金屬套管穿越對管道陰極保護的影響

摘要

介紹燃氣管道的電化學腐蝕機理和陰極保護原理。針對金屬套管與管道是否短路，套管內是否進水和土壤幾種情況，對金屬套管對陰極保護電流的屏蔽進行探討。

摘　要：介紹燃氣管道的電化學腐蝕機理和陰極保護原理。針對金屬套管與管道是否短路，套管內是否進水和土壤幾種情況，對金屬套管對陰極保護電流的屏蔽進行探討。

關鍵詞：燃氣管道；陰極保護；金屬套管；屏蔽

Influence of Metal Casing Crossing on Pipeline Cathodic Protection

Abstract：The electrochemical corrosion mechanism and the principle of cathodic protection of gas pipelines are introduced． For several cases such as whether metal casing and pipe are short．circuited．water and soil exist in the casing or not．the shielding of metal casing from cathodic protection currents is discussed

Keywords：gas pipeline；cathodic protection；metal casing；shielding

1　概述

隨著社會經濟的發展加速，經濟增長越來越多地需要油氣資源支持，于是管道建設速度逐步加快。管道穿越公路、鐵路的情況不可避免，尤其在東南沿海經濟較發達地區更為普遍。一般情況下，為了保護管道不受地基變化影響，需要在穿越位置安裝金屬套管對管道進行保護。但是金屬套管對管道的陰極保護將產生不利的影響，而且目前普遍采用的在金屬套管內安裝犧牲陽極的做法也存在一定的局限性。本文就金屬套管對陰極保護的影響以及金屬套管內犧牲陽極的局限性進行探討。

2　電化學腐蝕機理和陰極保護原理

①電化學腐蝕機理

將金屬放入電解質溶液中后，由于金屬帶有大量的電子，而電子又對水中的氫離子產生吸引作用，因此，將在金屬表面形成雙電層。受金屬結構差異以及所處環境的影響，金屬的不同部位相對于相同的參比電極的電位不同，見圖1。由于金屬表面各點的電位不同，有的位置電位為-0.56V，有的位置電位為-0.65V，造成金屬內部電子流動，失去電子部位的電位會更負形成陽極，得到電子部位的電位形成陰極，有了陰極、陽極、電解質溶液和金屬本身的電氣連接，則完整地構成了化學電池。電子流動的反方向就是電流方向，在電解質溶液中電流是從陽極流向陰極，而在金屬內部是從陰極流向陽極，進而在陽極位置發生電化學腐蝕。比如金屬離子(如鐵離子)與電解質溶液中的其他陰離子發生反應，生成腐蝕產物如Fe(OH)2，發生腐蝕。

金屬套管穿越對管道陰極保護的影響

②陰極保護原理

陰極保護是利用電位更低的金屬或通過外加電流的方式，迫使被保護金屬表面的電位降低到同一值，消除被保護金屬表面各點的電位差，從而達到阻止電子流動、防止腐蝕的。目的[1-2]。由于金屬相對于周圍的電解質溶液電位較低，電流從電解質溶液流向金屬，因此，帶正電的金屬離子(如鐵離子)不會離開金屬進入溶液中，此時的整塊金屬相當于陰極，金屬表面不存在電位差，在金屬表面不能形成化學電池，因此不會產生腐蝕，陰極保護原理見圖2。陰極保護的關鍵是保證電流從電解質溶液流向被保護物體，鎂陽極與管道之間在土壤(電解質溶液)中形成化學電池，鎂陽極電位比管道負，因此鎂陽極是陽極，管道是陰極，在土壤中電流由鎂陽極流向管道，而在管道內電流由管道流向鎂陽極，形成閉合循環，構成化學電池，因此陽極被腐蝕，陰極被保護。

3　金屬套管對陰極保護電流的屏蔽

對于長輸管道，大多數采用外加電流陰極保護。在穿越鐵路或者公路等可能造成地基結構發生變化的位置，一般采用金屬套管對管道進行保護，金屬套管的防腐質量一般很差，或穿越時金屬套管的外防腐層損壞很嚴重。由于金屬套管與管道之間存在空隙，阻礙了外加電流的流動，外加電流不能到達套管內的管道表面，也就是說，陰極保護電流被屏蔽[3-4]。目前的普遍做法是在套管內的管道外壁上纏繞柔性犧牲陽極，且與金屬套管進行絕緣，最后將套管兩端密封，防止土壤、水分進入套管，而這種方式的保護效果還有待進一步研究。下面對金屬套管與安裝了犧牲陽極的管道短路、沒短路兩種情況下的陰極保護效果進行分析。

3.1　金屬套管與管道沒有短路

①套管內沒有進水或土壤

在這種情況下，外加陰極保護電流不能到達管道表面，見圖3。管道外表面如果有凝析水，凝析水可充當陽極與陰極之間的電解質溶液，安裝在管道上的犧牲陽極會對管道起到一些保護作用。由于凝析水的電阻率很高，其保護效果還需要進一步研究。但是一般情況下相關規范要求在使用金屬套管的管道上安裝犧牲陽極，但是效果在業內沒有統一的意見。

金屬套管穿越對管道陰極保護的影響

②套管內進水或土壤

如果套管內進水或土壤，外加陰極保護電流穿過套管后通過套管內的水或土壤到達管道表面，對管道進行保護，見圖4。由于陰極保護電流從套管的外壁流入，則外壁相當于陰極受到保護，而套管內壁作為陰極保護電流流出端，相當于陽極受到腐蝕。金屬套管內部安裝的犧牲陽極相當于管道防腐層的一個漏點，將消耗部分外加陰極保護電流。套管內安裝的犧牲陽極性能不同以及套管穿越處與管道陰極保護站的距離不同，散失的陰極保護電流量會有所不同，陰極保護電流散失嚴重時，將影響套管附近管道的陰極保護。穿越處越靠近外加陰極保護站，所選的犧牲陽極電位越正，散失的電流越多。因此，如果在套管內安裝犧牲陽極，要選擇電位低的陽極材料，如鎂陽極。目前采用的鋅陽極或者鋁陽極，由于其自身電位較高，需要消耗較多的外加陰極保護電流，對管道的陰極保護有害無益。選擇低電位犧牲陽極時，有可能對套管內的管道提供一些保護，但外加陰極保護電流仍可以透過套管到達管道表面，因此，在使用金屬套管穿越位置可以不在管道上安裝犧牲陽極，因為其保護能力不能達到預期的效果。

金屬套管穿越對管道陰極保護的影響

3.2　金屬套管與管道短路

受土壤下沉以及管道自身蠕動的影響，套管與管道之間經常發生短路。套管與管道短路后，相當于管道防腐層有一個很大的漏點，消耗很多的陰極保護電流，經常造成套管附近很長一段管道得不到充分保護。

①套管內沒有進水或土壤

外加陰極保護電流到達套管后，沿套管流動并在管道與套管短路處匯入管道，見圖5。管道外表面如果有凝析水，安裝在管道上的犧牲陽極會起到一定的保護作用，但由于凝析水的電阻率很高，其保護效果還需要進一步研究。

金屬套管穿越對管道陰極保護的影響

②套管內進水或土壤

安裝在套管內管道上的犧牲陽極會對管道產生保護作用，但由于套管已經與管道短路，套管與管道相當于一個整體，犧牲陽極也同時保護套管內壁。如果管道防腐層漏點與犧牲陽極的間距大于犧牲陽極與套管的間距，那么到達防腐層漏點處的保護電流會很小，無法起到保護作用，大部分陰極保護電流會消耗在保護套管內壁上。由于套管內壁防腐層很差甚至沒有防腐層，將大量消耗犧牲陽極，因此，犧牲陽極將很快耗盡，不能達到預期的壽命，見圖6。