油氣管道陰極保護技術分析

李凌風，李洪濤

(重慶科技學院，重慶 401331)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和社會生產(chǎn)力的不斷上升，油氣集輸管道和油氣長輸管道的規(guī)模也越來越大。但是油氣集輸管道在實際的生產(chǎn)運行中，有時會因為各種原因引發(fā)安全事故。與此同時，長輸油氣管道因為穿跨越距離長、管道沿線的自然地質(zhì)環(huán)境復雜多變，以及偶然發(fā)生的自然災害等因素，可能會導致管道泄漏，進而引發(fā)安全事故。安全事故的發(fā)生在一定程度上是因為管道的防腐保護層被破壞，而傳統(tǒng)的管道監(jiān)測和保護方式又費時費力。因此，有必要對陰極保護這一管道防腐技術進行分析。

1 研究歷史和現(xiàn)狀

陰極保護最開始是在英國開始應用。陰極保護技術在英國科學家戴維發(fā)明后，直到20世紀的30年代才開始在管道上推廣使用，之后便不斷發(fā)展。國外媒體曾報道，德國有 17000 km、法國有 20000 km、蘇聯(lián)有 60000 km、美國則有640000 km管道施加了陰極保護[1]。國內(nèi)在陰極保護這方面的研究相較于國外是比較落后的。在國內(nèi)，陰極保護技術最先應用在建筑物上，而石油天然氣管道的陰極保護的實驗最早是在新中國成立后的1958年進行的，然后于20世紀的60年代在大慶等油氣管道上推廣。1970年長輸管道開始建設時，陰極保護技術已經(jīng)被納入設計范圍，因為它可以成功減緩管道的腐蝕，延長管道的使用壽命，為管道的安全生產(chǎn)提供技術保證[2]。在天然氣管道的陰極保護方面，截止到2018年，我國在這個方面共有31項專利，但是有權(quán)限的專利僅有13項[3]。

2 原理和常用方法

2.1 原理

在石油天然氣行業(yè)內(nèi)，陰極保護是一種應用廣泛而且效果較好的管道防腐方式。它的原理就是在管道上安裝電位更低的金屬或其它材料，這樣一來，安裝的材料就成為了陽極。而管道本身就成為了陰極，陰極會出現(xiàn)陰極極化現(xiàn)象，從而在腐蝕發(fā)生時大大減緩腐蝕發(fā)生的速度，進而延長管道的使用壽命。

2.2 常用方法

2.2.1 犧牲陽極保護法

犧牲陽極保護法是指在具體某種環(huán)境中(比如土壤所導致的電化學腐蝕)，犧牲陽極與被保護金屬會形成原電池。就管道本身而言，在原電池中作為電位較高的陰極的管道會更難失去電子，而作為電位較低的陽極的金屬材料則更容易失去電子，失去的電子會在管道的表面發(fā)生還原反應，從而保護管道不受腐蝕。常見的材料是鎂、鋅、鋁，具體的優(yōu)缺點：

1)優(yōu)點：操作非常簡單、安裝費用少、投入使用后不需要維護、不需要額外的電源;2)缺點：保護電流不可調(diào)節(jié)、不適用于高電阻率的環(huán)境、運行壽命相對較短、輸出電流有限。

2.2.2 外加電流保護法

外加電流保護法是一種主動防腐的方式，需要安裝額外的電源，以此提供所需的保護電流。在這種方法中，管道作為陰極，然后選用其它適合的材料作為陽極，與管道共同構(gòu)成電解池。生產(chǎn)運行時，油氣管道表面會發(fā)生陰極反應，同時外加的電源會增加管道表面上反應所需的電子含量，進而達到減緩管道腐蝕的目的。常見的材料是石墨、高硅鑄鐵，具體組成和優(yōu)缺點:

1)組成：恒電位儀、載流電纜、測試電纜、參比電極、輔助陽極、相關附屬設備;2)優(yōu)點：電流可控性好、使用壽命長、適用于高電阻環(huán)境、保護范圍全面;3)缺點：需要外部電源、引發(fā)雜散電流，導致過保護，可能引起防腐層的破壞、一次性投資及使用費用較高。

3 存在的問題

1)管道外部保護層的質(zhì)量不合格

部分管道外部保護層的質(zhì)量差，使得管道外部防腐保護層存在著非常多的問題。與此同時，進行施工時，沒有進行必要的保護措施，造成防腐層的破壞比較嚴重，對管道造成嚴重的腐蝕[4]。

2)恒電位儀故障

這種故障是陰極保護最常見的故障之一，可分為內(nèi)部原因和外部原因。恒電位儀的內(nèi)部包含電路板、可控硅、繼流二極管、變壓器和顯示儀表等部分，如果這些電子元件出現(xiàn)了問題，恒電位儀就會出現(xiàn)故障，陰極保護系統(tǒng)的保護能力就會下降。外部的原因就是恒電位儀之外的設備出現(xiàn)了故障，使恒電位儀讀數(shù)出現(xiàn)異常。

3)陽極故障

陰極保護系統(tǒng)的陽極故障也是一種比較常見的故障，主要有3種情況：

①提供的電流減小，并且不能達到預設的電位；②提供的電流增大，但是管道的電位沒有發(fā)生新的變化；③本身腐蝕不嚴重，但不能正常工作。

4)雜散電流干擾

雜散電流強度大，集中產(chǎn)生在電阻小、易放電的局部位置，具有很強的破壞性，可以在很快的時間內(nèi)發(fā)生腐蝕并且嚴重干擾陰極保護系統(tǒng)的正常運行，陽極的極性會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，對管道、環(huán)境都可造成嚴重的傷害[5-6]。

4 改進措施

針對上述存在的問題，提出對應的改進措施。

1)管道質(zhì)量方面

①選擇防腐性能更優(yōu)秀的管材，提高油氣管道本身的質(zhì)量。②提高腐蝕裕量，增加管道的壁厚。這樣雖然管道的造價會更高，但是極大提高了管道的安全性，在一定程度上減少甚至杜絕了管道泄漏的風險。③使用加強級3PE保護層。目前國內(nèi)油氣管道普遍使用的是普通3PE保護層，使用加強級3PE可以大幅提高防腐層的質(zhì)量。④管道施工時嚴格按照施工規(guī)范施工作業(yè)，注意保護管道外部保護層。此外在穿跨越地段，應在管道外部加上一層套管，根據(jù)具體的條件采用鋼管套管或混凝土套管，以提高整體的安全性。

2)恒電位儀方面

①內(nèi)部原因：對于恒電位儀設備，設備老化后，不僅保護效率會下降，內(nèi)部的電子元件的故障率也會大幅提高的問題。解決的方法就是更換新的恒電位儀。②外部原因：應仔細檢查陰極保護系統(tǒng)的其它部分。例如，電纜、參比電極、輔助陽極，及時的修復。

3)陽極方面

①補充新的陽極、檢查陽極和管道之間連接是否正常以及周圍的地質(zhì)環(huán)境對陽極的影響，如果連接松動，就要修復。②檢查絕緣層是否老化或者受到破壞以及故障周圍的地質(zhì)環(huán)境是否發(fā)生了改變，如果有破損，就要重新鋪設絕緣層。③對于有可能是陽極本身的質(zhì)量不高，含有非常多的雜質(zhì)，不僅導致電流效率不高，自身也受到局部的腐蝕的問題，解決方法就是選擇和更換質(zhì)量更高，材質(zhì)更純的陽極。

4)雜散電流方面

①直流雜散電流干擾：改進原有的陰極保護系統(tǒng)，使其能抵消干擾電流的影響;移除干擾電源或者增大管道與干擾電源之間的距離;安裝排流裝置。

②交流雜散電流干擾；安裝絕緣接頭；安裝排流裝置。

5 未來方向展望

1)更完善的陰極保護設計規(guī)范

陰極保護規(guī)范能夠指導陰極保護系統(tǒng)的設計及運行，對于陰極保護技術十分重要[7]。目前國內(nèi)的主要參考標準是《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范》(GBT 21448-2017)，距今已經(jīng)過去了數(shù)年時間，不能完全滿足油氣管道生產(chǎn)運行高效、穩(wěn)定的需求，因此應該進一步開展相關科學研究，建立更完善的陰極保護設計規(guī)范：

①根據(jù)我國油氣管道生產(chǎn)運行的現(xiàn)狀，通過理論推導以及實驗驗證可行性，完善現(xiàn)有的陰極保護設計規(guī)范；

②針對干擾電流對陰極保護系統(tǒng)的影響，如直流雜散電流干擾，可以開展理論研究以及引進國外相關的先進標準，完善我國直流電干擾下管道的陰極保護標準；

③針對干擾電流對陰極保護系統(tǒng)的影響，如交流雜散電流干擾，可以研究相對應的腐蝕機理，必要時可以引進國外有關的專業(yè)標準，完善我國交流電干擾下管道的陰極保護標準。

2)更仿真的陰極保護數(shù)值模擬技術

數(shù)值模擬技術對于陰極保護理論推導和計算十分重要，通過計算機軟件驗證理論的可行性，同時也是未來的發(fā)展趨勢，有2個主要的發(fā)展方向：

①繼續(xù)提高陰極保護數(shù)值模擬的精度，不斷深入研究管道擬真極化曲線測量，進一步完善各種環(huán)境下的管道極化曲線數(shù)據(jù)庫，以此提高理論計算水平，使模擬的數(shù)據(jù)更加靠近實際生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)，便于解決實際工程問題。

②充分利用電腦軟件相較于人工在計算分析層面的長處，開發(fā)出更智能、準確的軟件。使其能夠更好地幫助設計人員對油氣管道陰極保護系統(tǒng)尤其是復雜油氣管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)進行設計以及維護。

3)更智能的陰極保護數(shù)字化系統(tǒng)

目前，部分管道的陰極保護系統(tǒng)設備尚不能進行斷電后的電位測量，不能滿足石油天然氣生產(chǎn)運行日益擴大的要求[8]。因此，隨著未來科學技術的進步，尤其是當衛(wèi)星同步技術、計算機電子技術、陰極保護技術三者結(jié)合在一起后，陰極保護技術就會更有效率。在未來，數(shù)字化的陰極保護系統(tǒng)不僅能通電電位檢測，還能斷電電位檢測，同時將數(shù)據(jù)上傳至服務器終端，使各項數(shù)據(jù)更加準確和完善，從而滿足石油天然氣生產(chǎn)運行日益擴大的實際需求。

6 結(jié)束語

隨著油氣行業(yè)的規(guī)模不斷擴大，在未來遇到的影響生產(chǎn)運行的腐蝕情形會越來越復雜，而陰極保護技術作為一種保護管道的重要手段，也要與時俱進，不斷更新和發(fā)展，這樣才能確保和延長管道的使用壽命，進而確保和促進整個行業(yè)的發(fā)展和進步。