陰極保護(hù)在埋地鋼質(zhì)管道的應(yīng)用

潘宗江 楊 威 韓 毅 張毅澤 胡 波 田 野

（1. 石油工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，黑龍江 大慶 163316；2.華北油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心，河北 任丘 062550）

0 引言

金屬管道發(fā)生腐蝕，是金屬的一種普遍的、不可逆的現(xiàn)象，絕大多數(shù)金屬在自然界中以氧化物的形式存在，其結(jié)構(gòu)及化學(xué)性能穩(wěn)定，金屬單質(zhì)或其合金在自然界中的腐蝕結(jié)果，一般產(chǎn)物是其氧化物，可以說(shuō)，金屬合金的腐蝕是回歸自然的過(guò)程。管道發(fā)生腐蝕，甚至穿孔泄漏輸送介質(zhì)，其危害很大；據(jù)中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目調(diào)研報(bào)告，我國(guó)2014 年因管道腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.1萬(wàn)億元，約占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%。管道腐蝕所引發(fā)的事故不單會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)造成水質(zhì)、土壤、大氣等嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至危害群眾的生命安全，影響人民的正常生活和生產(chǎn)活動(dòng)。陰極保護(hù)技術(shù)作為埋地鋼質(zhì)管道的一項(xiàng)有效的防護(hù)手段，為保護(hù)管道安全、延長(zhǎng)管道服役壽命，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供有效保障，發(fā)揮著重要作用[1,2]。

1 陰極保護(hù)在我國(guó)管道行業(yè)的發(fā)展

經(jīng)過(guò)多年來(lái)管道腐蝕與防護(hù)的廣大從業(yè)者及研究人員的探索，使得陰極保護(hù)技術(shù)原理的研究以及配套產(chǎn)品服務(wù)的完善都有長(zhǎng)足進(jìn)步，隨著新理論新技術(shù)新產(chǎn)品的不斷迭代發(fā)展，專業(yè)性人才的培養(yǎng)受到關(guān)注，標(biāo)準(zhǔn)體系的日趨完善，使國(guó)內(nèi)管道行業(yè)實(shí)施重大工程的能力、故障診斷水平、解決技術(shù)難題的能力都不斷提升，行業(yè)整體的技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距逐漸變小。伴隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化建設(shè)的深入，都需要投入大量的基礎(chǔ)建設(shè)，而敷設(shè)不同用途的管道更是重中之重；一大批重大的管道工程項(xiàng)目的上馬也促進(jìn)了陰極保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步和行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)陰極保護(hù)技術(shù)的實(shí)施提出了更高的要求。

陰極保護(hù)技術(shù)是有效抑制埋地鋼質(zhì)管道腐蝕的方法，其技術(shù)發(fā)展迄今已有一百多年的歷史，電化學(xué)保護(hù)技術(shù)也是國(guó)際公認(rèn)的可靠有效的腐蝕防護(hù)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于不用環(huán)境介質(zhì)中的金屬構(gòu)筑物的腐蝕防護(hù)。陰極保護(hù)技術(shù)在我國(guó)的長(zhǎng)輸管道中也得到廣泛的應(yīng)用，如西氣東輸管線、陜京線、以及大量的油氣輸送管網(wǎng)和各種長(zhǎng)距離的供水管網(wǎng)中，不少城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€也越來(lái)越多使用了該技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)廠區(qū)內(nèi)的部分地下重要管線也采用陰極保護(hù)，特別是高壓、高危的管道，陰極保護(hù)技術(shù)因其有效可靠而在埋地鋼質(zhì)管道的應(yīng)用日發(fā)普遍。

2 陰極保護(hù)技術(shù)的原理及工程應(yīng)用

陰極保護(hù)技術(shù)的基本原理是從腐蝕的化學(xué)變化出發(fā)，當(dāng)對(duì)需要保護(hù)的金屬補(bǔ)充大量的電子，使其表面達(dá)到電子過(guò)剩的狀態(tài)，此狀態(tài)下，金屬本身的電子不容易失去，從而抑制了金屬的氧化反應(yīng)，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。陰極保護(hù)的本質(zhì)是為金屬源源不斷地提供電子，具體實(shí)施方法可分為強(qiáng)制電流法和犧牲陽(yáng)極法。

強(qiáng)制電流法是利用了難以被腐蝕的導(dǎo)電材料作為輔助陽(yáng)極，從簡(jiǎn)單的鋼鐵發(fā)展到石墨、高硅鑄鐵、磁性氧化鐵、貴金屬氧化物陽(yáng)極等。在管道與輔助陽(yáng)極之間，施加直流電源，電源正極接陽(yáng)極地床，負(fù)極接被保護(hù)的管道，直流電流通過(guò)輔助陽(yáng)極流入大地，經(jīng)管道回流至電源處，如圖1所示。保護(hù)電流使金屬管道發(fā)生陰極極化，當(dāng)管道的極化電位達(dá)到保護(hù)電位時(shí)，管道的腐蝕受到抑制。

圖1

犧牲陽(yáng)極法對(duì)管道的保護(hù)原理與強(qiáng)制電流的原理是一樣的，其對(duì)管道的保護(hù)原理同樣是提供足夠的電子。犧牲陽(yáng)極法是利用了兩種金屬在相同介質(zhì)中表現(xiàn)的電位差，從而產(chǎn)生電流的效應(yīng)，將電位比管道更負(fù)的金屬或合金與管道相連，兩者在土壤介質(zhì)中便構(gòu)成腐蝕原電池，依靠電位更負(fù)的金屬不斷溶解時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而為管道源源不斷地提供電子。犧牲陽(yáng)極的埋設(shè)和壽命，與土壤的電阻率有很大的關(guān)系，根據(jù)土壤環(huán)境的特性選擇不同構(gòu)成的陽(yáng)極金屬以及安裝密度，確保犧牲陽(yáng)極有足夠強(qiáng)的電流輸出和使用壽命，常見(jiàn)的犧牲陽(yáng)極有鎂陽(yáng)極、鋅陽(yáng)極、鋅鎂合金陽(yáng)極等。

犧牲陽(yáng)極法，如圖2所示。其最為突出的優(yōu)點(diǎn)是成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、工程容易實(shí)現(xiàn)、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類的水下設(shè)施、船舶、鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)等海洋基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕防護(hù)，各大油田內(nèi)，油井套管通常是使用深井犧牲陽(yáng)極的方法，在套管旁設(shè)置陽(yáng)極深井，將串狀陽(yáng)極放進(jìn)井內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證明，此方法能夠?yàn)樘坠芴峁┝己玫谋Ｗo(hù)，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，符合油田的效益和實(shí)際需求，并且不影響其他地下金屬構(gòu)筑物。經(jīng)研究表明，犧牲陽(yáng)極的埋設(shè)深度往往是決定其保護(hù)效果的關(guān)鍵因素，原因是犧牲陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)自于兩種金屬的電位差，當(dāng)土壤介質(zhì)的電阻和犧牲陽(yáng)極與土壤介質(zhì)的接觸電阻較大時(shí)，保護(hù)范圍將大大降低。因此，深埋陽(yáng)極提供的保護(hù)效果明顯好于淺埋 陽(yáng)極。

圖2

犧牲陽(yáng)極的埋設(shè)設(shè)計(jì)，不僅需要關(guān)注材料的特性，還應(yīng)該考慮埋設(shè)環(huán)境的腐蝕特征、陽(yáng)極的極化速率、材料的電容量、最大壽命、更換周期等，只有正確設(shè)計(jì)和安裝犧牲陽(yáng)極，才能為管道提供行之有效的保護(hù)。

相對(duì)于犧牲陽(yáng)極溶解活潑金屬為管道提供電子的方式，強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)方法是通過(guò)外接直流電源，為金屬提供保護(hù)電流，使其極化。根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的分布范圍不同，分為獨(dú)立體系和區(qū)域性陰極保護(hù)。區(qū)域的陰極保護(hù)，即某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)使用相同的陰極保護(hù)源，通常做法時(shí)將多根需要保護(hù)的管道連接起來(lái)，如常見(jiàn)的均壓線，系統(tǒng)設(shè)置電流平衡裝置，來(lái)平衡各管道的電流大小，此方法的特點(diǎn)是：使用一個(gè)電流源即可保護(hù)多個(gè)對(duì)象，包括管道和不同的金屬構(gòu)筑物，成本低；但因?yàn)樾枰Ｗo(hù)的對(duì)象繁多，保護(hù)電流消耗大，對(duì)電路的負(fù)擔(dān)的較大；地下金屬結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，容易形成雜散電流干擾，屏蔽問(wèn)題突出且難以發(fā)現(xiàn)；后期調(diào)試整改難 度大[3]。

獨(dú)立體系的陰極保護(hù)是指管道使用獨(dú)立的陰極保護(hù)系統(tǒng)，包括獨(dú)立的輔助陽(yáng)極和獨(dú)立的恒電位儀。這樣做能很好解決的保護(hù)電流相互干擾的問(wèn)題，使得保護(hù)電流更容易調(diào)節(jié)，但是造價(jià)昂貴，保護(hù)程度低。

兩種陰極保護(hù)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)對(duì)象所處的環(huán)境、被保護(hù)的范圍、投入收益等情況，綜合考慮保護(hù)方式的選擇。一些較為復(fù)雜的情況下，兩種陰極保護(hù)方法可同時(shí)使用，作為相互補(bǔ)充的手段，能為管道提供穩(wěn)定的、可靠的保護(hù)效果。

3 雜散電流與陰極保護(hù)

城市化帶來(lái)的密集的、龐大的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，伴隨而來(lái)的時(shí)嚴(yán)峻的雜散電流威脅，近些年來(lái)，由于雜散電流的電解作用而腐蝕穿孔的案例越發(fā)增多，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，雜散電流的危害，因其出現(xiàn)的隱蔽性、突發(fā)性、嚴(yán)重性都必須受到足夠的重視。很多發(fā)達(dá)國(guó)家考慮到雜散電流問(wèn)題帶來(lái)的重大安全隱患，都高度重視這一科研課題，投入了大量的人力、物力和財(cái)力，相關(guān)的研究工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期和深入的研究，關(guān)于雜散電流對(duì)管道腐蝕影響的研究得出，可以通過(guò)提高陰極保護(hù)系統(tǒng)的陰極電流輸出來(lái)解決這一威脅。

一些雜散電流干擾的情況下，即使?jié)M足-0.850V的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，管線也可能發(fā)生腐蝕。雜散電流導(dǎo)致的金屬腐蝕行為是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，不僅受雜散電流干擾電壓、電流密度及陰極保護(hù)水平影響，還與土壤環(huán)境和防腐層缺陷大小等因素有關(guān)[4]。

CIPS是成熟的、常用的測(cè)量管道陰極保護(hù)效果的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了管道陰極保護(hù)通電/斷電電位測(cè)量。但當(dāng)管線存在雜散電流干擾時(shí)，因測(cè)量過(guò)程中不能同時(shí)切斷外部干擾電流，土壤中的雜散電流會(huì)形成大小各異的電壓降，大小可以在幾毫安至幾百毫安以上，故使用CIPS技術(shù)不能測(cè)出準(zhǔn)確的斷電電位。此時(shí)，可以使用試片法進(jìn)行電位測(cè)量，其基本原理：試片通過(guò)測(cè)試樁與管道相連，在斷開試片與管道連接的瞬間，測(cè)得試片斷電電位。經(jīng)研究表明：試片陰極保護(hù)行為與管道上同等面積防腐層漏點(diǎn)陰極保護(hù)行為相同，即某特定面積試片陰極保護(hù)效果代表著管道上同等面積漏點(diǎn)陰極保護(hù)效果。因此，利用試片法也可以評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)效果[5]。

極化探頭其將極化試片和參比電極組合在一起，通過(guò)使試片和參比電極的距離足夠小，以此消除雜散電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。結(jié)果表明，與其他方法的測(cè)量結(jié)果相比，用極化探頭法可以使電位測(cè)量誤差最小。盡管目前行業(yè)內(nèi)開發(fā)出許多不同類型、不同材質(zhì)的極化探頭，但是應(yīng)用于復(fù)雜不同的工況中，依然暴露出一些問(wèn)題，產(chǎn)品的壽命、性能、精度都有進(jìn)一步提高的空間。