柔性阳极在库鄯输油管道上的应用
闫久红 丁乙 胡士信 俞彦英
摘 要 导电聚合物阳极是近几年开发出来的新产品,它对防腐层老化的旧管道,储罐罐底、管网及高电阻率环境有着得天独厚的技术优势。通过对库鄯输油管道近40 km高电阻率管段上柔性阳极的首次应用,实践证明,效果良好。 主题词 输油管道 柔性阳极 阴极保护
一、概 述
阴极保护是埋地或水中金属构筑物腐蚀控制行之有效的措施之一。通常可以分为强制电流法和牺牲阳极法两种。为了降低阴极保护投资、减小阴极保护的电流密度、扩大保护范围,阴极保护技术要配合防腐绝缘覆盖层技术一起使用。 随着时间的推移,覆盖层老化,保护电流密度日趋增大,使得保护范围逐渐缩小,对于这种情况,按传统的方法,只能是重新修补覆盖层或新增阴极保护站。重新涂敷虽然效果好,但价格昂贵;而增加阴极保护站,由于覆盖层质量差,使得电位衰减太快,而造成局部过保护(析氢)和大部分欠保护,还会造成干扰和屏蔽问题。 在这个背景条件下,美国Raychem公司于1984年开发了一种形状类似电缆的新型阳极①〔1,2〕,称为柔性阳极(Anodeflex),亦称缆形阳极。该阳极为导电聚合物,包裹在铜芯线上,经过特殊的工艺处理,使之具有耐热、抗老化的性能,在允许在工作电流范围内,其工作寿命预期可达40年以上〔1〕。这种结构,铜芯确保了纵向低电阻,可以把电流传到很远;而且导电聚合物确保了横向有一较高电阻接地,使铜芯中的电流只能慢慢地“滴入”地中。在柔性阳极周围填充焦碳可以改善阳极的工作环境,延长了阳极的寿命。柔性阳极的结构如图1所示。
图1 柔性阳极的结构图
柔性阳极开发的初衷是应用于覆盖层老化的旧管道阴极保护领域。然而,后来发现,柔性阳极具有很多优点,使过去一些常规阴极保护难以解决的问题得到了解决,是生命力很强的高新技术产品。和常规辅助阳极相比,柔性阳极在下列领域具有优越性: (1)覆盖层老化的旧管道; (2)错综复杂的管网; (3)储罐罐底外壁; (4)长距离、小间距平行的管道; (5)高电阻率环境。
二、柔性阳极特点
柔性阳极是一种长线型、柔性、电缆式的辅助阳极,它可以靠近管道敷设,使保护电流不受被保护体的表面状态及地理条件的影响而均匀分布,起到了常规辅助阳极起不到的作用。归纳起来,柔性阳极有以下几个特点: (1)长距离上电流分布均匀; (2)安装容易,用户可以根据现场条件截成任意长度; (3)可与管道同沟敷设,解决了岩石、高电阻率区段无法敷设阳极的问题; (4)即使管道覆盖层破损严重,甚至裸管,也能确保保护电流比较均匀; (5)铺在罐底可使罐底保护电流比较均匀; (6)在旧罐区,采用柔性阳极保护与罐相连的管网,可以省去电绝缘; (7)在复杂管网区域内解决屏蔽和干扰问题。 柔性阳极有两种类型,一种为裸露型,一种为焦碳填包型。对于裸露型在现场要回填导电良好的焦碳渣,后者可以直接埋入地下。这种地床结构可以把阳极反应从阳极/土壤界面上转移到阳极/焦碳/土壤界面上,这种结构的功能有:①降低阳极接地电阻;②避免气阻;③延长阳极工作寿命。
三、柔性阳极性能参数
柔性阳极可工作在土壤中或水下,其性能参数如下:土壤中最大工作电流:52 mA/m(无焦碳渣)、82 mA/m(有焦碳渣);水中最大工作电流:10 mA/m;最大压力(恒水压):7 MPa;最高温度:65 ℃;最低施工温度:-18 ℃;最小曲线半径:500 mm。按ASTM-D546测试,浸泡7天、重量增加小于1 %时,在3 %氯化钠(NaCl)、3 %硫酸钠(Na2SO4)、10 %氢氧化钠(NaOH)中均测试合格。由于阳极材料为导电聚合物,故不推荐在ASTM 1号油和原油环境中工作。
四、应用技术
柔性阳极通常平行管道敷设,埋深在0.5~2.0 m,距管道为5倍管径,特殊情况下,如岩石段可以和管道同沟敷设。用于罐底保护的柔性阳极,可以蛇形埋在沥青沙基础1.0 m以下。 根据需要,柔性阳极可以连续或分段敷设,其接头有三种形式,即“一”字型,“T”字型和终端型。确保铜芯与土壤不得有直接接触,严防水的浸入。 阴极保护电源可以放在柔性阳极的中部,也可以放在两端,阳极电缆可以连到柔性阳极的一端,也可以引到远处的一端,两处相连。图2和图3是电源放在中间部位的两种连接方式示意图〔3〕。
图2 电缆与阳极直接相连
图3 电缆与阳极两端相连
1、 电流沿管周的分布 柔性阳极放在管道的一侧,另一侧能否得到保护电流。1983年美国某公司在得克萨斯州南部的一条DN720旧管道上进行了试验〔1〕。管道的覆盖层为煤焦油瓷漆,原有保护装置为20支棒形阳极,浅埋设置,距管道120~150 m,23 A电流只保护了480 m。试验选在一台整流器附近,分别向两侧敷设了400 m的柔性阳极,阳极埋深1.0 m。分别在两侧柔性阳极的中间位置的管道上(2号和5号),沿管周埋设了上、下、左、右四支Cu/CuSO4参比电极(见图4),然后测量不同极化程度的相对四支参比电极的管道电位(见表1)。 从表1中可以看出,随着极化时间的增加,所需保护电流逐渐减小,极化电位升高,IR将变小,对于DN720管道而言,上、下、左、右四处的电位差一般只有几个mV,可以说,柔性阳极放在一侧,不影响极化的均匀度。
表1 管周参比电极测量数据 |