歐姆。米）的金屬結(jié)構(gòu)。如，城市管網(wǎng)、小型儲罐等。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料的報道，對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓(xùn)，認(rèn)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(hù)失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。本人認(rèn)為，產(chǎn)生該問題的主要原因是陽極成份達(dá)不到規(guī)范要求，其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設(shè)計犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)時，除了嚴(yán)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(hù)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(hù)金屬，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境。該方式主要用于保護(hù)大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長輸埋地管道，大型罐群等。

二、陰極保護(hù)投入前的準(zhǔn)備和驗收

（一） 陰極保護(hù)投入前對被保護(hù)管道的檢查

1、管道對地絕緣的檢查

從陰極保護(hù)的原理介紹，已得知沒有絕緣就沒有保護(hù)。為了確保陰極保護(hù)的正常運(yùn)行，在施加陰極保護(hù)電流前，必須確保管道的各項絕緣措施正確無誤。應(yīng)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(shè)施如閥門、抽水缸、閘井均應(yīng)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(yīng)有正確有效的絕緣處理措施。管道在地下不應(yīng)與其它金屬構(gòu)筑物有“短接”等故障。

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

2、管道導(dǎo)電性檢查

對被保護(hù)管道應(yīng)具有連續(xù)的導(dǎo)電性能。

3、舊管道對地絕緣狀態(tài)的檢查，應(yīng)按設(shè)計要求處理。對是否修補(bǔ)防腐涂層，排除接地故障（如防靜電接地極等），應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件比較確定。對管道導(dǎo)電性的檢查，仍需按前述要求進(jìn)行。

（二） 對陰極保護(hù)施工質(zhì)量的驗收

1、對陰極保護(hù)間內(nèi)所有電氣設(shè)備的安裝是否符合《電氣設(shè)備安裝規(guī)程》的要求，各種接地設(shè)施是否完成，并符合圖紙設(shè)計要求。

2、對陰極保護(hù)的站外設(shè)置的選材、施工是否與設(shè)計一致。對通電點、測試樁、陽極地床、陽極引線的施工與連接應(yīng)嚴(yán)格符合規(guī)范要求。尤其是陽極引線接正極，管道匯流點接負(fù)極，嚴(yán)禁電極接反。

3、圖紙、設(shè)計資料齊全完備。

三、陰極保護(hù)投入運(yùn)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(huán)境有一個比較詳盡的了解，這些資料均需分別記錄整理，存檔備用。

2、陰極保護(hù)站投入運(yùn)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(hù)電位、保護(hù)距離等。然后根據(jù)所測保護(hù)電位，調(diào)整通電點電位至規(guī)定值，繼續(xù)給管道送電使其完全極化（通常在24小時以上）。再重復(fù)第一次測試工作，并做好記錄。若個別管段保護(hù)電位過低，則需再適當(dāng)調(diào)節(jié)通電點電位至滿足全線陰極保護(hù)電位指標(biāo)為止。

3、保護(hù)電位的控制

各站通電點電位的控制數(shù)值，應(yīng)能保證相鄰兩站間的管段保護(hù)電位達(dá)到-0.85伏，同時，各站通電點最負(fù)電位不允許超過規(guī)定數(shù)值。調(diào)節(jié)通電點電位時，管道上相鄰陰極保護(hù)站間加強(qiáng)聯(lián)系，保證各站通電點電位均衡。

4、當(dāng)管道全線達(dá)到最小陰極保護(hù)電位指標(biāo)后，投運(yùn)操作完畢。各陰極保護(hù)站進(jìn)入正常連續(xù)工作階段。

四、陰極保護(hù)站的日常維護(hù)管理

1、陰極保護(hù)設(shè)施的日常維護(hù)

電氣設(shè)備定期技術(shù)檢查。電氣設(shè)備的檢查每周不得少于一次，有下列內(nèi)容：

1）檢查各電氣設(shè)備電路接觸的牢固性，安裝的正確性，個別元件是否有機(jī)械障礙。檢查接接陰極保護(hù)站的電源導(dǎo)線，以及接至陽極地床、通電點的導(dǎo)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(guī)定接好，當(dāng)交流回路中的熔斷器保險絲被燒毀時，應(yīng)查明原因及時恢復(fù)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(shù)值，與前次記錄（或值班記錄）對照是否有變化，若不相同，應(yīng)查找原因，采取相應(yīng)措施，使管道全線達(dá)到陰極保護(hù)。

4）應(yīng)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(jié)要注意防雷。

5）搞好站內(nèi)設(shè)備的清潔衛(wèi)生，注意保持室內(nèi)干燥，通電良好，防止儀器過熱。

2、恒電位儀的維護(hù)。

1）陰極保護(hù)恒電位儀一般都配置兩臺，互為備用，因此應(yīng)按管理要求定時切換使用。改用備用的儀器時，應(yīng)即時進(jìn)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、印刷電路板等。

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）清潔內(nèi)部，除去外來物。

4）發(fā)現(xiàn)儀器故障應(yīng)及時檢修，并投入備用儀器，保證供電。每年要計算開機(jī)率。

3、硫酸銅電極的維護(hù)。

1）使用定型產(chǎn)品或自制硫酸銅電極，其底部均要求做到滲而不漏，忌污染。使用后應(yīng)保持清潔，防止溶液大量漏失。

2）作為恒定電位儀信號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(yán)防凍結(jié)和干涸，影響儀器正常工作。

3）電極中的紫銅棒使用一段時間后，表面會粘附一層蘭色污物，應(yīng)定期擦洗干凈，露出銅的本色。配制飽和硫酸銅溶液必須使用純凈的硫酸銅和蒸餾水。

4、陽極地床的維護(hù)。

1）陽極架空線：每月檢查一次線路是否完好，如電桿有無傾斜，瓷瓶、導(dǎo)線是否松動，陽極導(dǎo)線與地床的連接是否牢固，地床埋設(shè)標(biāo)志是否完好等。發(fā)現(xiàn)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(hù)電流時，應(yīng)該更換陽極地床或進(jìn)行維修，以減小接地電阻。

5、測試樁的維護(hù)。

1）檢查接線柱與大地絕緣情況，電阻值應(yīng)大于100千歐，用萬用表測量，若小于此值應(yīng)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(yīng)每年定期刷漆和編號。

3）防止測試樁的破壞丟失，對沿線城鄉(xiāng)居民及兒童作好愛護(hù)國家財產(chǎn)的宣傳教育工作。

6、絕緣法蘭的維護(hù)。

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

2）對有附屬設(shè)備的絕緣法蘭（如限流電阻、過壓保護(hù)二極管、防雨護(hù)罩等）均應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)管理工作，保證完好。

3）保持絕緣法蘭清潔、干燥，定期刷漆。

7、陰極保護(hù)管理

1）每條陰極保護(hù)管道，都應(yīng)制符合本管道實際情況的《陰極保護(hù)運(yùn)行管理規(guī)定》，使陰極保護(hù)的日常測試、控制、調(diào)整、維修等方面的工作均按此進(jìn)行。

2）加強(qiáng)陰極保護(hù)的組織、領(lǐng)導(dǎo)。保持室內(nèi)設(shè)備整潔，達(dá)到無故障、無缺陷、無銹蝕、無外來物。實現(xiàn)三圖上墻，即線路走向圖、保護(hù)電位曲線圖、崗位責(zé)任制。

3）陰極保護(hù)站投產(chǎn)后，電氣設(shè)備接線不得擅自改動，需要改變的應(yīng)由主管部門作出方案，經(jīng)批準(zhǔn)后方能執(zhí)行。

4）每日檢查測量通電點電位，填寫好運(yùn)行日志，向生產(chǎn)調(diào)度部門匯報陰極保護(hù)站運(yùn)行情況。

5）陰極保護(hù)站向管道輸送電不得中斷。停運(yùn)一天以上須報主管部門備案。利用管道停電方法調(diào)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(guī)定值，沿管道測定陰極保護(hù)電位，此種測量在陰極保護(hù)站運(yùn)行初期每周一次，以后每兩周或一月測量一次。并將保護(hù)電位測量記錄造表、繪圖上報主管部門。

7）每年在規(guī)定時間內(nèi)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(dá)到完全的陰極保護(hù)。

五、陰極保護(hù)系統(tǒng)常見故障的分析

1、保護(hù)管道絕緣不良，漏電故障的危害

在陰極保護(hù)站投入運(yùn)行，或犧牲陽極保護(hù)投產(chǎn)一段時間后，出現(xiàn)了在規(guī)定的通電點電位下，輸出電流增大，管道保護(hù)距離卻縮短的現(xiàn)象，或者在犧牲陽極系統(tǒng)中，犧牲陽極組的輸出電流量增大，其值已超過管道的保護(hù)電流需要，但保護(hù)電位仍達(dá)不到規(guī)定指標(biāo)的現(xiàn)象。發(fā)生上述情況的原因，主要是被保護(hù)金屬管道與未被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物“短路”，這種現(xiàn)象稱之為陰極保護(hù)管道漏電，或者叫做“接地故障”。接地故障，使得被保護(hù)管道的陰極保護(hù)電流流入非保護(hù)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(hù)電流的增大；陰極保護(hù)電源的過負(fù)荷和陰極保護(hù)引起的干擾。

另外，陽極地床斷路、陰極開路、零位接陰斷路都會導(dǎo)致陰極保護(hù)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(hù)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，將恒電位儀開啟，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(xiàn)象。

（2）將恒電位儀機(jī)后陽極輸出線斷開，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(yīng)設(shè)置接線用水泥井或標(biāo)志。

2、造成管道漏電的原因

（1）施工不當(dāng)，交叉管道間距不合規(guī)范，即當(dāng)兩條管道，一條為陰極保護(hù)的管道，另一條為未保護(hù)的管道交叉時，施工要求應(yīng)保持管道間的垂直凈距不小于0.3m，并在交叉點前后一定長度內(nèi)將管道作特別絕緣，如果施工時不嚴(yán)格按照上述規(guī)定去做，那么在管道埋設(shè)一段時間后，在土壤應(yīng)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(zhì)量欠佳，在使用一段時間后絕緣零件受損或變質(zhì)，使法蘭不再絕緣，從而使得兩法蘭盤側(cè)不再具有絕緣性能，陰極保護(hù)電流也就不再有限制；或者是輸送介質(zhì)中有一些電解質(zhì)雜質(zhì)使絕緣法蘭導(dǎo)通，不再具有絕緣性能。從上述原因看，漏電點只可能發(fā)生在保護(hù)管道與非保護(hù)管道的交叉點，或保護(hù)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(wǎng)復(fù)雜，被保護(hù)管道與多條和線有交叉穿越，則使得漏電點的查找出現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象。常常要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，反復(fù)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，從而確定管道的漏電點或短接點的方法。此方法首先將脈沖信號送到被測管道上，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，電流將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將產(chǎn)生明顯的電位梯度。當(dāng)探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時，伏特計將明顯的抖動，當(dāng)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(zhǔn)確，是目前國際上公認(rèn)的檢漏方法（DCVG）。

（2）可利用測定管內(nèi)電流大小的方法尋找漏電點。因為無分支的陰極保護(hù)管道，管內(nèi)電流是從遠(yuǎn)端流向通電點。當(dāng)非保護(hù)管道接入后就會形成分支電路，使保護(hù)電流經(jīng)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(bǔ)償法（詳見有關(guān)說明）測定管內(nèi)電流。再通過比較各點電流的大小來確定漏電點的電位。

（3）絕緣法蘭漏電的測定。當(dāng)絕緣法蘭漏電而導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)故障時，則可通過在絕緣法蘭兩側(cè)管段上，分別測量管地電位，若保護(hù)側(cè)為保護(hù)電位，非保護(hù)側(cè)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(hù)側(cè)測法蘭端部的對地電位，如此電位比非保護(hù)管道或其它金屬構(gòu)筑物的電位要負(fù)，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(hù)端一側(cè)，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(hù)電位只能反映管道的整體保護(hù)水平，不能說明管道各點都得到了保護(hù)。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(zhǔn)確的檢測出沒有得到保護(hù)的管段。

4、陽極接地故障

陰極保護(hù)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(shè)計與施工質(zhì)量密切相關(guān)。“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(dāng)陽極使用一段時間后，也會由于腐蝕嚴(yán)重，表面溶解不均勻造成電流障礙。因此，在陰極保護(hù)的儀器上會出現(xiàn)電位升高，而保護(hù)電流下降的現(xiàn)象。此時，應(yīng)通過測量，更換或檢修陽極地床，來使陰極保護(hù)正常運(yùn)行。另一薄弱環(huán)節(jié)，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(hù)電流斷路而無法輸入給管道。