外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在輸油管道中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

劉曉龍 劉 凱 董炳群 鞏 濤 孫 超 馬光皎

（1.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；2.青島海業(yè)油碼頭有限公司，山東 青島 266599）

0 概況

管道運(yùn)輸已經(jīng)成為繼海洋運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸不僅運(yùn)輸量大、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、平穩(wěn)以及投資少、占地少、費(fèi)用低，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，管道的安全可靠輸送是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題。通過(guò)大量的管道失效事故分析研究表明：腐蝕是管道發(fā)生安全事故的重要元兇，保障管道安全必須要做好管道的腐蝕控制，而正確認(rèn)識(shí)腐蝕現(xiàn)象、腐蝕危害和規(guī)律是做好腐蝕控制的基礎(chǔ)[1-3]。

青島海業(yè)油碼頭有限公司長(zhǎng)輸管線線路由海業(yè)碼頭油庫(kù)區(qū)至陽(yáng)鴻卸油區(qū)，共兩條輸油管線，分別為管線1212以及管線1211，管道總長(zhǎng)度為5.94km（含架空），其中埋地管道長(zhǎng)度約為3.5km；管道的設(shè)計(jì)壓力1.6/2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)材質(zhì)為L(zhǎng)290/L245，管道的規(guī)格為Ф711×7.9mm，管道整體采用環(huán)氧粉末防腐/聚氨酯泡沫塑料黃夾克保溫層作為外防腐層。經(jīng)專(zhuān)業(yè)評(píng)估機(jī)構(gòu)于2017年12月份對(duì)輸油管道進(jìn)行了防腐層完整性檢測(cè)以及陰極保護(hù)狀況評(píng)估工作，發(fā)現(xiàn)該管道埋地部分管段防腐層較差、且管道未有陰極保護(hù)。

海業(yè)-益佳陽(yáng)鴻原油管道所經(jīng)區(qū)域?qū)冱S土土壤，土壤含水率在10%～20%之間，土壤pH值在7.0～8.5之間，呈弱堿性，地表土質(zhì)疏松，地表土壤電阻率在 80Ω.m左右，地表土層深約10m，土層下為風(fēng)化巖石層。此外，由于本管線處于石化庫(kù)區(qū)，必不可免的會(huì)與其他輸油、輸氣管線、消防及供水管道在部分地段并行或交叉敷設(shè)，當(dāng)其他埋地管道存在陰極保護(hù)時(shí)，土壤中的電流在地下流動(dòng)會(huì)對(duì)本管線產(chǎn)生腐蝕破壞作用，即管道還存在雜散電流干擾問(wèn)題。

通過(guò)上述對(duì)管道進(jìn)行的前期調(diào)研及研究發(fā)現(xiàn)，管道會(huì)存在較為嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)顯得尤為重要，而針對(duì)在役管道施加外加電流陰極保護(hù)是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方式，也是在埋地管道腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣、發(fā)展前景最好的技術(shù)。

1 陰極保護(hù)機(jī)理簡(jiǎn)介

陰極保護(hù)分為外加電流法和犧牲陽(yáng)極法兩種，外加電流法是指通過(guò)外加直流電源及輔助陽(yáng)極，電流經(jīng)輔助陽(yáng)極發(fā)散到大地中，電流從大地流向被保護(hù)金屬，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周?chē)h(huán)境，從而起到管道保護(hù)的作用。犧牲陽(yáng)極法是指將電位更負(fù)的金屬（鋁、鋅、鎂及其合金等）與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，電位較低的金屬上的電子會(huì)通過(guò)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去，使整個(gè)被保護(hù)金屬處于較負(fù)的電位下，起到管道保護(hù)作用[4,5]。

陰極保護(hù)對(duì)管道的保護(hù)原理可以通過(guò)腐蝕極化圖來(lái)表示，如圖1所示。其中，，分別為管道金屬在電解質(zhì)（土壤、水等）中腐蝕原電池的陰極平衡電位和陽(yáng)極平衡電位。至N、至Q分別為腐蝕原電池的理論陰極極化曲線、理論陽(yáng)極極化曲線，二者相交于S，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電位、電流則為金屬的腐蝕電位Ec和腐蝕電流Ic。圖1中Ec至N、Ec至Q曲線分別為腐蝕原電池實(shí)測(cè)的陰極極化曲線和陽(yáng)極極化曲線。當(dāng)外加陰極電流為I1時(shí)，金屬的電位由E_c降低至E1，此時(shí)腐蝕原電池的陽(yáng)極腐蝕電流為Ia1和陰極電流為Ik1，此刻金屬得到了保護(hù)。同樣的，將外加陰極電流增加至I2，此時(shí)金屬電位降低至，腐蝕原電池的陽(yáng)極腐蝕電流降為零，外加電流I2將全部用于去極化劑的陰極還原，陽(yáng)極管道金屬不會(huì)再發(fā)生失電子，管道得到了完全保護(hù)[6]。

圖1 腐蝕極化圖

2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

由于1211和1212管線路由條件復(fù)雜，部分管段處于馬路下方，并多處與第三方管線交叉和伴行，沿線開(kāi)挖難道大，管道沿線土壤電阻率大于50 Ω.m，因此不適宜采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)，需采用外加電流的方式對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)。

為了更加全面地了解被保護(hù)管道的施加陰極保護(hù)所需的電流值大小，對(duì)該管道進(jìn)行了饋電實(shí)驗(yàn)。在益佳陽(yáng)鴻院內(nèi)選擇1211和1212線的跨接連通管作為試驗(yàn)通電點(diǎn)，以廢棄埋地市政污水鋼制管（裸管）作為陽(yáng)極地床，通過(guò)整流器施加5.8A電流后，測(cè)量沿線管道電位變化，其電位記錄如表1所示。

表1 饋電實(shí)驗(yàn)電位記錄

通過(guò)電位記錄表可以看出，在通電點(diǎn)施加5.8A直流電流后，對(duì)沿線管道電位影響變化不大，在益佳陽(yáng)鴻罐區(qū)測(cè)量電位負(fù)向偏移?，F(xiàn)場(chǎng)交流發(fā)現(xiàn)，管道在海業(yè)、中燃及益佳陽(yáng)鴻院內(nèi)原油管道上存在大量的接地，且接地與廠區(qū)內(nèi)接地網(wǎng)連接在一塊，導(dǎo)致陰保電流通過(guò)接地網(wǎng)流失。

為了更加有效的實(shí)施陰極保護(hù)技術(shù)，需將該兩條管線埋地段劃分成相對(duì)獨(dú)立的保護(hù)區(qū)域。該兩條管線與其他管道的連接采用普通法蘭連接方式，處于良好的電連接狀態(tài)，在海業(yè)及益佳陽(yáng)鴻內(nèi)管道多處接地與整體房屋、罐區(qū)接地連接在一塊。為了提高陰極保護(hù)效果，在不能更換成絕緣法蘭，且無(wú)法更換絕緣墊片的情況下，建議采用為法蘭安裝絕緣螺栓套和絕緣法蘭片的方式，增大被保護(hù)管線與外部區(qū)域管道的絕緣電阻；同時(shí)，切斷管道接地與整體接地網(wǎng)的連接，以減少陰極保護(hù)電流的流失。

由于被保護(hù)的管線無(wú)法與外部管線實(shí)施非常良好的絕緣，且在管道中部有通往鴻潤(rùn)首站和油港罐區(qū)的支線，只在管道的一端設(shè)置陰保站可能會(huì)導(dǎo)致管線的另一端保護(hù)不足，因此，在管線兩端各設(shè)置一個(gè)陰保站，采用大電流輸出的恒電位儀：一個(gè)設(shè)置在青島海業(yè)油碼頭有限公司院內(nèi)，另一個(gè)設(shè)置在益佳陽(yáng)鴻院內(nèi)。

青島海業(yè)地質(zhì)條件多為后期回填區(qū)，在填層以下為風(fēng)化巖石層。益佳陽(yáng)鴻所屬區(qū)域在地表以下也幾乎全為巖石層。針對(duì)巖石層區(qū)域，每個(gè)陰保站采用多做陽(yáng)極地床并聯(lián)的方式降低接地電阻對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)。

3 陰極效果評(píng)價(jià)

首先對(duì)海業(yè)及益佳陽(yáng)鴻的絕緣法蘭兩側(cè)進(jìn)行電位檢測(cè)，其中在益佳陽(yáng)鴻端，陰極保護(hù)端和非保護(hù)端電位差距在0.6V左右，絕緣效果明顯，且陰極保護(hù)段電位滿足相關(guān)國(guó)標(biāo)要求。海業(yè)端，經(jīng)過(guò)接地拆除及管道附件拆卸后，在絕緣法蘭兩側(cè)進(jìn)行電位檢測(cè)，測(cè)得電位-1.13V（長(zhǎng)輸管道段）和-0.87V（儲(chǔ)罐段），儲(chǔ)罐端是由于儲(chǔ)罐罐底板存在外加電流保護(hù)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐電位較負(fù)，海業(yè)端絕緣效果可以為陰極保護(hù)提供良好的阻斷整體罐區(qū)的作用，使得陰極保護(hù)電流更多的保護(hù)長(zhǎng)輸管道。

為了更加方便的測(cè)量外加電流技術(shù)對(duì)長(zhǎng)輸管道的保護(hù)情況，在長(zhǎng)輸管道支線處及管道上翻的地方分別安裝了鋼質(zhì)測(cè)試樁，埋入長(zhǎng)效參比電極。通過(guò)沿線電位測(cè)量，記錄如表2所示。

表2 電位測(cè)量記錄表

通過(guò)電位測(cè)量可以看出，整條管道的電位都在-1.1～-1.2V之間，根據(jù)GB21448-2017中的極化電位-850mV準(zhǔn)則，當(dāng)構(gòu)筑物相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極的極化電位至少為-850mV時(shí)，就能達(dá)到充分保護(hù)，管道的腐蝕速率小于0.01mm/a[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)青島海業(yè)油碼頭有限公司海業(yè)—益佳陽(yáng)鴻原油管道沿線管道進(jìn)行實(shí)地考察，系統(tǒng)分析介紹了海業(yè)—益佳陽(yáng)鴻原油管道現(xiàn)行和維護(hù)情況，針對(duì)復(fù)雜的管道情況制定了可行有效的陰極保護(hù)方案，通過(guò)對(duì)管線沿途測(cè)試樁的保護(hù)電位測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，在陰極保護(hù)運(yùn)行保護(hù)期內(nèi)，管道保護(hù)電位符合-850mV準(zhǔn)則，管道處于保護(hù)狀態(tài)，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中輸油管道外表面無(wú)腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，表明將外加電流陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)復(fù)雜、管道錯(cuò)綜的輸油管道的腐蝕防護(hù)中是積極可行的。

展望：為了更加精確掌握埋地輸油管道的走向及防腐層質(zhì)量，在后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中還可運(yùn)用PCM等管道防腐層檢測(cè)儀對(duì)輸油管道的埋深、定位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，補(bǔ)充了未知管線的位置、走向、埋深等信息，為管道的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供了保障。