套管对埋地钢质管道阴极保护的影响与解决方法

套管对埋地钢质管道阴极保护的影响与解决方法河南汇龙合金材料有限公司2018年3月整理摘要：套管施工在埋地钢质管道穿越工程中得到了越来越广泛的应用，但是套管的使用会对阴极保护产生一定的影响。

套管与管道之间形成短路或断路，引起管道表面得不到足够的阴极保护电流而使管道处于欠保护状态。

通过分析套管对管道阴极保护产生影响的原因，对目前各种常用的解决方法进行探讨，提出合理的解决方案。

引言在管道施工过程中，套管得到了越来越广泛的使用。

套管能起到一定的支撑作用，以防止外力对管道造成的挤压破坏，同时还能为以后的运行维护提供便利。

管道在穿越时，一般会在管道与套管之间使用绝缘垫片来防止管道与套管发生短路。

同时为了防止地下水进入到套管中，往往会在套管的两端使用沥青、粘结剂等材料加以封堵。

套管虽然对管道起到了支撑、保护作用，但是对施加了阴极保护的埋地钢质管道来说，套管的安装会对阴极保护系统带来很大的影响，因其产生的套管内的管道腐蚀、腐蚀失效等问题多有发生。

在对套管内的管道进行调查分析时发现，多条管道上出现不等程度的腐蚀现象，个别区域已经发生了严重腐蚀。

通过分析套管对阴极保护系统产生影响的原因，提出合理的解决方案，为防止套管内的管道发生腐蚀提供一定的借鉴和参考。

一、套管对阴极保护电流的屏蔽在正常情况下，阴极保护电流能够较为均匀的分布在管道上，管道外表面能够较好地受到阴极保护的作用而降低腐蚀的发生。

一般来说，阴极保护电流在流动过程中，电流会始终趋向于电阻较小的通道流动。

然而套管对其内部管道的阴极保护产生的影响是非常复杂的，特别是在一些铺设距离较长、埋设深度较深的管道上。

套管对管道的阴极保护屏蔽作用按照阴极保护电流的流动和分布情况分为两类，断路屏蔽和短路屏蔽。

断路屏蔽效应引起的主要是阴极保护电流通路中成了较高的电阻，使阴极保护电流无法到达管道表面，例如套管与主管道之间无导电电解质存在时，阴极保护电流会优先流向电阻较低的路径而直接流向套管，而主管道表面不能够得到足够的阴极保护电流，使主管道处于欠保护的状态，套管对阴极保护电流的断路屏蔽作用如图1所示。

断路屏蔽也常出现于带聚氨酯保温层的原油或者热力管道，带玻璃钢保护层的管道，热电厂的“管中管”等。

图1：套管对阴极保护电流的断路屏蔽作用当主管道的防腐层出现破损并且套管与主管道在防腐层破损位置相互连接时，就会在这些位置上形成短路。

短路形成后，套管和主管道之间的电阻会变得很小，短路点位置就会有阴极保护电流集中流入，而远离破损点位置流入的阴极保护电流会大幅度减少甚至为零。

远离破损点一定范围内的管道没有受到有效的阴极保护作用，产生阴极保护屏蔽作用，最终管道会在氧气、水环境的作用下发生腐蚀，套管对阴极保护电流的短路屏蔽作用如图2所示。

短路屏蔽效应常出现于阀门直接接地、避雷器失效、惰性材料接地、保温管进水等。

图2：套管对阴极保护电流的短路屏蔽作用就目前的技术水平而言，套管内的主管道的保护电位是不具备相应条件进行直接测量的，在套管外测量的管地电位只能是一个混合电位，不能直接用于评估套管内的管道的阴极保护效果，所以套管内的主管道的阴极保护问题和因此产生的腐蚀问题应该引起重视。

二、套管在不同情况下对阴极保护的影响2.1套管与管道之间无电解质情况阴极保护电流通路包括电子通路(导线)、离子通路(土壤)。

在土壤中，阴极保护的传统电流方向为阳极到管道，电流最终通过土壤、经过防腐层进入到管道表面。

当套管两端封堵的密封性较好时，外界环境中的水、泥土等不能进入到管道和主管道之间，这时会在套管和主管道之间形成空气层，阴极保护电流是无法透过空气层进入到管道表面的，该位置的管道不能受到阴极保护作用，属于阴极保护屏蔽区域。

屏蔽区域内的管道会在湿润的空气环境中发生大气腐蚀。

而在套管外的管道，电流是可以通过外防腐层或者破损点进入到管道表面而受到阴极保护的作用。

2.2套管与管道之间有导电电解质的情况在套管施工过程中，在套管和管道的两端进行封堵时，有时不能够达到完全的密封性，在潮湿土壤或者水环境的作用下，管道和套管之间进入水分，这些水分具有一定的腐蚀性。

水分的进入会造成两个方面的影响：一方面，降低了套管与管道之间的电阻，在一定程度上减缓高电阻带来的阴极保护断路屏蔽效应，使阴极保护电流能够通过套管进入到管道表面，管道得到有效的阴极保护；另一方面，套管内表面往往是没有防腐层而与腐蚀环境直接接触的，如果套管没有采用一定的保护措施，套管内壁在腐蚀环境的作用下发生腐蚀，套管在承受外力的情况下，存在腐蚀失效和应力腐蚀的风险。

套管与管道之间有导电电解质时，阴极保护电流分布如图3所示。

图3：套管在管道之间进水时的阴极保护电流分布当套管内的主管道防腐层面电阻率分布不均匀，部分位置的防腐层电阻率较小时，阴极保护电流会择优选择路径电阻较小的电流通路流动，因此在防腐层电阻率较低的位置会有电流的集中流动。

在这种情况下，套管的内壁作为电流的流出点将会发生腐蚀。

水分进入到套管以后由于重力的作用，水分会首先积聚到套管的下半周。

如果水量不是很大，会出现套管与主管道之间下半周积水而上半周中空的现象，如图4所示。

在这种情况下，套管内进水部分的主管道会受到阴极保护的作用；而套管中空部分的主管道得不到有效的阴极保护电流，处于欠保护状态。

在套管内水面位置，存在空气的交换和离子的快速转移，腐蚀反应的控制步骤减弱，腐蚀加快，套管内壁和管道都有可能被腐蚀。

图4：套管与主管道之间存在积水情况示意图2.3套管与管道有短路情况由于施工质量的原因，主管道在套管内进行拖拽时，主管道的防腐层会被划伤并与套管内壁形成短路点。

在短路点位置，电流将会较为集中地从套管外表面流经短路点进入到管道上。

由于在该点位置电阻很小，将会有较大的电流流入该点，在阴极保护系统电流量一定的情况下，使得该点附近的其他位置的管道不能充分受到阴极保护的作用，处于欠保护的状态。

特别是对采用外加电流的阴极保护系统，短路点的存在可能会使附近几公里的管道得不到有效保护。

当套管与管道之间有电解质(水、空气、土壤)存在时，套管、管道、土壤相互连通，形成电通路上的整体。

阴极保护电流则会直接流入到套管而重新返回到土壤，而套管内侧、管道将没有阴极保护的作用，存在发生腐蚀可能性。

短路情况在套管和管道的阴极保护问题中最为常见，所以当出现短路后，应及时的查找短路点的位置，降低腐蚀的风险。

在出现套管与主管道之间下半周积水而上半周中空的现象时，由于某种原因在中空位置出现短路点，如图5所示。

由于阴极保护电流会在短路点位置集中地流入，而在套管内的积水部分，套管、主管道得不到有效的阴极保护作用或者形成电流的流出点，这些位置将发生腐蚀。

图5：套管内下半周积水上半周出现短路点的示意图三、常见的应对办法与讨论对于套管内的管道，为了使阴极保护电流能够有效地分布在管道上，一般采用带状牺牲阳极、混凝土管、填充导电介质等方式。

3.1采用带状阳极的阴极保护对套管内的管道采用带状牺牲阳极的阴极保护是一种常用的解决方法。

利用带状牺牲阳极产生的阴极保护电流在套管内的管道表面的水膜层上进行传导，能够较好地为管道提供阴极保护。

利用带状牺牲阳极保护套管内的主管道时存在以下问题：(1)当使用带状牺牲阳极作保护时，带状阳极应该避免与套管内壁形成短路。

形成短路后，在主管道和套管之间形成电通路，一方面会增加阳极的消耗，降低阳极的寿命；另一方面，因为短路的形成，电流的流动会在主管道和套管之间形成流入点和流出点，在电流的流出点位置上会加速金属的腐蚀；(2)当套管中有土壤、水等导电介质存在时，套管内壁一般没有防腐层而套管内的管道防腐层可能会采用加强级，这时在电流流动的通路上，电流进入管道的电阻要远远大于到套管内壁的电阻。

套管和管道之间的牺牲阳极释放的电流会有很大部分流入到套管的内壁上，而管道表面得不到有效的保护，造成不必要的浪费；(3)套管和管道中的牺牲阳极往往是没有填包料的，如果牺牲阳极长时间工作在该环境下，阳极很容易被极化，表面形成钝化层，最终使阳极的接触电阻和电流输出受到很大的影响。

3.2混凝土管的应用套管所处的环境，往往要求套管需要能够承受一定的外界压力，例如土壤的剪力、路面的压力等。

如果环境或者条件允许，可以考虑使用混凝土管。

埋在土壤中的混凝土管，由于土壤具有一定的水分，能够使混凝土管具有一定的导电性，阴极保护电流能够通过湿润的混凝土管进入到管道表面，管道受到阴极保护的作用。

由于水的渗透性和混凝土管的结构特点，外界的水能够通过混凝土管的外表面进入到混凝土管和管道的间隔之中，为阴极保护的电流通路提供可导电的电解质环境，降低了结构电阻，使阴极保护电流能够均匀、有效地分布在管道上。

3.3套管内填充导电介质对于不带外防腐层的套管来说，可在套管内填充导电介质，降低套管与主管道之间的电阻，理论上是非常可行的解决方案。

但是，导电介质的材料选择目前是一个难题，国内外采用该方法的案例很少。

因为套管内的管道需要定期维护，如果采用的是粘性材料，会对管道的拖动造成很大的困难。

另外，套管内的导电介质必须常年保持相对湿润、导电。

一旦导电介质干燥，则会与主管道表面形成一定的分离，增加了阴极保护电流路径的电阻，使阴极保护电流变小、分布不均匀。

如果条件允许可以将套管两端的密封塞打开，使外界环境的水、泥土等进入到套管中来充当导电电解质。

采用这种方法，套管中的主管道的运行维护相对简单，同时可以参考套管的管地电位来监测主管道的阴极保护状况。

四、结论与建议在管道铺设中，金属套管的使用会直接影响阴极保护电流在套管内管道上的流动与分布，使主管道的阴极保护效果降低。

涉及到穿越施工时，可以通过提高管道的防腐层质量、厚度来达到保护的目的。

也可以考虑使用混凝土管，来保证阴极保护电流能顺利到达被保护管道的表面，降低套管的屏蔽作用。

如果套管没有外防腐层，可以向套管与主管道之间加入导电电解质或者让外界环境中的水、泥土进入到套管内，降低套管与管道之间的电阻，使阴极保护电流能够均匀、有效地分布在管道上。

如果套管带有外防腐层，可以对套管内的管道采用带状阳极的阴极保护，同时，如果对套管内壁进行防腐层的涂覆，可以有效降低牺牲阳极的消耗，提高主管道的阴极保护效果。

套管内安装牺牲阳极的方法应该避免阳极与套管内壁接触形成短路。

此外套管内的牺牲阳极一般都没有填包料，牺牲阳极易发生钝化、失效等现象，最终阳极没有足够的电流输出，应该采取一定的措施来防止该现象的发生。

作者：和宏伟，北京市燃气集团研究院白冬军，北京市公用事业科学研究所（来源：《全面腐蚀控制》2015年9月）。