阴极保护技术在衡水市南水北调配套工程中的应用
【摘要】埋地钢质管道的防腐措施主要有两种，一是防腐层技术，二是阴极保护技术。
本文以衡水市南水北调配套工程中某输水管道下穿铁路部位埋地钢管阴极保护设计为例，对该项技术的设计要点进行说明，期望对类似工程有借鉴意义。
毕业论文网 /2/view—12108394.htm 【关键词】钢制管道 阴极保护 带状镁阳极 1 工程概况 衡水市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第三设计单元某干线输水管道需下穿石济铁路客运专线，交叉角度900，穿越段主管材采用钢管（SP），外部加设钢筋混凝土套管保护，钢管与套管之间吹填中粗砂封闭。
根据地勘报告[1]，在干湿交替作用下，地表水试样PH值为3～11、（Cl—+SO42—）大于500mg/L，对钢结构具中等腐蚀性；地下水试样PH值为3～11、（Cl—+SO42—）含量为8438mg/L，对钢结构具强腐蚀性；管道埋设深度范围内表层约1.0m厚土壤电阻率为20～50Ω.m，对钢结构具中等腐蚀性，表层1.0m以下土壤电阻率小于20Ω.m，对钢结构具强腐蚀性。
2 管道采取阴极保护的必要性 根据腐蚀电池原理，原电池的阳极和阴极同处与电解质中，腐蚀电池作用的大小代表了腐蚀的速率，以公式[2]表达为： 式中：I—腐蚀电池作用时产生的电流；其值越大，金属的腐蚀量越大。
可见，为防止或减轻腐蚀，可从两个途径入手，一是使分子部分U阴—U阳差值为零，即阴、阳极间电位差为零，即阴极保护；或是使分母R→∞，可通过绝缘防腐层来实现，把管道和电解质（土壤）隔离，使R无穷大。
根据本穿越段管道周边环境水土的腐蚀特性、工程重要性及相关规范的要求，对钢管内、外表面分别采用水泥砂浆（内壁）和特加强级溶剂型环氧煤沥青（外壁）进行防腐。
考虑到管道外壁涂刷环氧煤沥青虽然能够有效地防止腐蚀介质对管道的腐蚀，但由于漆膜难以避免的存在针孔、破损、漏涂等缺陷和自然老化，影响其防腐效果，而阴极保护和环氧煤沥青保护层相结合，一方面可以防止防腐涂层破损处产生电蚀，另一方面涂层可大大降低阴极保护所需的极化电流，使得结构物表面的保护电位分布均匀，可以达到更好的保护效果，因此对穿越段钢管采用覆盖层防腐和阴极保护相结合的防腐措施是必要的。
3 阴极保护原理 金属腐蚀以腐蚀反应的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，电化学腐蚀是指金属和电解质发生电化学作用（腐蚀电池）而引起的金属损耗，绝大多数情况下金属的腐蚀属于电化学腐蚀。
在一定条件下，极化作用可降低金属的腐蚀速率，其中将被保护金属进行阴极极化以减小或防止其腐蚀的方法称为阴极保护法，可以通过强制电流法、牺牲阳极法等途径实现阴极极化过程。
根据托马晓夫三电极模型[3]，把腐蚀体系看做一个短路的二元电池（电极K—电极A），在其上连接第三电极（Zn），由于第三电极的接入，使得原来短路的二元电池发生了变化，新的电极Zn替代了A，向K提供电子，使A不再腐蚀，此为阴极保护。
三电极模型见图1。
图1 托马晓夫三电极模型 图a为腐蚀着的金属（K—A）和阳极（Zn）的接触；图b用来说明保护效应现象的等效三电极模型。
K为腐蚀电池的阴极，A为腐蚀电池的阳极（金属母体），Zn为第三电极。
4 阴极保护方法选择 阴极保护一般有牺牲阳极法和强制电流法两种：牺牲阳极法是用一种比被保护金属电位更负的金属或合金与被保护金属连接，其在电解液中因较活泼而优先溶解，释放出电流供被保护金属阴极极化以实现保护；强制电流法是由外部的直流电源直接向被保护金属通以阴极电流使之阴极极化，达到阴极保护的目的。
两种方法的优缺点见表1。
表1 阴极保护方法的优、缺点比较 方法 强制电流 牺牲阳极 优点 输出电流连续可调；保护范围大；不受环境电阻率限制；工程越大越经济；保护装置寿命长。
不需外接电源；对邻近构筑物无干扰或很小；投产调试后可不需要管理；工程越小越经济；保护电流分布均匀、利用率高。
缺点 需要外部电源；对邻近金属构筑物干扰大；维护管理工作量大。
高电阻率环境不宜使用；保护电流不可调；防腐层质量必须好；投产调试工作复杂；消耗有色金属。
综合以上比较分析，考虑到保护段长度较短，本工程选择牺牲阳极的阴极保护法。
5 阴极保护设计 5.1 牺牲阳极种类选择 通常根据环境（土壤或水）电阻率选择牺牲阳极的种类，再根据保护电流的大小来选取阳极的规格。
土壤中牺牲阳极选取的原则见表2。
表2 土壤中牺牲阳极种类的应用选择 可选阳极的种类 电阻率（Ω.m） 带状镁阳极、锌阳极 >100 镁（—1.7V） 60～100 镁 40～60 镁（—1.5V） 5.3 保护电流密度 对金属结构物施加阴极保护时，为达到规定的保护电位所施加的阴极极化电流称为保护电流。
相对金属结构物总表面积的单位面积上保护电流量称为保护电流密度。
为达到最小保护电位所施加的阴极极化电流密度称为最小保护电流密度。
阴极保护时，对金属结构物施加的电流密度不能小于最小保护电流密度，否则金属得不到保护，也不能过大，否则易发生过保护。
5.4 过程计算 （1）管道被保护面积 A=π×D×L 式中：A—为钢质管道被保护面积（m2）； D—为钢质管道外径（mm）； L—管道长度（m）。
本工程S=3.14×1.876×100=589.1（m2）。
（2）所需阴极保护电流 Ia=A×Cd×（1—E） 式中：Ia—阴极保护电流（mA）； Cd—为保护电流密度（mA/m2）； E—涂层效率，取E=98%。
本工程I=589.1×10×2%=117.82（mA）。
（3）按阳极工作寿命计算阳极用量 根据法拉第电解定律，阳极使用寿命T计算公式如下： 式中：T—阳极工作寿命，年； m—带状镁合金阳极的长度，m； U—阳极的利用系数，取为0.9[5]； β—电流效率，对带状镁阳极，取为0.5； e—阳极消耗率，m/（A.a）； Ia—阳极平均输出电流，A。
设计取T=15年，则m=15×8760×0.11782÷（330×0.9×0.5）=104.5（m）。
（4）按阳极实际发电量计算阳极用量 根据规范，本工程选用的带状镁阳极规格为9.5×19mm，根据现场勘查及沿线土壤电阻率测定，考虑现有涂层在较强腐蚀性土壤中的腐蚀程度，结合大口径供水管道的特点，取单位长度带状阳极发生电流i=3mA/m，则计算阳极长度=117.82÷0.5÷0.9÷3=87.3m。
综合以上计算分析，取带状镁阳极长度为105m。
5 结论 最小保护电流密度值通常由设计人员根据手册中的参考值或经验针对被保护金属结构物的环境和工况条件来选择，实际中应通过馈电试验进行验证和调整，在阴极保护系统投入运行时还需作最后的调整，最终仍取决于所产生的保护电位是否符合最小保护电位和保护电位范围的判据。
【参考文献】 [1] 河北省水利水电勘测设计研究院.衡水市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程第三设计单 元初步设计地质勘查报告[R].2014. [2] 胡士信，廖宇平，王怀兵.管道防腐层设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007：76—94.