钢管阴极保护技术详解

考虑到大口径钢管采用顶管施工工艺，在顶管过程中管道外防腐层存在着表面擦伤，管道焊缝处涂层修补较差，顶管施工用的继接力环等各种附带装置焊接和切割时的高温烧损等情况，这些部分极易发生腐蚀。因此，考虑采用强制电流阴极保护技术。

（1）保护范围

保护范围自五号沟泵站起至严桥泵站止。全线为2根直径为3600mm的钢管平行敷设，管中心距为7.2m，单管总长度为26.99km，全线采用顶管法施工，管中心标高在-1.20～-8.50，全线设有63座顶管工作井与接收井，井间距在91～1060m不等，井为钢筋砼浇筑，其中25座井在施工完成后用土填埋，另有38座井不填土。

（2）阴极保护方法选择

阴极保护有牺牲阳极与强制电流两种保护方法。方法选择考虑的因素有：保护体的外防护层状况、工程规模的大小、环境条件和经济性等。

阴极保护方法的优缺点比较如表11-15。

表11-15 阴极保护方法的优缺点比较

（3）保护参数

①钢管最大保护电位为-1.25V（相对饱和Cu SO4电极），在外防腐层析氢电位以下。

②钢管最小保护电位为-0.85V。

③钢管保护电流密度为0.25m A／m2。

④设计保护年限为30年。

（4）保护站设置

强制电流阴极保护的保护长度按下式计算：

式中 L——单侧保护长度（m）；

ΔU——最大保护电位与最小保护电位之差（V）；

D——管道外径（m）；

Js——保护电流密度（A／m2）；

R——单位长度管道纵向电阻（Ω·m）；

式中 ρT——钢管电阻率（Ω·mm2／m）；

D′——钢管外径（mm）；

δ——钢管壁厚（mm）。

（5）辅助阳极(www.xing528.com)

辅助阳极应具有下列基本性能：消耗率低，并与环境或阳极氧化形成的腐蚀产物无关；极化低；良好的导电性及低的阳极电阻；足够的机械强度和稳定性；耐腐蚀，抗侵蚀；材料广，价格低廉。

（6）常用阳极材料

常用的阳极有高硅铸铁、石墨及钢铁阳极等。

①钢铁阳极。钢铁阳极是最普通的材料，其在腐蚀性介质中的耐蚀性能比其他阳极材料差，消耗率较大，并随电流密度的增加而加大，其消耗率在水中为10.0kg／（A·α），在土壤中为8.0kg／（A·α）。

钢铁阳极的优点是：在运行时电极上析出气体很少，不存在“气阻”问题；在土壤中，钢铁阳极的腐蚀产物不会对阳极对地电阻造成影响，且对降低附近环境的高电阻率有益；材料易得，价格低廉。

钢铁阳极在土壤中，其腐蚀产物会增大极化电阻，可通过回填焦炭渣来降低。

作为阳极材料，通常只是使用废旧钢铁。

②高硅铸铁阳极。高硅铸铁阳极耐酸腐蚀性好，但在碱性溶液中的化学稳定性差。高硅铸铁阳极的允许电流密度为5～80A／m2，消耗率应小于0.5kg／（A·α）。

对与高硅铸铁阳极连接的电缆接头的要求：牢固可靠；接触电阻小，应小于0.01Ω；密封性好，在强电解状态下不渗透电解质。

高硅铸铁阳极在一般土壤中使用，当在盐渍土、海滨土壤中应采用含铬高硅铸铁阳极。

③石墨阳极。石墨阳极宜经浸渍处理，浸渍材料有石蜡、亚麻油和树脂，经浸渍填充孔隙后，其消耗率大幅下降，可有效延长阳极寿命。

石墨阳极不应在密闭系统中使用，因为剥离下来的石墨颗粒会造成局部电偶腐蚀。表11-16是石墨在各种环境中的消耗率和电流密度参数。

表11-16 石墨阳极参数

（7）辅助阳极选择及埋设

含铬高硅铸铁阳极已被广泛应用在海水、海滨土壤以及含氯离子的土壤中。根据实际应用效果和经验，推荐采用含铬高硅铸铁阳极，其主要化学成分详见表11-17。高硅铸铁阳极允许电流密度为5～80 A／m2，一般消耗率＜0.5kg／（A·a），可采用深埋阳极地床方式。

表11-17 含铬高硅铸铁阳极材料主要化学成分 （%）

（8）辅助阳极地床填充料

在土壤环境中的阳极地床，为了避免“气阻”，延长阳极寿命，通常均采用碳素回填料，因碳素回填料具有下列性能：降低阳极／土壤接地电阻，良好的导电率，颗粒界面电阻低，有利于气体逸出及导通性。

碳素回填料有石油焦、冶金焦及天然和人工石墨渣等，含碳量应在85%以上，电阻率低，有利于阳极气体产物的释放。本工程拟采用焦炭渣，密度650～800kg／m3，干燥状态电阻率0.55Ω·cm，湿态电阻率0.15Ω·cm。

（8）恒电位仪

①对恒电位仪的技术性能要求：给定电位-0.50～-3.0V（连续可调），电位控制精度≤±10m A，输入阻抗≥1MΩ，绝缘电阻＞2MΩ（电源进线对地），抗交流干扰能力≥12V，耐电压≥1500V（电源线对机壳）。

②恒电位仪所需的直流输出电压：V=V极化+V土壤+V导线。其中，V极化为含克服高硅铸铁阳极与碳钢所组成的原电池的电动势，阳极极化和阴极极化值。V土壤为保护电流流过土壤时产生的电压降。V导线为保护电流在导线上产生的电压降。