接地系统对管道/储罐阴极保护的影响与解决方案

张雯

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 电化学腐蚀的定义

金属腐蚀中，比较常见的破坏形式是电化学腐蚀。电化学腐蚀主要是指在金属与电解质溶液中出现电化学反应后，产生了大量的电流，随着电流的增加，腐蚀情况也会越来越严重。在同一金属的表面上，发生腐蚀后，阳极为金属，释放大量的电子，并在溶液中与氧化剂获取电子。

腐蚀电池的主要组成包括电路、电解质溶液、阳极和阴极等部分，这几部分一起构成了腐蚀电池工作的重要环节，即阳极过程、阴极过程、电子与离子的移动等。

腐蚀原电池的组成如下：（1）阳极。阳极会出现金属腐蚀或损失的情况，使电子得以释放。（2）阴极。阴极很少有腐蚀的情况发生，甚至不会出现腐蚀，主要对电子进行接收。（3）金属通道。使用导线连接阴、阳极，创造电子流动的通道。（4）电解质。在相同的电解质溶液中存在阴极和阳极。

2 阴极保护简介

2.1 阴极保护的原理

接通腐蚀电池电路后，在电流作用下，电极电位出现与平衡电位偏离的现象称之为是极化。阴极极化主要是指在阴极电流作用下，阴极电位会出现向负方向移动的现象；阳极极化主要是指在阳极电流作用下，阳极电位会出现向正方向移动的现象。

造成阴极极化的主要原因为阴极还原过程的速度比电子从阳极到阴极迁移的速度小，使大量的带有负电荷的电子积累到阴极表面；造成阳极极化的主要原因为金属溶解过程的速度比电子从阳极到阴极迁移的速度小，使阳极表面上堆积了大量的正电荷金属离子。在阳极极化和阴极极化的影响下，阳极和阴极间的电池电位差或电动势出现减少的情况，在电池电阻不出现明显变化的情况下，电流强度出现降低的现象。所以，极化现象会使腐蚀电池工作出现被阻止与延缓的情况。

2.2 阴极保护参数

在阴极保护中，对金属构筑物是否被完全保护是通过保护电位判定的，其参考值为使用参比电极对金属的保护电位进行测量所得的数值。通过合理改变保护电流密度，使其达到所设定的保护电位要求。因此，影响阴极保护的关键性参数分别为保护电流密度和保护电位。

2.2.1 保护电位

在阴极保护的前提下，金属忽略腐蚀或者终止腐蚀后，所需要的电位值即保护电位。只有被保护金属极化达到特定的状态后，金属腐蚀才能被彻底停止，在该状态下，金属表面上最活跃的阳极点的初始电位即该状态的电位值。对于钢构筑物来说，铁在特定的电解质中溶解以后出现的平衡电位即该状态的电位。所以，要获得铁的保护电位，只需获得铁的平衡电位。

对于电阻率比较高的介质，在其中开展保护电位测量工作时，IR降的误差会比较大。为此，国内外的相关标准对钢铁构筑物保护电位的规定进行了以下的补充规定：

1）将保护电流全部中断后，对IR降产生的误差进行有效去除，实现对钢铁构筑物的极化电位的准确测量。同时对相对饱和硫酸铜参比电极的负向极化电位进行了规定，其取值要保持在-0.85 V以上。

2）中断电流法。将0.5 s电流中断后，实现对断电电位的高效检测，以此为基础使被保护物实现极化。4 h以后，认真检测电位的衰减值与基准值之间的差，如果其取值保持在100 mV以上，即视为合格。

2.2.2 保护电流密度

保护电流密度主要是指在单位面积上被保护结构需要的保护电流。保护电流密度会受到很多不同因素的制约，金属的表面状态、介质条件等都会给保护电流密度的大小带来直接的影响。在不同类型钢构物埋地情况下，保护电流密度的具体取值情况见表1。

表1 不同类型钢构筑物埋地情况下的保护电流密度值

2.3 阴极保护方式

2.3.1 牺牲阳极

将另一电极连接到已经发生腐蚀的电池体系里，该电极电位会出现相对负的情况，新电极与原有的腐蚀电池共同构成新的宏观电池，新电池的阳极是该相对负的电极，阴极为原有的腐蚀电池，在外加阳极的溶解作用下，产生的阴极电流对原电池的功能进行了阴极保护。这个相对负的电极即牺牲阳极，在电流流动的作用下，会消耗大量的牺牲阳极材料。牺牲阳极材料主要包括锌和锌合金、镁和镁合金、铝合金。

牺牲阳极法比较简单，优势为不会给邻近金属设施造成不良的影响、电流分散能力比较强、无须安排专人负责管理，且施工比较简便。所以，牺牲阳极法在阴极保护中的使用范围较广。

2.3.2 外加电流

被保护的金属构筑物出现的阴极极化主要由外部的直流电源施加而实现的，使金属腐蚀问题得到彻底的解决，即外加电流法。结合该原理不难发现，外加电流阴极保护系统主要由辅助阳极、电源和被保护的阴极构成。

1）电源设备的基本设置。对于外加电流阴极保护系统，直流电源需要的供给保护用的电流需要具备较强的可靠性和稳定性。在工程实践中，电源设备的种类非常多，最为常见的有大容量蓄电池组、风力发电机、太阳能电池、热电发生器（TEG）、密闭循环蒸气发电机（CCVT）、整流器和恒电位仪等。

2）辅助阳极的基本设置。对于外加电流阴极保护系统，与直流电源正极相连接的电极被称为辅助阳极。其所发挥的主要作用是外加阴极电流在阳极介质的作用下，及时流入被保护体中，高效组成电流的贯通回路。辅助阳极的各项性能会给阴极保护效果带来直接的影响，所以，要合理地选择阳极材料。

外加电流法的生命力非常强，发展速度也较快，其在港口设施、地下管线和船舶等方面得到了广泛的使用。外加电流法的优势体现为随着工程量的增加，成本投入减少、保护装置使用时间延长和保护范围增加。

3 接地系统对阴极保护的影响

3.1 防雷接地

防雷接地是外部防雷系统的重要组成部分，雷击时产生的雷电流，经过埋设于地下的导体释放到大地中，避免集中聚集破坏性雷电能量。

在设置接地装置时，其自然接地极可设置为与大地接触的各种金属构件、金属管道和钢筋混凝土建筑物等；也可使用专门的人工接地极，如专门的金属线材、金属网等。目前大部分工程中，出于成本与效果考虑，多使用铜和热镀锌的钢材作为人工接地体。

3.2 接地系统与阴极保护系统间的矛盾

接地系统的地下构筑物互相联结，将电击的风险降到最低。管道阴保系统的构筑物互相联结，对阴极保护电流的需求量非常大。裸铜线作为接地导体时，阴极保护电流需求量增加到20多倍，90%以上的阴极保护电流被铜制接地体所消耗。工程项目沟通不畅，区域阴保系统与接地系统单独存在。最佳接地材料为铜接地导体，其耐腐蚀、导电性良好。

3.3 接地系统与阴极保护互相影响的防护方法

3.3.1 电绝缘装置

在项目实践中，接地系统与储罐和埋地管道保持电气相连，裸金属是主要的接地材料，使阴极保护电流被大量消耗，出现了异常情况。使用电气隔离的方法处理接地系统与被保护的金属设施，可解决阴极保护电流的流失问题，使二者在雷电/浪涌状态中实现高效的连通，保证接地系统的正常运行。

工程中实现电气隔离的方法为在接地系统及储罐/埋地管道之间埋设电绝缘装置。常用的电绝缘装置如下：

1）固态解耦器：隔直流通交流，直流电流导通的阈值比较小，主要功能为防闪电和防浪涌，调整该阈值可实现直流电流单向导通。

2）火花间隙：在正常状态下，交、直流不会出现导通的现象，超过跳火电压时交、直流电流能够实现较好地导通，然而残压比较高，交流电流无法有效通过，仍然可以达成较良好的防浪涌、防雷电作用。

3）氧化锌避雷器：与火花间隙比较接近，交、直流电流若要导通，导通电压需超过跳火电压，与火花间隙不同的是，未跳火之前有很小的泄漏电流。

3.3.2 联合保护

需把项目现场的接地极、埋地金属物当作一个整体开展联合保护工作，在设计接地系统的过程中，首选适合于阴极保护系统的接地材料，使储罐和埋地管道的影响降到最低。

在设计联合保护的阴极保护系统时，难点表现为阳极接地层的布置和阴极保护电流大小的确定。在确定阴极电流量时，使用的方法有：（1）结合以往的经验，对埋地金属结构需要的阴极保护电流密度进行科学估算，计算得出的阴极保护电流密度与被该系统保护的金属结构的总面积相乘，从而获取所需电流；（2）在供电现场完成试验工作，将临时阴极保护系统安装到项目现场测试区域，在确定被保护构筑物的接地电阻时，以构筑物的电位变化情况为依据，实现对阴极电流的准确计算[1]。

早期设计阳极层时，以自身积累的经验为依托，使工作效率普遍偏低。在进入信息化时代后，使用数值模拟法实现了对阳极层设计的优化和升级。

3.4 接地系统与阴极保护的配合应用

3.4.1 管道的接地与阴极保护配合

在安装防雷和接地时，将其安装到防雷接地极的电火花间隙位置，使防雷过程中的阴极保护系统得以高效的保护。在通常情况下，管道连接状态下的电火花间隙始终处于开路状态，不会给油气管道的阴极保护系统造成任何不良影响。油气管被雷击以后，会出现不同程度的故障，间隙被击穿后，管道上的过电压会被快速带入大地中，使管道免受雷击的伤害。

3.4.2 储罐的接地与阴极保护配合

1）防雷接地极为直接安装的阴极来保护阳极，使单极双用的效果得以实现。牺牲阳极阴极保护的过程中，阳极接地电阻不会超出防雷接地的范围，阳极连接电缆的截面也会比规范中要求的数值大，使接地保护电极和阴极保护阳极的双重作用得以实现。

2）将一层防渗膜粘贴到新建的罐体下方，在防渗膜中设置阳极，在防渗膜外设置接地电极。分开阴极保护用的阳极与接地电极，使接地电极中不会有阴极保护电子存在，使油液不会从罐底出现泄露的问题，避免地下水污染问题[2]。

3）将放电间隙设置在建成的储罐避雷针接地极与储罐管体的连接线上，一般情况下，放电间隙会保持开路状态，使阴极保护电子不会发生从阳极流向接地电极的现象。雷击出现过电压以后，击穿放电间隙，使通路得以形成，雷击的过电流被全部释放到大地中。

4 结语

对于目前的工程项目来说，地下管道的腐蚀保护逐渐成为每个项目中必须提到的要求。在设计工程项目的电气和腐蚀保护的过程中，要协调阴极保护系统与电气防雷接地系统的设计工作，防止二者之间出现任何不良问题。

在石油化工工程项目中，阴极保护的使用范围越来越广，阴极保护系统被更多的建设单位所认可，显著降低了金属腐蚀对工程项目的长期影响。