城市燃气管网阴极保护系统失效分析

城市燃气管网阴极保护系统失效分析

卢二凯

广州燃气集团有限公司510000

摘要：城市燃气管道外防腐层在涂装、运输和安装过程中都会产生破损，管道埋设后防腐层老化、土壤应力、管道在地下的移动也会造成破损。由于缺陷或剥离处有较高的腐蚀速率，会导致管道的泄漏和破裂，因此防腐层和阴极保护联合使用才能真正保证管道的长寿命安全运行。管道阴极保护可通过两种方法实现，即牺牲阳极法和外加电流法，目前城市的燃气管道阴极保护系统大部分采用牺牲阳极法，材质且多选用镁合金牺牲阳极。尽管牺牲阳极法是一种简单可靠阴极保护方式，但随着城市建设步伐的加快，城市道路及旧城改造市政施工频繁，再加上通信电缆、电力、自来水、电网等的改造，城市燃气管网管理者经常会遇到原先运行良好的管道阴极保护系统突然失效的情况。

关键词：阴极保护；防腐层；牺牲阳极；电绝缘

前言

城市燃气管道建成后，管道的腐蚀将成为重要的问题。众所周知，管道防腐层与阴极保护技术相结合，可以有效防止管道因腐蚀导致破坏而发生燃气泄漏事故。随着运行年限的增加，燃气管道防腐层会出现老化、破损等问题，燃气管道阴极保护系统也会由于各种原因不能正常工作。本文根据笔者工程实践经验，将城市燃气管网牺牲阳极法阴极保护系统失效原因归纳为以下三点：①牺牲阳极的工作状态；②对管地电位测试方法及测得数值理解存在误区；③管网整体绝缘失效和局部管道接触故障。

1牺牲阳极工作状态

牺牲阳极自身应有足够负的稳定电位，以保持其具有足够大的驱动电压；同时牺阳极还要有较大的理论发生电量和高而稳定的电流效率。城区燃气管道阴极保护系统多选用镁合金牺牲阳极，但是在实际运行中大家容易忽视环境对镁阳极性能的影响。金属纯镁的电位很负易发生自腐蚀，要使其成为牺牲阳极我们必须添加一些合金元素使其自身腐蚀得以降低。镁阳极的电容量是由其化学成分决定的，但是镁阳极的电流效率会受到应用场所环境的影响。镁阳极一般适合在土壤电阻率在20～75Ω?m的地质条件使用，研究表明理想的状态下，镁合金阳极的电流效率一般可以达到50%左右，但镁阳极的电流效率会随周围环境的pH值减小而减小。此外镁阳极表面电流密度也影响其电流效率，镁阳极电流效率与表面电流密度关系曲线，如图1所示。

图1镁阳极电流效率与表面电流密度关系

曲线可以看出：当镁阳极表面电流密度增大时，其电流效率也随之提高。镁阳极安装一般是随着新建管道施工同步，由于城市建设的发展及地形地貌的变化，镁阳极的应用场所也变化的，换句话说镁阳极的实际电流效率（即便是初期）也很难到达50%。根据应用工程实践经验，影响城区燃气管道镁阳极实际发出电流的的因素有以下几点：①镁阳极投入运行后，随着时间推移自身不断消耗，其发出电流逐渐减小。当镁阳极剩余量是最初重量的15%时，镁阳极便被认为失效；②镁阳极周围土壤电阻率较高，导致阳极接地电阻较大，阳极实际发出电流减小；③当镁阳极处于地下水丰盈的环境，其周边的填包料极易分散渗透流失，使阳极回路电阻增大造成表面溶解困难，使其发出电流减小；④管道表面防腐层差或者管道突然出现防腐层破损（一般以第三方破坏居多）形成大的漏点，会加快镁阳极自身消耗，使其发出电流逐渐减小；⑤镁阳极与管道直接断路，镁阳极只是自腐蚀，无法为管道提供保护电流。

2对管地电位测试方法及测得数值理解存在误区

许多城市燃气管网的经营者常常会遇到这样的困惑，在日常的管理运行中测得管道保护电位虽然达到了规定的-0.85V的保护要求，但个别地段管道依然发生严重的腐蚀，其实这种现象本质上是由阴极保护失效引起的。一般来说燃气管道巡线员多采用简便易行管地电位测试方式如图2所示。

图2常用管地电位测量接线图

实际上这种测量管地保护电位得方式存在较大的IR降，由于IR降的存在使埋地管道测量到的电位数值完全失真，这也就解释了测得的管道保护电位满足了-0.85V，看似符合规范标准要求，但是管道仍然发生了腐蚀穿孔泄漏。减小IR降的影响是可以通过通电电位减去瞬时断电电位来获得，也可用瞬时通电电位减去管道自然电位来获得，只有测得管道的断电电位才是管道真实阴极保护电位。另外对于管道最大保护电位的上限值也应以测得的管道的断电电位为准，只要测得的管道断电电位（消除IR降）不超过-1.20V，通电电位数值稍负一些是允许的。我们如果只讲求测试方法的简便易行，不去考虑土壤IR降对测试电位的误差影响，那么我们会把已经失效的阴保系统误认为仍正常运行，从而威胁到管道的运营安全。为了尽量减小管道电位测量中IR降的影响，并结合GB/T21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》，建议在日常管理运行中采用极化探头替代硫酸铜参比电极获取管地保护电位如图3，把极化探头置于管道上方的土壤中，当闭合开关K时极化探头底部的钢盘就通过导线与燃气管道相连接并被阴极极化。当断开开关K时，极化电流被瞬间切断，此时便会测得管道的断电电位。3管网整体绝缘失效和局部管道接触故障

在燃气管网牺牲阳极阴极保护系统日常维护管理中，会出现阳极输出电流增大管道保护距离缩短或者管道保护的电位突然达不到标准要求的现象。发生上述现象的主要原因是：①燃气管网整体绝缘性失效；②燃气管网局部管道发生接触故障。

3.1管网整体绝缘失效

对于整个燃气管网的阴极保护系统来说，除了合理的设计方案、规范的施工工艺外，受保护的燃气管网与其它未保护的金属结构物之间的绝缘性能也是至关重要的，没有电绝缘就没有阴极保护。城市燃气管网系统的低压、中压、高压管道以及凝水缸、阀门井、调压站等附属设施遍及城市所有区域，要想保证绝对绝缘难度可想而知。对于已采取阴极保护措施的主管网，新加的分支钢制管道如果不准备实施阴保，必须做到与原主管网电绝缘；如果实施阴保可与原主管网做为一个整体考虑，但新加分支的末端需考虑电绝缘。居民小区庭院低压管网建议与中压主管网做电绝缘处理，原因是低压管道的防腐层的等级低，中压主管网的牺牲阳极电流流向低压管网，如果低压管网未采取牺牲阳极保护措施，这无形中增加了需要保护的管道数量，造成了牺牲阳极总体供应电流不足，会使中压主管网电位达不到要求。

3.2燃气管网局部管道发生接触故障

埋地燃气管网与未采取阴极保护的金属结构物“短路”，使得被保护管网的阴极保护电流流入非保护金属结构物；或者燃气管网某段管道突然出现大的防腐层破损点，使阴极保护电流突然增大，这些都会影响燃气管网阴保系统的正常运行。由于城市化进程加快，很多管道已处于城市中间或者边缘，第三方施工破坏经常会造成管道外防腐甚至管体损伤。当燃气管道与其他管道交叉时，如果管道之间垂直净距达不到要求且管道间未做特别绝缘，那么在土壤应力的作用下经过一段时间，管道间极易搭靠在一起会造成防腐层破损，如果恰巧裸露的金属部分接触，管道间便会形成短路。此外当穿越公路使用金属套管时，经常会发生输气主管与金属套管间的短路，这种短路不光会造成阴极保护电流流失，还会形成套管内输气管道阴极屏蔽得不到保护。

4结束语

牺牲阳极是由电位序列较负的金属材料制成，当它与被保护的管道连接时自身先发生消耗，从而抑制了管道的腐蚀。城市燃气管道经营者应按照国家及行业相关规范要求对区域燃气管网阴极保护系统检测，特别要加强对燃气管道附近施工地段及特殊环境地段的检测频率，同时保存管道保护电位的测量记录，以保证管网的整体阴极保护效果。如果遇到外来因素导致燃气管网阴极保护系统被破坏的情况，或是发现测量数据出现异常，应及时分析原因采取应对措施，使燃气管网阴极保护系统恢复到有效状态，从而延长运营燃气管网的使用年限。

参考文献

[1]NACESP0169-2013.埋地或水中金属管网外腐蚀控制.

[2]冯洪臣编著.管道阴极保护-设计、安装和运营[M].北京：化学工业出版社，2015.21.

[3]GB/T21246-2007.埋地钢质管道阴极保护参数测量方法.