浅谈阴保原理

浅谈阴极保护中电流屏蔽的形成原因和解决办法

（胜利油田胜利油建公司，山东刘景龙）

【摘要】在长输管道系统中往往在存在电流屏蔽区域，此区域腐蚀相对严重，本文着重分析在长输管道施工中形成电流屏蔽的原因及解决方法。

The location where has current shield will be corroded very badly in the pipeline system,the purpose of this article is to analyze the reason of current shield and to find the solution.

【关键词】原电池电流屏蔽负电位相对负电位游离离子

1概述

在长输管道修检过程中，往往发现在套管区域，混凝土固定墩及管道群密布的区域腐蚀比较严重，是造成油气泄漏的重灾区，给生产运行单位造成严重的经济损失及安全事故。在本文中，笔者结合实际工作经验，谈一谈长输管道埋地管线腐蚀的原因，并从设计、施工、管理等方面对加强防腐管理，加强管道保护措施进行探讨。

2腐蚀原因及阴极保护原理

2.1腐蚀的原因

腐蚀分为电化学腐蚀和化学腐蚀，以钢铁为例:钢铁在干燥的空气里长时间不易腐蚀，但潮湿的空气中却很快就会腐蚀。原因是在潮湿的空气里，钢铁的表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量的氢离子与氢氧根离子，还溶解了氧气等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。铁失去电子而被氧化.电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。除了电化学腐蚀外，还存在化学腐蚀，化学腐蚀是两物体之间的直接腐蚀，不存在电子的移动，腐蚀速度缓慢。

2.2阴极保护的原理

阴极保护是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种，前者是将一种电位更负的金属（如镁、铝、锌等）与被保护的金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。后者是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，从而使腐蚀得到抑制。牺牲阳极保护法相当于一个原电池，阳极（负极）被腐蚀阴极（正极）被保护，见图1。强制电流保护法相当于电解池，阳极附近发生氧化反应，阴极附近发生还原反应，见图2。

图1：原电池原理图2：电解池原理

3长输管道中阴极保护屏蔽的形成

阴极保护的屏蔽是由于保护电流无法到达被屏蔽的管道区域，使得阳极与管道屏蔽区域无法形成电流回路，使得管道屏蔽区域到不到保护。

笔者将在下述中建立简单模型来解释其内在原因。

3.1套管结构对长输管道的屏蔽

3.1.1管道在穿越河流，道路，房屋，铁路，及管道群时套管的屏蔽

在穿越河流，道路，房屋，铁路，及管道群时，常常需要将管道安装在金属套管或非金属套管中，以方便施工或对管道提供机械保护。采用套管时，将有以下情况发生：

1、管道与套管之间无任何电解液，只有干燥空气（理想化），并将套管口密封。在这种情况下，由于套管与管线之间有绝缘空气，所有不管套管采用金属套管还是非金属套管对阴极保护的影响是一样的。在这种情况下阴极保护电流完全被屏蔽，管线仅受大气腐蚀，这种腐蚀为化学腐蚀，没有电子移动，即使管道上有富裕电子，阴极保护不起作用，但腐蚀极慢。

但在实际中，这种理想化是不存在的，并且在穿管过程中容易造成防腐层的破坏。在管线破损处就会形成无数微小的原电池。这时有很多人认为：此时管线上有富裕电子，并且存在电化学腐蚀有电子的移动，阴极保护会起到保护作用。其实这种想法是不对的。

由于套管与管线存在绝缘，阴极保护电流无法到达此处，不能形成闭合回路，此时管线上的富裕电子在初期会与原电池中的游离的正离子结合，管线受到保护（此时，氧化反应与还原反应同时存在），但由于不能形成电流回路，游离的负离子不能转移出去，随着时间的推迟会使得原电池中管线破损处的游离负离子急剧增加，游离正离子急剧下降，使得原电池电位下降，到达一定程度时管线上的电子便很难与原电池中的游离正离子结合，相反由于原电池中的游离负离子增多会加速此处的管线腐蚀（此时，氧化远大于还原）。

图3：套管间无电气连接无电解液

2、管道与套管之间没有电气连接，但套管内有电解液或泥土。

此时，若套管为金属套管，阴极保护电流经过套管到达输送管道。在这种情况下，输送管线和套管外壁可以得到阴极保护。

图5：截面图

在此情况下，输送管线受到保护是显而易见的，不再赘述。重点探讨套管的腐蚀。由于电流由套管外向内移动，并且得电子被还原失电子被氧化，很多人会认为套管内侧被保护，外侧被氧化。其实这种观点是错误的，它忽视了在电解液中，电子是以游离负离子形式存在的。游离的负离子到达套管内侧，与套管发生氧化反应，套管内侧失去电子并将电子转移到套管外侧，套管外侧的溶解液得到电子，形成游离负离子并移动到远方大地。由此可见，套管内侧会加速腐蚀，外侧由于阴极保护作用会减缓腐蚀。

此时，若套管为非金属绝缘套管，套管内部不能与阳极形成电流回路，使套管内电解液中游离负离子增加，电位下降，阴极保护不起作用。

3、套管与输送管存在电气短路。此种情况只出现在套管为金属套管时。一旦金属套管与输送管发生电气短路，阴极保护电流沿着套管通过接触点返回输送管线。此时，如果套管与输送管线之间有电解液，输送管将发生严重腐蚀；即使没有电

解液，管线也得不阴极保护，并会严重消耗整个管线的富裕电子。

图6：套管与管线有电气短路

分析原因：由于金属套管和输送管线有电气连接，使得输送管线上的大量电子移动到金属套

管线

套管