芻議油氣管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

摘要：油氣管道外腐蝕控制系統(tǒng)由防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)組成。防腐層是控制管道腐蝕的第一道防線，然而管道在建設(shè)施工及運(yùn)行過程中，防腐層不可避免地會(huì)因機(jī)械碰撞或土壤應(yīng)力出現(xiàn)一些漏點(diǎn)，導(dǎo)致管體與腐蝕性環(huán)境接觸而受到腐蝕威脅。陰極保護(hù)系統(tǒng)則為這些漏點(diǎn)處管體提供附加保護(hù)，防止管道發(fā)生腐蝕，是管道腐蝕控制的第二道防線。介紹了我國廣泛使用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則及其不足，當(dāng)前使用的陰極保護(hù)計(jì)算方法、陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展方向，目前陰極保護(hù)的裝備情況及其不足。

關(guān)鍵詞：油氣管道;陰極保護(hù);準(zhǔn)則

1技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

陰極保護(hù)準(zhǔn)則是陰極保護(hù)的核心技術(shù)指標(biāo)，是管道陰極保護(hù)狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行。GB/T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》明確陰極保護(hù)電位指管/地界面極化電位（管/地?cái)嚯婋娢唬┦顷帢O保護(hù)準(zhǔn)則的評(píng)判指標(biāo)，并規(guī)定一般情況下使用的兩個(gè)主要判據(jù)：①管道陰極保護(hù)電位應(yīng)負(fù)于-850 mV（CSE），但應(yīng)正于-1 200 mV（CSE）;②當(dāng)上述準(zhǔn)則難以達(dá)到時(shí)，可采用管道陰極極化電位差或去極化電位差大于100 mV 作為判據(jù)。雖然上述準(zhǔn)則已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣管道陰極保護(hù)的建設(shè)與運(yùn)行，但尚存以下不足：

（1）陰極保護(hù)準(zhǔn)則適用溫度。GB/T 21448-2008非等效采用了ISO 15589-1《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)陰極保護(hù)第1 部分：陸上管道》。ISO 15589-1 中明確指出當(dāng)管道運(yùn)行溫度高于40 ℃時(shí)，上述準(zhǔn)則不能為管道提供充分保護(hù)。GB 21448-2008 也指出在高溫等特殊條件下，陰極保護(hù)可能無效或部分無效。我國原油管道加熱站及輸氣管道壓縮機(jī)站出站段管道運(yùn)行溫度常常高于40 ℃，故現(xiàn)有準(zhǔn)則不滿足高溫段油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行要求，應(yīng)開展高運(yùn)行溫度管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則研究。

（2）存在動(dòng)態(tài)直流干擾時(shí)陰極保護(hù)準(zhǔn)則。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，油氣管道受到的直流干擾越來越嚴(yán)重，多數(shù)直流干擾都會(huì)造成管道的電位波動(dòng)，而這種電位波動(dòng)會(huì)造成在部分時(shí)間內(nèi)管道電位偏離準(zhǔn)則。現(xiàn)行的SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》沒有明確規(guī)定允許管道電位偏離準(zhǔn)則的程度與時(shí)長(zhǎng)，造成現(xiàn)有準(zhǔn)則無法有效指導(dǎo)動(dòng)態(tài)直流干擾下陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行管理。而在這方面，澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.2《金屬的陰極保護(hù)第2 部分：密集埋地結(jié)構(gòu)》給出了明確規(guī)定。因此，可通過引進(jìn)國外先進(jìn)準(zhǔn)則完善我國現(xiàn)有陰極保護(hù)準(zhǔn)則。

（3）交流干擾下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則。交流干擾下，經(jīng)典的陰極保護(hù)-850 mV（CSE）準(zhǔn)則不再適用。此時(shí)，被保護(hù)金屬處于“加速腐蝕-自然腐蝕-阻礙腐蝕”的周期性狀態(tài)，因而降低了陰極保護(hù)水平，使被保護(hù)金屬發(fā)生明顯腐蝕。但至今國內(nèi)外都未能提出交流干擾下有效的陰極保護(hù)準(zhǔn)則。因此，有必要通過交流干擾腐蝕機(jī)理研究，建立交流干擾下的管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則。

1.2 陰極保護(hù)計(jì)算

陰極保護(hù)計(jì)算是陰極保護(hù)的核心技術(shù)，用于構(gòu)建陰極保護(hù)系統(tǒng)的理論模型，指導(dǎo)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行;其核心在于計(jì)算陰極保護(hù)電流、電位在管道表面及周圍電解質(zhì)中的分布。我國目前廣泛應(yīng)用的陰極保護(hù)計(jì)算方法來源于GB/T 21448-2008。近幾年逐漸興起的數(shù)值模擬技術(shù)為陰極保護(hù)計(jì)算提供了新的途徑，其通過建立管道、陰極保護(hù)系統(tǒng)及周圍土壤的數(shù)值模型，結(jié)合管/地極化曲線，利用有限元或邊界元方法求解電場(chǎng)方程，計(jì)算管道表面極化電位及管道周圍電場(chǎng)分布。理論上，利用數(shù)值模擬技術(shù)可以進(jìn)行任意復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)的計(jì)算，而且可以計(jì)算出金屬結(jié)構(gòu)的極化電位（斷電電位）及周圍電場(chǎng)分布，即金屬結(jié)構(gòu)的通電及斷電電位。雖然目前因缺乏可靠的管/地極化曲線，尚不能準(zhǔn)確計(jì)算管道極化電位（斷電電位）和通電電位，但完全可以實(shí)現(xiàn)定性或半定量分析。目前，國外已利用此技術(shù)進(jìn)行潛水艇及海洋平臺(tái)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)的輔助設(shè)計(jì)。

1.3 陰極保護(hù)裝備

陰極保護(hù)裝備組成陰極保護(hù)系統(tǒng)，主要包括陰極保護(hù)電源系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，前者由電源和陽極地床組成，其中電源是核心裝備;后者由沿線測(cè)試樁、測(cè)量?jī)x表及參比電極組成。

國內(nèi)陰極保護(hù)電源采用恒電位儀，國外陰極保護(hù)電源大多采用整流器。雖然兩者在功能上有所差別，但技術(shù)水平大體相當(dāng)。陰極保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)主要由電位測(cè)試樁、萬用表及參比電極組成。現(xiàn)有裝備只能實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)通電電位的測(cè)量，而不能進(jìn)行陰極保護(hù)斷電電位測(cè)量。由于陰極保護(hù)準(zhǔn)則中的評(píng)判指標(biāo)是管道斷電電位，而日常管理中測(cè)量和控制的是管道通電電位，因此，目前陰極保護(hù)裝備不能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則對(duì)管道運(yùn)行管理的要求。

當(dāng)前，陰極保護(hù)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)管道電位及交流電壓的測(cè)量和傳輸。該技術(shù)降低了一線員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了電位數(shù)據(jù)可靠性，增加了數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)系統(tǒng)的定時(shí)監(jiān)測(cè)。通過測(cè)量和記錄管道沿線電位，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道交直流干擾的監(jiān)測(cè)，而且基于管道沿線電位分布及變化的分析還可以了解沿線干擾源分布及管道防腐層狀況。雖然目前只能進(jìn)行通電電位測(cè)量，但推廣自動(dòng)測(cè)量技術(shù)是陰極保護(hù)及交直流干擾控制的必然要求。

近些年，從國外引進(jìn)的電流同步中斷電位測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)通電及斷電電位測(cè)量，其由時(shí)鐘同步電流中斷器和時(shí)鐘同步電位采集器組成。測(cè)量時(shí)，電流中斷器安裝于恒電位儀陽極輸出端;測(cè)量者以電位采集器在管道沿線進(jìn)行電位測(cè)量。電流中斷器與電位采集器內(nèi)置GPS 信號(hào)接收系統(tǒng)，可接收GPS 時(shí)鐘信號(hào)。通過設(shè)置通斷參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩種設(shè)備周期性同步通斷，從而測(cè)量出管道通電/斷電電位。但是，由于國內(nèi)陰極保護(hù)電源采用恒電位儀，電流中斷器又周期性外部中斷恒電位儀輸出，因此，測(cè)量過程會(huì)造成恒電位儀周期性輸出電壓、電流沖擊。這種沖擊不僅可能造成恒電位儀損壞，還會(huì)造成測(cè)量誤差。可見，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)結(jié)合我國國情研發(fā)具備通電/斷電電位測(cè)量功能的陰極保護(hù)裝備是必然發(fā)展方向。

2 管理現(xiàn)狀

油氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)目標(biāo)不同，可分為線路陰極保護(hù)系統(tǒng)和站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)。目前，線路管道均安裝有陰極保護(hù)系統(tǒng)。近些年，開始為油氣管道站場(chǎng)安裝區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)，以保護(hù)工藝管道及儲(chǔ)罐，但還有一些在役站場(chǎng)尚未安裝區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

綜上所述，我國現(xiàn)有陰極保護(hù)準(zhǔn)則并不能完全滿足油氣管道生產(chǎn)需求，建立完善的陰極保護(hù)準(zhǔn)則是油氣管道陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然要求。隨著油氣管道事業(yè)飛速發(fā)展，管道面臨的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，陰極保護(hù)技術(shù)在管道腐蝕控制方面發(fā)揮越來越重要的作用，同時(shí)在多方面受到更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)在油氣管道陰極保護(hù)建設(shè)和運(yùn)行中遇到的各種困難，需在現(xiàn)有陰極保護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上，廣泛動(dòng)員各方面力量，綜合應(yīng)用電化學(xué)、數(shù)值模擬、衛(wèi)星、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，不斷提高油氣管道陰極保護(hù)技術(shù)水平，滿足技術(shù)及管理需求，保障油氣管道安全、高效運(yùn)行。

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