長(zhǎng)輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)研究

唐金鑫，鄭配(國(guó)家管網(wǎng)西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

管道運(yùn)輸是運(yùn)輸石油的主要方式，相比于其他方式而言，管道運(yùn)輸成本低且更加安全高效。為了避免管道受到自然界及人為因素的破壞，我國(guó)往往采用埋地的方式敷設(shè)管道。但由于管道的材質(zhì)為鋼，在長(zhǎng)期埋地的過(guò)程中，土壤中的腐蝕性物質(zhì)受毛細(xì)作用驅(qū)使會(huì)依附于管道表面，在水含量適宜的條件下，鋼鐵會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕[1-3]。

在20世紀(jì)，采用單一的防腐層往往無(wú)法對(duì)管道進(jìn)行有效保護(hù)。隨著科技的進(jìn)步，陰極保護(hù)聯(lián)合防腐層技術(shù)使得管道的腐蝕問(wèn)題有效減緩。該聯(lián)合保護(hù)方法克服了單一方法存在的成本高、風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題[4]。目前，該聯(lián)合技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油管道的防腐工程中，但由于長(zhǎng)輸石油管道沿線地形地貌多變，加上自然災(zāi)害等問(wèn)題會(huì)引發(fā)土壤應(yīng)力問(wèn)題，管道防腐層在第三方應(yīng)力的作用下容易發(fā)生破損及剝離等問(wèn)題。防腐層的破損一方面使得管道鋼與外界直接接觸，另一方面也使得陰極電流無(wú)法為管道提供正常保護(hù)。由此引發(fā)的腐蝕問(wèn)題也引起了諸多專家的研究。本文針對(duì)現(xiàn)行的陰極保護(hù)技術(shù)，分析了陰極保護(hù)技術(shù)的原理，對(duì)陰極保護(hù)準(zhǔn)則及參數(shù)進(jìn)行梳理，并基于目前研究的不足，對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 陰極保護(hù)技術(shù)原理及分類

腐蝕的過(guò)程本質(zhì)上指的是金屬與外界發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。該過(guò)程的發(fā)生需要滿足幾個(gè)先決條件：首先，系統(tǒng)中需要存在陰陽(yáng)極，其中陽(yáng)極指的是失去電子而氧化的一端，陰極指的是得到電子而還原的另一端；其次，上述的陰陽(yáng)極需要存在一定數(shù)值的電位差，只有這樣，電化學(xué)反應(yīng)才存在發(fā)生的動(dòng)力；另外，上述陰陽(yáng)極需要處于連通的電解液中，其中電解液指的是存在可以自由移動(dòng)的各種活化離子的溶液；最后，為了確保離子及電子的流通，整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)是連通的。

當(dāng)滿足上述四個(gè)條件時(shí)，金屬會(huì)發(fā)生腐蝕。此時(shí)金屬表面電位達(dá)到金屬的自腐蝕電位，腐蝕不斷進(jìn)行。當(dāng)對(duì)金屬表面施加陰極保護(hù)電流時(shí)，其表面電位偏離原本的平衡電位，使得金屬腐蝕的進(jìn)程終止。陰極保護(hù)技術(shù)可以兩種方式，如圖1所示。

圖1 陰極保護(hù)技術(shù)

把需要保護(hù)的目標(biāo)金屬與電源系統(tǒng)的負(fù)極相通，電源直接對(duì)目標(biāo)金屬施加陰極保護(hù)電流使得金屬表面發(fā)生電位的負(fù)向偏移從而達(dá)到保護(hù)金屬的目的，這就是強(qiáng)制電流保護(hù)法的原理。該方法可以基于需要提供的電壓大小連續(xù)調(diào)控輸出電壓，保護(hù)方式可靠，受外界環(huán)境影響較小，保護(hù)周期長(zhǎng)，但是對(duì)于工程量較小的項(xiàng)目而言，該方法的成本較高，施工過(guò)程較繁瑣且裝置需要維護(hù)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程復(fù)雜。在一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)中，發(fā)生陽(yáng)極的一端往往自腐蝕電位較另一端偏正?；诖嗽恚瑢⒈槐Ｗo(hù)的目標(biāo)金屬與一個(gè)自腐蝕電位更負(fù)的金屬連接可使得目標(biāo)金屬作為陰極存在于系統(tǒng)中，有效抑制目標(biāo)金屬的腐蝕。常見(jiàn)的此類陽(yáng)極金屬材料包括Zn、Mg、Al及三者的合金金屬。陽(yáng)極金屬作為犧牲品被腐蝕消耗，從而對(duì)目標(biāo)金屬施加陰保電流。該方法施工簡(jiǎn)單，不需要額外電源輸入，也不會(huì)對(duì)周邊的金屬材料產(chǎn)生干擾，維護(hù)費(fèi)用低。但該方法電流輸出較不穩(wěn)定，需要經(jīng)常對(duì)保護(hù)效果進(jìn)行校驗(yàn)與檢修。

2 陰極保護(hù)參數(shù)

2.1 保護(hù)電位

當(dāng)陽(yáng)極腐蝕反應(yīng)停止或者反應(yīng)程度很小，此時(shí)施加于其表面的電位被稱作保護(hù)電位。當(dāng)保護(hù)電位施加在金屬表面時(shí)，其數(shù)值大小影響了保護(hù)性能的好壞。若保護(hù)電位過(guò)正，則金屬不能被完全保護(hù)，反之，保護(hù)電位過(guò)負(fù)，會(huì)引發(fā)陽(yáng)極表面的析氫反應(yīng)，從而促使防腐層的剝離，給生產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。陰極保護(hù)電位的數(shù)值大小可以利用參比電極進(jìn)行測(cè)量，工程上往往采用Cu/CuSO4參比電極對(duì)陰極保護(hù)的通電及斷電電位進(jìn)行測(cè)量。然而，當(dāng)選用不同的參比電極時(shí)，保護(hù)電位的數(shù)值也會(huì)不同，表1為常見(jiàn)金屬的陰極保護(hù)最小電位數(shù)值。因此保護(hù)電位的測(cè)量結(jié)果需要著重說(shuō)明所選用參比電極的類型。長(zhǎng)輸石油管道表面的保護(hù)電位常常介于-0.85～-1.20 V之間(相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極)。

表1 常見(jiàn)金屬的陰保電位最小值

2.2 最小保護(hù)電流密度

當(dāng)管道處于臨界保護(hù)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電流密度即為臨界電流密度(最小電流密度)。其與電位數(shù)值密切相關(guān)，陽(yáng)極材料不同，其數(shù)值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。另外，陽(yáng)極表面狀態(tài)、外界環(huán)境也會(huì)對(duì)其數(shù)值產(chǎn)生一定的影響[5]。

3 陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則

判斷長(zhǎng)輸石油管道所處陰保狀態(tài)是否達(dá)到要求主要是依據(jù)長(zhǎng)輸石油管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則。可以利用長(zhǎng)輸石油管道的通電電位及斷電電位判斷其陰保是否處于良好狀態(tài)。具體評(píng)價(jià)方法為：當(dāng)長(zhǎng)輸石油管道的陰保電位介于-850～-1 200 mV(CSE)時(shí)，則管道處于良好的被保護(hù)狀態(tài)；若上述條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可依據(jù)IPL測(cè)量通斷電電位進(jìn)行保護(hù)效果的判定，當(dāng)管道斷電電位比管道自然電位差大于100 mV時(shí)，則管道處于良好的被保護(hù)狀態(tài)[6]。

目前，上述準(zhǔn)則已經(jīng)被長(zhǎng)輸石油管道建設(shè)企業(yè)采納，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而，該準(zhǔn)則仍然存在幾點(diǎn)不足。首先該準(zhǔn)則的適用溫度受限，當(dāng)石油管道的表面溫度大于40 ℃時(shí)，陰極保護(hù)無(wú)法再為管道提供有效保護(hù)，即陰極保護(hù)處于失效狀態(tài)?？紤]到我國(guó)的基本國(guó)情，我國(guó)長(zhǎng)輸石油管道運(yùn)行溫度往往高于45 ℃，使得陰極保護(hù)無(wú)法有效抑制管道的腐蝕。因此，對(duì)陰極保護(hù)溫度的適應(yīng)性方面應(yīng)展開(kāi)系列研究。另外，管道與直流接地極往往同向敷設(shè)，當(dāng)接地極放電時(shí)，管道表面會(huì)發(fā)生電位偏移。目前常用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則沒(méi)有明確規(guī)定管道允許的電位偏移量。對(duì)直流接地極引發(fā)的管道干擾問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。另外，參考國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)準(zhǔn)則，對(duì)我國(guó)的陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則進(jìn)行完善和發(fā)展具有重要意義。最后，在交流干擾下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則需要進(jìn)一步完善。交流干擾主要是由于輸電線路會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，影響管道上的電位分布，使得管道電位處于一種波動(dòng)的周期狀態(tài)，從而使得陰極保護(hù)水平下降，管道的腐蝕明顯加劇。對(duì)于該方面的缺陷，國(guó)內(nèi)外均未提出有效的解決方法。

4 展望與結(jié)論

陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則對(duì)于有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義，然而目前的長(zhǎng)輸石油管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則存在諸多不足，包括適用溫度存在限制，沒(méi)有明確規(guī)定允許的電位偏移量及不存在交流干擾陰極保護(hù)準(zhǔn)則。因此，針對(duì)上述不足，開(kāi)展陰極保護(hù)適用溫度的研究，拓展陰極保護(hù)的適用范圍，開(kāi)展交直流干擾下管道上的電位偏移程度研究，定量描述干擾電位對(duì)于管道陰極保護(hù)電位的影響規(guī)律有利于提高我國(guó)陰極保護(hù)技術(shù)水平，保障我國(guó)長(zhǎng)輸石油管道的安全運(yùn)行。陰極保護(hù)技術(shù)體系需要進(jìn)一步完善與修正，要充分采納國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及處理手段，結(jié)合我國(guó)長(zhǎng)輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)的基本現(xiàn)狀，構(gòu)建合理的陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則。另外，目前，我國(guó)的技術(shù)裝備條件不夠完備，對(duì)陰極保護(hù)通斷電電位的測(cè)量?jī)x器主要依賴進(jìn)口，沒(méi)有形成自身的核心技術(shù)，因此，我國(guó)應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)電位測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用。

本文基于長(zhǎng)輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)的原理和分類，對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)的參數(shù)及準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)陰極保護(hù)主要通過(guò)對(duì)金屬施加陰極保護(hù)電流，使其發(fā)生陰極極化從而對(duì)金屬實(shí)行有效保護(hù)。陰極保護(hù)技術(shù)分為強(qiáng)制電流及犧牲陽(yáng)極保護(hù)法，二者都是現(xiàn)場(chǎng)常用的陰極保護(hù)手段。

(2)保護(hù)電位和最小保護(hù)電流是陰極保護(hù)的重要參數(shù)，長(zhǎng)輸石油管道的陰極保護(hù)電位應(yīng)當(dāng)處于-0.85～-1.20 V之間(相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極)。

(3)陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則是陰極保護(hù)技術(shù)的核心，目前常用的技術(shù)準(zhǔn)則仍然存在諸多不足。主要包括準(zhǔn)則的適用溫度受限，沒(méi)有規(guī)定允許的電位偏移量及交流干擾引發(fā)的陰極保護(hù)電位波動(dòng)準(zhǔn)則缺失。