芻議油氣管道陰極保護技術現狀

摘要：油氣管道外腐蝕控制系統由防腐層和陰極保護系統組成。防腐層是控制管道腐蝕的第一道防線，然而管道在建設施工及運行過程中，防腐層不可避免地會因機械碰撞或土壤應力出現一些漏點，導致管體與腐蝕性環境接觸而受到腐蝕威脅。陰極保護系統則為這些漏點處管體提供附加保護，防止管道發生腐蝕，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準則及其不足，當前使用的陰極保護計算方法、陰極保護數值模擬技術的發展方向，目前陰極保護的裝備情況及其不足。

關鍵詞：油氣管道;陰極保護;準則

1技術現狀

1.1 陰極保護準則

陰極保護準則是陰極保護的核心技術指標，是管道陰極保護狀態的評判標準，指導陰極保護設計和運行。GB/T 21448-2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》明確陰極保護電位指管/地界面極化電位（管/地斷電電位）是陰極保護準則的評判指標，并規定一般情況下使用的兩個主要判據：①管道陰極保護電位應負于-850 mV（CSE），但應正于-1 200 mV（CSE）;②當上述準則難以達到時，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。雖然上述準則已經廣泛應用于油氣管道陰極保護的建設與運行，但尚存以下不足：

（1）陰極保護準則適用溫度。GB/T 21448-2008非等效采用了ISO 15589-1《石油天然氣工業管道輸送系統陰極保護第1 部分：陸上管道》。ISO 15589-1 中明確指出當管道運行溫度高于40 ℃時，上述準則不能為管道提供充分保護。GB 21448-2008 也指出在高溫等特殊條件下，陰極保護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站出站段管道運行溫度常常高于40 ℃，故現有準則不滿足高溫段油氣管道生產運行要求，應開展高運行溫度管道陰極保護準則研究。

（2）存在動態直流干擾時陰極保護準則。隨著我國經濟的發展，油氣管道受到的直流干擾越來越嚴重，多數直流干擾都會造成管道的電位波動，而這種電位波動會造成在部分時間內管道電位偏離準則。現行的SY/T 0017-2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》沒有明確規定允許管道電位偏離準則的程度與時長，造成現有準則無法有效指導動態直流干擾下陰極保護系統的運行管理。而在這方面，澳大利亞標準AS 2832.2《金屬的陰極保護第2 部分：密集埋地結構》給出了明確規定。因此，可通過引進國外先進準則完善我國現有陰極保護準則。

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

1.2 陰極保護計算

陰極保護計算是陰極保護的核心技術，用于構建陰極保護系統的理論模型，指導陰極保護設計和運行;其核心在于計算陰極保護電流、電位在管道表面及周圍電解質中的分布。我國目前廣泛應用的陰極保護計算方法來源于GB/T 21448-2008。近幾年逐漸興起的數值模擬技術為陰極保護計算提供了新的途徑，其通過建立管道、陰極保護系統及周圍土壤的數值模型，結合管/地極化曲線，利用有限元或邊界元方法求解電場方程，計算管道表面極化電位及管道周圍電場分布。理論上，利用數值模擬技術可以進行任意復雜金屬結構陰極保護的計算，而且可以計算出金屬結構的極化電位（斷電電位）及周圍電場分布，即金屬結構的通電及斷電電位。雖然目前因缺乏可靠的管/地極化曲線，尚不能準確計算管道極化電位（斷電電位）和通電電位，但完全可以實現定性或半定量分析。目前，國外已利用此技術進行潛水艇及海洋平臺等復雜結構陰極保護的輔助設計。

1.3 陰極保護裝備

陰極保護裝備組成陰極保護系統，主要包括陰極保護電源系統和測量系統，前者由電源和陽極地床組成，其中電源是核心裝備;后者由沿線測試樁、測量儀表及參比電極組成。

國內陰極保護電源采用恒電位儀，國外陰極保護電源大多采用整流器。雖然兩者在功能上有所差別，但技術水平大體相當。陰極保護測量系統主要由電位測試樁、萬用表及參比電極組成。現有裝備只能實現陰極保護通電電位的測量，而不能進行陰極保護斷電電位測量。由于陰極保護準則中的評判指標是管道斷電電位，而日常管理中測量和控制的是管道通電電位，因此，目前陰極保護裝備不能滿足陰極保護準則對管道運行管理的要求。

當前，陰極保護參數自動測量技術已經實現管道電位及交流電壓的測量和傳輸。該技術降低了一線員工勞動強度，提高了電位數據可靠性，增加了數據量，實現了陰極保護系統的定時監測。通過測量和記錄管道沿線電位，不僅可以實現對管道交直流干擾的監測，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。雖然目前只能進行通電電位測量，但推廣自動測量技術是陰極保護及交直流干擾控制的必然要求。

近些年，從國外引進的電流同步中斷電位測量技術實現了陰極保護通電及斷電電位測量，其由時鐘同步電流中斷器和時鐘同步電位采集器組成。測量時，電流中斷器安裝于恒電位儀陽極輸出端;測量者以電位采集器在管道沿線進行電位測量。電流中斷器與電位采集器內置GPS 信號接收系統，可接收GPS 時鐘信號。通過設置通斷參數可以實現兩種設備周期性同步通斷，從而測量出管道通電/斷電電位。但是，由于國內陰極保護電源采用恒電位儀，電流中斷器又周期性外部中斷恒電位儀輸出，因此，測量過程會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，還會造成測量誤差。可見，借鑒國外先進技術結合我國國情研發具備通電/斷電電位測量功能的陰極保護裝備是必然發展方向。

2 管理現狀

油氣管道陰極保護系統根據保護目標不同，可分為線路陰極保護系統和站場區域陰極保護系統。目前，線路管道均安裝有陰極保護系統。近些年，開始為油氣管道站場安裝區域陰極保護系統，以保護工藝管道及儲罐，但還有一些在役站場尚未安裝區域陰極保護系統。

3 結束語

綜上所述，我國現有陰極保護準則并不能完全滿足油氣管道生產需求，建立完善的陰極保護準則是油氣管道陰極保護技術發展的必然要求。隨著油氣管道事業飛速發展，管道面臨的腐蝕風險不斷增加，陰極保護技術在管道腐蝕控制方面發揮越來越重要的作用，同時在多方面受到更嚴峻的挑戰。為了應對在油氣管道陰極保護建設和運行中遇到的各種困難，需在現有陰極保護技術基礎上，廣泛動員各方面力量，綜合應用電化學、數值模擬、衛星、電子、計算機等技術，不斷提高油氣管道陰極保護技術水平，滿足技術及管理需求，保障油氣管道安全、高效運行。

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