金属套管穿越对管道阴极保护的影响_配套专业

摘要

介绍燃气管道的电化学腐蚀机理和阴极保护原理。针对金属套管与管道是否短路，套管内是否进水和土壤几种情况，对金属套管对阴极保护电流的屏蔽进行探讨。

摘　要：介绍燃气管道的电化学腐蚀机理和阴极保护原理。针对金属套管与管道是否短路，套管内是否进水和土壤几种情况，对金属套管对阴极保护电流的屏蔽进行探讨。

关键词：燃气管道；阴极保护；金属套管；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

随着社会经济的发展加速，经济增长越来越多地需要油气资源支持，于是管道建设速度逐步加快。管道穿越公路、铁路的情况不可避免，尤其在东南沿海经济较发达地区更为普遍。一般情况下，为了保护管道不受地基变化影响，需要在穿越位置安装金属套管对管道进行保护。但是金属套管对管道的阴极保护将产生不利的影响，而且目前普遍采用的在金属套管内安装牺牲阳极的做法也存在一定的局限性。本文就金属套管对阴极保护的影响以及金属套管内牺牲阳极的局限性进行探讨。

2　电化学腐蚀机理和阴极保护原理

①电化学腐蚀机理

将金属放入电解质溶液中后，由于金属带有大量的电子，而电子又对水中的氢离子产生吸引作用，因此，将在金属表面形成双电层。受金属结构差异以及所处环境的影响，金属的不同部位相对于相同的参比电极的电位不同，见图1。由于金属表面各点的电位不同，有的位置电位为-0.56V，有的位置电位为-0.65V，造成金属内部电子流动，失去电子部位的电位会更负形成阳极，得到电子部位的电位形成阴极，有了阴极、阳极、电解质溶液和金属本身的电气连接，则完整地构成了化学电池。电子流动的反方向就是电流方向，在电解质溶液中电流是从阳极流向阴极，而在金属内部是从阴极流向阳极，进而在阳极位置发生电化学腐蚀。比如金属离子(如铁离子)与电解质溶液中的其他阴离子发生反应，生成腐蚀产物如Fe(OH)2，发生腐蚀。

金属套管穿越对管道阴极保护的影响

②阴极保护原理

阴极保护是利用电位更低的金属或通过外加电流的方式，迫使被保护金属表面的电位降低到同一值，消除被保护金属表面各点的电位差，从而达到阻止电子流动、防止腐蚀的。目的[1-2]。由于金属相对于周围的电解质溶液电位较低，电流从电解质溶液流向金属，因此，带正电的金属离子(如铁离子)不会离开金属进入溶液中，此时的整块金属相当于阴极，金属表面不存在电位差，在金属表面不能形成化学电池，因此不会产生腐蚀，阴极保护原理见图2。阴极保护的关键是保证电流从电解质溶液流向被保护物体，镁阳极与管道之间在土壤(电解质溶液)中形成化学电池，镁阳极电位比管道负，因此镁阳极是阳极，管道是阴极，在土壤中电流由镁阳极流向管道，而在管道内电流由管道流向镁阳极，形成闭合循环，构成化学电池，因此阳极被腐蚀，阴极被保护。

3　金属套管对阴极保护电流的屏蔽

对于长输管道，大多数采用外加电流阴极保护。在穿越铁路或者公路等可能造成地基结构发生变化的位置，一般采用金属套管对管道进行保护，金属套管的防腐质量一般很差，或穿越时金属套管的外防腐层损坏很严重。由于金属套管与管道之间存在空隙，阻碍了外加电流的流动，外加电流不能到达套管内的管道表面，也就是说，阴极保护电流被屏蔽[3-4]。目前的普遍做法是在套管内的管道外壁上缠绕柔性牺牲阳极，且与金属套管进行绝缘，最后将套管两端密封，防止土壤、水分进入套管，而这种方式的保护效果还有待进一步研究。下面对金属套管与安装了牺牲阳极的管道短路、没短路两种情况下的阴极保护效果进行分析。

3.1　金属套管与管道没有短路

①套管内没有进水或土壤

在这种情况下，外加阴极保护电流不能到达管道表面，见图3。管道外表面如果有凝析水，凝析水可充当阳极与阴极之间的电解质溶液，安装在管道上的牺牲阳极会对管道起到一些保护作用。由于凝析水的电阻率很高，其保护效果还需要进一步研究。但是一般情况下相关规范要求在使用金属套管的管道上安装牺牲阳极，但是效果在业内没有统一的意见。

金属套管穿越对管道阴极保护的影响

②套管内进水或土壤

如果套管内进水或土壤，外加阴极保护电流穿过套管后通过套管内的水或土壤到达管道表面，对管道进行保护，见图4。由于阴极保护电流从套管的外壁流入，则外壁相当于阴极受到保护，而套管内壁作为阴极保护电流流出端，相当于阳极受到腐蚀。金属套管内部安装的牺牲阳极相当于管道防腐层的一个漏点，将消耗部分外加阴极保护电流。套管内安装的牺牲阳极性能不同以及套管穿越处与管道阴极保护站的距离不同，散失的阴极保护电流量会有所不同，阴极保护电流散失严重时，将影响套管附近管道的阴极保护。穿越处越靠近外加阴极保护站，所选的牺牲阳极电位越正，散失的电流越多。因此，如果在套管内安装牺牲阳极，要选择电位低的阳极材料，如镁阳极。目前采用的锌阳极或者铝阳极，由于其自身电位较高，需要消耗较多的外加阴极保护电流，对管道的阴极保护有害无益。选择低电位牺牲阳极时，有可能对套管内的管道提供一些保护，但外加阴极保护电流仍可以透过套管到达管道表面，因此，在使用金属套管穿越位置可以不在管道上安装牺牲阳极，因为其保护能力不能达到预期的效果。

金属套管穿越对管道阴极保护的影响

3.2　金属套管与管道短路

受土壤下沉以及管道自身蠕动的影响，套管与管道之间经常发生短路。套管与管道短路后，相当于管道防腐层有一个很大的漏点，消耗很多的阴极保护电流，经常造成套管附近很长一段管道得不到充分保护。

①套管内没有进水或土壤

外加阴极保护电流到达套管后，沿套管流动并在管道与套管短路处汇入管道，见图5。管道外表面如果有凝析水，安装在管道上的牺牲阳极会起到一定的保护作用，但由于凝析水的电阻率很高，其保护效果还需要进一步研究。

金属套管穿越对管道阴极保护的影响

②套管内进水或土壤

安装在套管内管道上的牺牲阳极会对管道产生保护作用，但由于套管已经与管道短路，套管与管道相当于一个整体，牺牲阳极也同时保护套管内壁。如果管道防腐层漏点与牺牲阳极的间距大于牺牲阳极与套管的间距，那么到达防腐层漏点处的保护电流会很小，无法起到保护作用，大部分阴极保护电流会消耗在保护套管内壁上。由于套管内壁防腐层很差甚至没有防腐层，将大量消耗牺牲阳极，因此，牺牲阳极将很快耗尽，不能达到预期的寿命，见图6。