地下鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用

程 飛

（華陸工程科技有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710065）

地下鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用

程 飛

（華陸工程科技有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710065）

針對(duì)地下鋼質(zhì)管道腐蝕新情況、新問(wèn)題，從延長(zhǎng)油氣輸送管道的使用壽命角度出發(fā)，詳細(xì)分析鋼質(zhì)管道腐蝕形態(tài)、腐蝕機(jī)理、防腐方案；以某地區(qū)埋地鋼質(zhì)管道為例，主要采用陰極保護(hù)和防腐涂層聯(lián)動(dòng)保護(hù)體系，是一種進(jìn)行鋼制管道防腐的有效方法，并得到了犧牲陽(yáng)極、強(qiáng)制電流和陽(yáng)極井等陰極保護(hù)技術(shù)相應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)和要求，以及對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)系統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似的地下鋼質(zhì)管道防腐提供了技術(shù)支持。同時(shí)通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀，指出陰極保護(hù)與強(qiáng)電干擾軟件的開(kāi)發(fā)將是我國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展方向。

鋼質(zhì)管道；陰極保護(hù)；現(xiàn)狀；應(yīng)用

Abstract:The new situation and new problems of underground steel pipeline corrosion were researched. In order to prolong the service life of oil and gas pipeline, corrosion forms and corrosion mechanism of steel pipelines were analyzed as well as anti-corrosion ways. Taking buried steel pipeline in a certain area as an example, cathodic protection and anti-corrosion coating were mainly used to protect the pipeline system, and corresponding indicators and requirements of cathodic protection technology as well as management experiences were obtained, such as sacrificial anode, impressed current and so on. At the same time, research status of the cathodic protection technology at home and abroad was introduced, it's pointed out that the cathodic protection and high voltage interference software development will be the trend of development at the present stage in China.

Key words:Steel pipe; Cathodic protection; Present situation; Application

石油化工的迅猛發(fā)展，對(duì)管道工程提出了更高要求。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年因管道腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5 000億美元，英國(guó)和日本分別達(dá)到國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的 3.5%和 1.8%。我國(guó)每年因管道腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失至少有2 000億元，石油金屬管道腐蝕給石油工業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且環(huán)境污染較嚴(yán)重，直接威脅人們生活。因此，埋地管道防腐技術(shù)研究顯得尤為重要，不單單是一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)關(guān)系到國(guó)家資源以及環(huán)保等重大戰(zhàn)略問(wèn)題。陰極保護(hù)與管道防腐涂層可形成立體保護(hù)體系[1-3]，我國(guó)長(zhǎng)輸管道和油田集輸管線(xiàn)大部分采用的是陰極保護(hù)技術(shù)，在防腐方面的應(yīng)用比較廣泛，經(jīng)驗(yàn)比較豐富，。防腐涂層作為管道保護(hù)第一道防線(xiàn)，可以將金屬管道與外界土壤隔絕，同時(shí)為陰極保護(hù)提供絕緣條件，進(jìn)一步提高陰極保護(hù)效果；陰極保護(hù)作為金屬管道保護(hù)第二道防線(xiàn)，在遇到防腐層破損條件下，仍然可保護(hù)金屬管道，這種聯(lián)動(dòng)的防腐體系，可以降低地下鋼質(zhì)管道腐蝕效率，延長(zhǎng)油氣管道輸送壽命，確保管道運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、經(jīng)濟(jì)性。

1 國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代以前，金屬管件在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)上，主要采用現(xiàn)有的公式以及一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效果較差，而且耗費(fèi)工時(shí)[3,4]。

1824年-1834年，Davy和Faraday相繼提出用鋅犧牲陽(yáng)極法來(lái)阻止鐵制螺釘發(fā)生腐蝕，并找到電流和腐蝕程度之間的定量關(guān)系。

1902年-1928年，Cohen、Geppert和Haber等國(guó)外研究學(xué)者從電解理論和陰極保護(hù)原理出發(fā)，建立起陰極保護(hù)系統(tǒng)，提出了管道與土壤電位電路概念和相應(yīng)關(guān)系，摸索采用鋁作為輔助陽(yáng)極來(lái)保護(hù)地下水管等陰極保護(hù)方法，其中Cohen 成功將外加直流電應(yīng)用到陰極保護(hù)，發(fā)現(xiàn)電位在-0.85 V（Cu/CuSO4），可有效阻止腐蝕。1928年Kuhn首次應(yīng)用陰極保護(hù)整流器，使得陰極保護(hù)得到廣泛地發(fā)展，隨后美國(guó)陰極保護(hù)協(xié)會(huì)成立。1953年，日本國(guó)內(nèi)掀起強(qiáng)制電流陰極保護(hù)應(yīng)用浪潮。1971年-1979年，隨著陰極保護(hù)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，該方法在不同領(lǐng)域有了更為深入的應(yīng)用，Brauer等人開(kāi)始采用有限元對(duì)陰極保護(hù)進(jìn)行計(jì)算。20世紀(jì)80年代以后，美國(guó)學(xué)者獲得了較多相關(guān)陰極保護(hù)專(zhuān)利，加拿大首次采用鈦陽(yáng)極，美國(guó)開(kāi)始首次使用了噴鋅層陰極保護(hù)嘗試，也有相關(guān)學(xué)者采用“邊界元法”應(yīng)用到陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中來(lái)，國(guó)外研究學(xué)者不斷的新嘗試促進(jìn)了陰極保護(hù)技術(shù)的迅猛發(fā)展。

20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，首先在閘門(mén)、船舶等鋼鐵結(jié)構(gòu)上進(jìn)行應(yīng)用。1958年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始將陰極保護(hù)技術(shù)在埋地鋼質(zhì)油氣管道方面進(jìn)行應(yīng)用，隨后在四川、新疆和大慶等埋地管道方面得到快速推廣和應(yīng)用。

1990年，陰極保護(hù)技術(shù)首次在石化防爆廠應(yīng)用，從而掀起了深井陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)研究和應(yīng)用浪潮。2006年，武烈等人研制出了新型深井陽(yáng)極保護(hù)地床技術(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)和性能均達(dá)到當(dāng)時(shí)前列水準(zhǔn)。2009年，國(guó)內(nèi)王芷芳等學(xué)者從使用材質(zhì)方面對(duì)深井陽(yáng)極地床技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)行中的相關(guān)問(wèn)題，并進(jìn)行了改進(jìn)。國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)技術(shù)研究不斷推進(jìn)，獲得了不少適用性強(qiáng)、新型陰極保護(hù)專(zhuān)利技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)軟件方面比較欠缺，陰極保護(hù)與強(qiáng)電干擾軟件的開(kāi)發(fā)將是現(xiàn)階段發(fā)展方向。

2 地下管道腐蝕機(jī)理

地下鋼質(zhì)管道的腐蝕形態(tài)分為均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)腐蝕，其中均勻腐蝕面積較大，腐蝕深度也比較均勻，不會(huì)出現(xiàn)較大的突變，如圖1所示。

圖1 腐蝕三種形態(tài)Fig.1 Three forms of corrosion

不管何種類(lèi)型的腐蝕，其發(fā)生腐蝕的本質(zhì)即為金屬離子和電子分開(kāi)，金屬離子游離出來(lái)，進(jìn)入介質(zhì)從而產(chǎn)生腐蝕[5]。

地下鋼質(zhì)管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕三要素：①鋼質(zhì)管道自身所帶陰、陽(yáng)極區(qū)電位不等，形成電位差觸發(fā)腐蝕；②陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)同處一腐蝕介質(zhì)中；③鋼質(zhì)管材具有導(dǎo)電性，電流通過(guò)管材。

從腐蝕發(fā)生的根本原因分析，降低或消除發(fā)生陰、陽(yáng)極區(qū)電位差是避免腐蝕發(fā)生的有效途徑，陰極保護(hù)法工作原理就是向鋼質(zhì)管道結(jié)構(gòu)補(bǔ)充電子，使得陰、陽(yáng)極區(qū)電子平穩(wěn)，將電位差降低為零，從而杜絕金屬管道發(fā)生腐蝕。同時(shí)，可以在金屬管道內(nèi)外表面涂抹耐腐蝕材料，避免腐蝕介質(zhì)與金屬表面直接接觸，同時(shí)，管道表面涂抹層電阻較大，電流通過(guò)很少，也可以有效降低腐蝕速率[6,7]。歐姆定律公式：

式中：I─腐蝕電流，A；

E─電位，V；

R─電阻，Ω；

（E陰-E陽(yáng)）—腐蝕觸發(fā)動(dòng)力；

R —防腐層電阻。

倘若I→0，則（E陰-E陽(yáng)）→0，或R→∞。根據(jù)金屬腐蝕原理，陰極保護(hù)法與防腐涂層綜合使用，可從根本上防止腐蝕發(fā)生，是目前國(guó)內(nèi)外認(rèn)為最為有效、經(jīng)濟(jì)、快速的防腐方法。

3 地下鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用

以某地區(qū)埋地鋼質(zhì)管道為例，陰極保護(hù)方法分為犧牲陽(yáng)極法、強(qiáng)制電流法以及陽(yáng)極井法進(jìn)行金屬管道的維護(hù)，實(shí)例分別研究不同陰極保護(hù)技術(shù)在地下鋼質(zhì)管道防腐方面應(yīng)用，并對(duì)局部管道進(jìn)行涂覆防腐層，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，下面具體來(lái)介紹下三種陰極保護(hù)技術(shù)以及防腐涂層的使用情況。

3.1 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法

根據(jù)該地區(qū)管道實(shí)際運(yùn)行情況，來(lái)安置犧牲陽(yáng)極位置。管道沿線(xiàn)埋40組鎂合金犧牲性陽(yáng)極，4支一組，具體設(shè)計(jì)要求：

（1）采用臥式埋設(shè)陽(yáng)極，管線(xiàn)兩端分別埋兩支，陽(yáng)極上部距地面為2 m，陽(yáng)極位置與管道外壁距離為4 m。

（2）陽(yáng)極化學(xué)特性：密度為1.77 g/cm3，開(kāi)路電位為-1.5 V，電量為 1.11 A·h/d，電流效率大于50%，能耗要小于 7.95 kg/（A·a）。

（3）陽(yáng)極埋地后，進(jìn)行適度灌水，以達(dá)到飽和狀態(tài)為止。

3.2 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法主要是通過(guò)電源的正極與輔助陽(yáng)極連接，使陰極發(fā)生極化，阻止金屬管道破損點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。采用該方法需要建造陰極保護(hù)房，在房中安置三相恒電位儀一個(gè)[8,9]，如圖2所示。并且還需要挖掘50 m的深井，作為陽(yáng)極輔助地床，由12根高硅鑄鐵陽(yáng)極組成，每根陽(yáng)極有其獨(dú)立的導(dǎo)線(xiàn)，用于引出至地面，并進(jìn)行分線(xiàn)和母線(xiàn)連接，采用聚乙烯材質(zhì)制作導(dǎo)氣管，完成上述陽(yáng)極埋設(shè)后，采用混凝土進(jìn)行井口加固，避免被挪動(dòng)。

圖2 常見(jiàn)恒電位儀Fig.2 Common potentiostat

3.3 陽(yáng)極井陰極保護(hù)法

陽(yáng)極井的設(shè)置也是有嚴(yán)格的規(guī)范和要求，直接關(guān)系到陽(yáng)極井使用效果，因此，需要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：

（1）陽(yáng)極井位置應(yīng)置于水位較高處，或者潮濕的低洼地帶；

（2）所埋位置要求土壤電阻率小于50 Ω；

（3）所選取的位置避免有堅(jiān)硬的石塊，要求土層很厚，同時(shí)有利于工程施工作業(yè)；

（4）陽(yáng)極井和地下鋼質(zhì)管道區(qū)域避免有可導(dǎo)電的金屬體；

（5）陽(yáng)極井位置應(yīng)與鋼質(zhì)管道垂直間距在 50 m以上較合適。

該區(qū)域再應(yīng)用上述陰極保護(hù)技術(shù)的同時(shí)，還要定期進(jìn)行每周一次檢查以及每月一次測(cè)量，恒電位儀每?jī)蓚€(gè)月進(jìn)行更換一次，確保被保護(hù)的金屬管道電化學(xué)平衡，對(duì)測(cè)量樁要進(jìn)行定期清理、除銹，保證電流、電壓測(cè)量準(zhǔn)確。

在埋地管道陰極保護(hù)設(shè)置基本定型的情況下，土壤環(huán)境可能對(duì)管道外腐蝕有不利影響，對(duì)鋼質(zhì)管道進(jìn)行外壁涂防腐層，腐蝕介質(zhì)很難在防腐層縫隙內(nèi)進(jìn)行流通，可以將被保護(hù)的金屬管道與周?chē)h(huán)境電解質(zhì)形成絕緣隔層，金屬管道電子不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移和丟失，保持管道電化學(xué)平衡穩(wěn)定，應(yīng)用效果較好的涂層包括溶解環(huán)氧涂層、兩層PE及三層PE、雙層環(huán)氧粉末涂層、石油瀝青防腐層、HPCC涂層體系等，在缺少陰極保護(hù)條件的情況下，防腐涂層效果會(huì)有所降低，在結(jié)合陰極保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂層防腐，金屬管道可得到有效保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

地下鋼質(zhì)管道鋪設(shè)距離長(zhǎng)，管道所處的土壤環(huán)境較復(fù)雜，管道內(nèi)所輸送的石油和天然氣會(huì)對(duì)管道有所不同程度損壞，目前地下管道防腐措施較多，針對(duì)不同腐蝕原因，應(yīng)采取合適和防腐技術(shù)手段。我國(guó)長(zhǎng)輸管道和油田集輸管線(xiàn)大部分采用的是陰極保護(hù)技術(shù)，在防腐方面的應(yīng)用比較廣泛，經(jīng)驗(yàn)比較豐富，但是隨著管道埋地時(shí)間變長(zhǎng)，或多或少會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，管道老化，防腐涂料失效，管道內(nèi)外影響腐蝕因素變化，陰極保護(hù)可能被破壞，因此，為了延長(zhǎng)地下鋼質(zhì)管道的使用壽命，合理選擇防腐保護(hù)技術(shù)和涂層的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防腐管道的施工，加強(qiáng)對(duì)管道的檢測(cè)、維護(hù)和保養(yǎng)，才能確保埋地管道長(zhǎng)期有效平穩(wěn)運(yùn)行。

［1］GB/T21246-2007，埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量[S]．

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Present Situation and Application of Cathodic Protection Technology for Underground Steel Pipelines

CHENG Fei

（Hualu Engineering Science and Technology Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710065，China）

TQ 051

A

1671-0460（2017）09-1891-03

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，項(xiàng)目號(hào)：2009ZX05038-002

2017-01-01

程飛(1986-)，男，江蘇省揚(yáng)州市人，工程師，2008年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)，主要從事化工管道設(shè)計(jì)工作。郵箱：chengfei5.4@163.com。