牺牲阳极法阴极保护方案的探讨与设计
杨平修 韩恩会
摘要：通过高压输气管道牺牲阳极阴极保护法设计实践，从牺牲阳极阴极保护法设计主要参数确定、牺牲阳极种类和填充料的选择及牺牲阳极阴极保护法工艺计算进行了详细论述，并对牺牲阳极的组装与埋设、保护效果检测、保护参数测定进行了介绍。 关键词：牺牲阳极 阴极保护 效果检测
为了延长灌云县二期高压输气管线的使用寿命，确保长期正常运行，拟定对埋地敷设的钢质D323.9×6.3高压输气进行牺牲阳极保护，管线长度为62580米，保护面积为63647平方米。 1. 设计指标
2.1 有效保护期为20年；
2.2 在有效保护期内，被保护地下钢质管道的保护电位控制在-0.85V∽1.40V（相对于铜/饱和硫酸铜参比电极。下同）； 2.3 保护准则：
相对于饱和Cu/CuSO4参比电极的管道极化电位至少为850mV。管道表面与接触电解质的稳定饱和Cu/CuSO4参比电极之间的阳极极化电位差值最小为100mV。 2.4 有效保护期内，保护度大于90%；
2.5 有效保护期内，管道不会因土壤腐蚀而发生天然气泄漏事故。 2. 设计依据
3.1《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-1999;
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3.2《埋地钢质管道极阴极保护技术规范》GB/T21448-2008； 3.3《极阴极保护实施规范》CP1021 英国标准局； 3.4《长输管道阴极保护工程施工及验收规范》SYJ4006-90； 3.5《埋地钢质检查片腐蚀速率测试》SY/T0029-98； 3.6《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》SY/T0023-97 3.7《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2013； 3.8《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》SY0007-1999 3.9《阴极保护操作规程—陆上及海上阴极保护工程手册BS 7361 3.10 对输气管道沿线的现场调查和勘测资料。 3. 牺牲阳极阴极保护法设计主要参数的确定 4.1 土壤电阻率的测试
土壤电阻率直接决定阳极的种类与规格，本工程管道沿线分城区段、杨集段、图河段、燕尾港段进行土壤电阻率测试。土壤电阻率测试采用文纳四极法进行，根据测试结果本工程管道沿线土壤电阻率在10Ω.m∽30Ω.m之间，平均为17.5Ω.m。 4.2 阴极保护电流密度的选择
金属构件施加阴极保护时，使金属达到完全保护时所需要的电流为最小保护电流，在设计中称为阴极保护电流密度，保护电流密度是指被保护构筑物单位面积上 所需要的保护电流。由于管地电位有从阴极保护电流源向外逐渐递减的特征，在防腐蚀层质量相同的状况下，所耗费的保护电流也是一种递减过程，所以实际设计应用中的保护电流密度是一个平均值，其数值大小依据管道防腐蚀层状况不等。
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选取的阴极保护电流密度是金属构件防腐蚀效果的主要参数，它与最小保护电位（钢为-0.85V）相对应。该参数是阴极保护设计中必不可少的重要参数，其选择恰当与否直接影响到阴极保护效果。如果选取的保护电流密度偏低，会造成保护不足，金属构件达不到完全保护，产生不同程度的腐蚀；反之，将造成不必要的浪费。
阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、表面防腐涂料的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等等。这些因素的差异可使阴极保护电流密度由几个mA/㎡变化到数百个mA/㎡。
以牺牲阳极阴极保护系统为例，其直接与所需要的阳极数量成 正比关系，即如果该参数的选择不当可造成部分管段达不到保护效果或是投入成本成倍增加。影响保护电流密度的因素很多，主要有被保护构筑物的表面状况、环境条件和被保护金属的种类，因此针对特定的埋地钢质管道防腐涂层的老化规律和绝缘电阻值的变化速度是受许多因素的影响，如温度、介质的含水、含盐、PH值、微生物等客观因素和防腐涂层本身的材料、配方、结构和施工质量等主观因素作用的长期效应。选取适当的保护电流密度是阴极保护设计中一项关键且具有相当难度的工作。本方案根据国内外有关技术资料和实际工程经验，考虑到本工程所在地地下水位较高、穿越河流、公路较多等特点，选取阴极保护电流密度为i=1.05mA/㎡。 5. 牺牲阳极种类及阳极填充料的选择
目前，普遍使用的牺牲阳极材料有三种，即镁合金、锌合金和铝
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合金。镁合金牺牲阳极比重小、电位负，对钢的驱动电压大，适用于电阻率大于10Ω.m的土壤介质和淡水环境；铝合金牺牲阳极具有电容量大、重量轻、价格便宜、电位负等优点，在海洋工程中得到越来越多的应用，但这种材料在土壤环境中溶解性能差，阳极效率较低，所以目前在土壤中应用较少；锌合金牺牲阳极有足够负的电极电位，而且工作电位稳定，表面溶解均匀，电流效率高，发生电流具有的自调能力，适于海水和电阻率小于10Ω.m的土壤中应用。
本工程管道沿线土壤电阻率在10Ω.m∽30Ω.m之间，平均为17.5Ω.m。应采用镁合金牺牲阳极，其化学成分见表1。
表1 镁合金牺牲阳极化学成分
化学成分 Mg Al Zn Mn Fe Cu Si 含量（%) 余量 5.3∽6.7 2.5∽3.5 0.15∽0.6 <0.005 <0.02 <0.1 为了保证镁合金牺牲阳极输出电流稳定，提高阳极效率，降低阳极接地电阻，阻止阳极表面钝化层形成，阳极周围一定要填加严格按成份配比制成的填充料。镁合金牺牲阳极用的填充料主要由石膏粉、硫酸镁和膨润土组成，其重量百分比为25%、25%和50%。
根据本方案有效保护年限为20年的技术要求，以及实际的阴极保护应用情况，选用尺寸为700×（100+110）×105mm的长条形阳极，每支阳极重量为14kg，需用填充料50Kg。二者装入布袋之后，组成阳极填料包的外形尺寸为￠300×1000mm。 6 阳极使用寿命的核算
牺牲阳极使用寿命应与“技术指标”中的有效保护年限相对应，
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即阳极使用寿命应等于或略大于有效保护年限，否则会造成保护不足，使管道产生不同程度的腐蚀。
牺牲阳极有效使用寿命按下式计算：
Y ? gQ 1000 ? ? l ( 5)
8760I
fK式中：Y—牺牲阳极有效使用寿命，年； g—每支牺牲阳极重量，Kg；
If?—每支牺牲阳极平均发生电流量，mA；
? If?0.8If，
Q—牺牲阳极实际电容量，A.h/Kg；镁阳极为1110（A.h/kg）；
l—牺牲阳有效利用系数，本方案取0.7； K 将有关数据代入（5）式，求出阳极有效使用寿命为：
Y=21年
计算结果表明，该设计方案选用的镁合金牺牲阳极规格、型号及组装形式满足了设计技术要求。 7. 牺牲阳极法阴极保护设计工艺计算 7.1 埋地管线所需保护电流
I?i?S (1)
式中：I－埋地管线所需保护电流，mA; i－管线保护电流密度，mA/㎡； S－管线保护面积，㎡。
将管线保护电流密度，mA/㎡；管线保护面积，㎡。代入式（1）得埋地管线所需保护电流I=1.05×63647=66829mA。
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