阴极保护

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埋地钢管阴极保护土壤参数测试方法的改进

 

《 城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》 ( 以下简称规程)的正式实施,标志着在我国城镇燃气行业进入新的阶段,规程不仅将阴极保护从自愿实施改为强制实施,还规定了具体的效果要求。受周边地下金属构筑物较多的环境制约,城镇燃气管道阴极保护绝大多数采用。 与石油天然气长输管道的外加电流系统不同, 牺牲阳极系统施工后基本无法调整, 所以设计合理与否就直接关系到阴极保护的成败。由于我国城镇燃气管道的阴极保护尚处于起步阶段, 目前设计所需环境参数的测试基本上参照石油行业的做法。 实际上, 城镇燃气输配管道与长输管道的周边环境有较大差别,必须对影响设计的环境参数 ( 土壤电阻率、细菌腐蚀可能性)的测试方法进行相应改进, 才能使阴极保护效果达到规程的要求。

1 土壤电阻率的测试

1。1现行测试方法的不足

      土壤电阻率是影响设计的最重要参数, 它直接决定阳极品种、规格和布局等,因而其测试值准确与否直接关系到的效果。《 埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》 ( — )规定, 土壤电阻率测试优先采用等距四极法。 测量时将接地电阻测量仪的根电极以间距等距离排成一条直线,垂直打入地表层,见图。摇动直流发电机, 通过两个电流极 、 在土壤中形成电流场, 测试回路的电流密度和两个电位极 、 之间的电位差,根据欧姆定律可计算两支电位极之间的土壤电阻。检测仪器为接地电阻测量仪,相邻电极间距取管道中心线设计埋深。 虽然测试是在地表进行, 但当电流极的入土深度小于 d/ 20 时,可以看成为球形电极。如果土壤性质均匀,两个电位极 C、D 之间的土壤电阻率即等于从地表至埋深 d 处的平均土壤电阻率。按施隆贝格公式计算出两个电位极 C、D 之间的土壤电阻率,进行地温修正后得到设计所需参数值。其中 ρ为土壤电阻率(单位为 Ω·m) ,d为相邻电极间距( 单位为 m), R 为土壤电阻(单位为 Ω)

  对位于郊野的长输管道,周边土壤大多为原状土,地表与地下土壤性质差别很小,通常测取地表至管道中心线埋深处的土壤电阻率,即可作为设计依据,不会产生太大偏差。对于城镇燃气管道,地表土壤大多为回填土,至少经夯填处理形成硬壳,甚至为水泥或沥青路面。如果照搬长输管道的做法,由于地表与地下土壤性质差别较大,导致所得结果根本不能代表管道埋深处土壤的性质。此外,城镇地表土壤含水量和温度变化远大于郊野,导致土壤电阻率测试值大幅度振荡。实测数据表明,暴雨或绿化浇灌前后,同一地点所测土壤电阻率值最大相差 3倍以上。按照《 输油气管道岩土工 程 勘 察 规 范》( SY / T 0053—97)判定,其腐蚀性甚至可以跨越强、中、弱 3 个等级,因此必须采取相应措施消除误差。

1。2改进的措施

σ为地表硬壳厚度(单位为 m),一般情况取 σ = 0. 3 m,对水泥或沥青路面可取 σ = 0. 6 m, h为设计管底埋深(单位为 m),且 h>σ 。对于不均匀土壤,应分别测取地表至 σ 深度的土壤电阻 Rl、地表至h深度的土壤电阻 R2,通过计算得到埋深之间的土壤电阻率,作为设计依据。计算公式如下:

   ρ3=2πRl R2(h-σ)/(R2- Rl

  式中 ρ3———埋深 σ ~ h 的土壤电阻率,Ω·m

  Rl———地表至 σ深度的土壤电阻,Ω

  R2———地表至h深度的土壤电阻,Ω

  由于建设后管道和阳极均处于 σ ~ h深度内,以ρ3 作为设计依据,可以很好消除地表硬壳的影响,测试值稳定且重现性好,基本不受地表雨水和绿化浇灌的影响。

2细菌腐蚀可能性的判断

2.1现行判断方法的不足

阴极保护设计时最小保护电位的确定,依照规程须根据土壤中细菌腐蚀可能性的大小,在- 0. 95 ~ - 0. 75 V 范围内取值。《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》SY 0007—99 规定:当土壤或水中含有硫酸盐还原菌,且硫酸根含量大于0. 5%时,通电后对地电位应达到 - 0. 95 V 或更低。细菌腐蚀是指有土壤中细菌( 硫酸盐还原菌)参加或促进的腐蚀。细菌能将土壤中的可溶性硫酸盐转化为硫化氢,硫化氢一方面腐蚀钢管,生成硫化亚铁;另一方面抑制腐蚀电池阴极的极化,促进了电化学腐蚀过程的进行。在硫酸盐还原菌作用下,可发生反应: 

4Fe+SO42-+4H2O=FeS+2OH-+3Fe(OH)2

对于是否存在细菌腐蚀的判定方法,规程和其他标准都没有明确规定,传统上采用氧化还原电位标准值判定。氧化还原电位测定采用铂电极,以饱和甘汞电极作参比电极。测试前铂电极必须进行彻底去极化脱膜处理,否则可能导致结果失真且很难被发现,处理过程复杂,需要由有较高化工专业知识的技术人员完成。测试时把铂电极插入待测土壤中40 ~ 50 mm,然后在距离 30 mm 外插入饱和甘汞电极,深度相同。将铂电极与酸度计正端相接,甘汞电极与酸度计负端相接,稳定 2 min 后由酸度计读出电位差,经地温、pH 值等一系列复杂修正,才能算得氧化还原电位标准值。

整个测试过程对测试设备及人员的要求均较高。另外,为保证测试值具有代表性,规定用 5支铂电极对 l 支同时测定,对读值接近的 3 支的读数取算术平均值,作为最终读数。由于城镇土壤中通常有强烈的杂散电流,导致实际操作中有时几支铂电极的读数呈离散状态且不断漂移,很难确定准确读数。

2。2改进的措施

实际上,氧化还原电位是反映土壤中各种氧化还原反应动态平衡的综合指标, 主要影响因素是土壤通气情况、有机质和盐基状况。 氧化还原电位高,表明土壤性质不适合细菌活动,即使有硫酸盐还原菌存在,也不会导致细菌腐蚀发生; 氧化还原电位低,只是表明土壤性质适合细菌活动,至于是否发生细菌腐蚀,还要看土壤中是否有硫酸盐还原菌存在,以及是否有足够的硫酸根供其还原。因而氧化还原电位只是判断细菌腐蚀可能性的间接指标。

我国的土壤腐蚀研究结果表明:滨海盐土、潮土及红壤等土壤,基本上都不会出现明显的细菌腐蚀,仅在沼泽、水稻田、森林土中可能发生细菌腐蚀。考虑到城镇土壤很少符合细菌腐蚀的条件,我们认为可以先进行简单判断, 确有必要时再进行详细的专项检测。

文献表明,硫酸盐还原菌在值为的范围内才具有较大活性 。另外,发生细菌腐蚀的前提是土壤中有足够的硫酸根离子, 值在此范围外或没有足够的硫酸根离子时,即使土壤中有硫酸盐还原菌存在, 细菌腐蚀等级也为 “弱”或以下,不影响最小保护电位的确定。

据此,建议按照操作难易程度,确定细菌腐蚀可能性的检测程序为: 先进行土壤值检测, 当值超出规定范围时, 按无细菌腐蚀设计。 否则再进行硫酸根离子比色检测,其含量小于时也将细菌腐蚀等级直接判为“弱”, 设计时不予考虑。这两项操作很简单, 且不会受杂散电流的影响。只有当值及硫酸根离子浓度都符合产生细菌腐蚀的条件时,才由专业机构进行氧化还原电位检测和细菌培养,确认存在细菌腐蚀的可能性大小。这样既可以减少测试工作量,又能够提高可靠度。

结论

(1)改进后的土壤电阻率测试方法,可以很好消除地表硬壳的影响, 较为准确地反映了阳极电流通道的实际情况,使得阴极保护效果得到有效保证。

(2)改进后的细菌腐蚀可能性判断方法,按照从易到难的程序分步进行。 通过简单的值和硫酸根离子检测,省去了不必要的检测工作量;对确实存在细菌腐蚀可能性的样品,进行详细的专业检测分级。

 

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