外加電流陰極保護電流屏蔽與陰極干擾研究

尚興彬，胡乃科，張守峰，張建賓，胡 威

(中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東 青島 266071)

外加電流陰極保護是通過外接電源，在被保護體與輔助陽極之間建立導(dǎo)通電路，在外加電流的作用下實現(xiàn)對被保護體的陰極極化。在電流的作用下，輔助陽極電位向更正的方向偏移，產(chǎn)生陽極極化，同時使管道發(fā)生陰極極化，實現(xiàn)陰極保護。外加電流法具有驅(qū)動電壓高，能夠靈活控制陰極保護電流輸出量的特點，是目前油氣管道最主要的陰極保護方法［1］。然而，由于外加電流陰極保護在保護原理上的特點，在實際工程應(yīng)用中，存在諸多問題，并以陰極保護電流的屏蔽、陰極干擾最為突出。隨著國內(nèi)外陰極保護理論與工程實際應(yīng)用的不斷拓展，諸多行之有效的陰極保護方法受到廣泛關(guān)注，并對油氣管道的腐蝕防控起到了重要作用。

1 陰極保護電流屏蔽

1.1 電流屏蔽的表現(xiàn)

對于金屬管道，如果周圍有絕緣層或金屬結(jié)構(gòu)存在，則陰極保護電流的流動會受到影響，繼而導(dǎo)致該部分管段無法得到有效保護，從而形成陰極保護電流的屏蔽。陰極保護電流的屏蔽主要表現(xiàn)在以下兩個方面［2］。

1.1.1 套管對陰極保護電流的屏蔽

在管道穿越公路、鐵路，以及河流時，常常增設(shè)套管，以減小主管的受力而增強主管的安全性。對于該部分管道，在施工過程中，很容易造成防腐層的損傷，而陰極保護電流被外部套管、空氣層阻斷被完全屏蔽，不能起到任何作用，由此陰極保護電流被屏蔽(見圖1)，主管道發(fā)生腐蝕的情況較為嚴重。

圖1 套管對陰極保護電流的屏蔽示意

1.1.2 剝離防腐蝕層對陰極保護電流的屏蔽

剝離是管道防腐蝕層損傷的重要表現(xiàn)形態(tài)。當(dāng)管道防腐蝕層同時發(fā)生破損與剝離，在防腐蝕層與管道金屬基體之間構(gòu)成的縫隙空間內(nèi)，導(dǎo)電介質(zhì)在縫隙空間內(nèi)的流通受阻，導(dǎo)致縫隙空間內(nèi)的電解質(zhì)電阻相對較大，陰極保護電流很難通過縫隙環(huán)境到達金屬基體，從而形成陰極保護電流的屏蔽，見圖2。

圖2 剝離防腐蝕層對陰極保護電流的屏蔽示意

此外，固定墩鋼筋以及周邊其他管道等金屬結(jié)構(gòu)都會對陰極保護電流產(chǎn)生屏蔽作用。

1.2 直流電流屏蔽解決方法

對于外加直流電流陰極保護的電流屏蔽問題，針對不同的表現(xiàn)形式，工程實際中的處理情況也不盡相同。其中，對于保護套管對金屬管段產(chǎn)生的電流屏蔽作用，往往通過為穿越管段增加鐲狀或帶狀陽極的方式，施加額外的犧牲陽極陰極保護，見圖3［3］。

圖3 套管內(nèi)主管陰極保護示意

而對于其他類型的直流電流屏蔽行之有效的解決方案鮮有報道。

1.3 脈沖電流法減小電流屏蔽

脈沖電流陰極保護(pulse cathodic protection，PCP)是一種將方向不變，強度隨時間周期性改變的脈沖電流作為保護電流的陰極保護形式，現(xiàn)主要應(yīng)用于油井套管系統(tǒng)。而現(xiàn)有的研究與實際應(yīng)用表明，脈沖電流可以有效地減小電流屏蔽范圍［4］226。脈沖電流減小電流屏蔽范圍的基本原理在于較高脈沖電壓可克服高歐姆電壓力降;而在脈沖休止期，陰極反應(yīng)中斷，有可能防止氫氣泡的形成［5］。脈沖電流在油井套管系統(tǒng)中的應(yīng)用研究表明，脈沖電流具有更深的穿透性。因此，將其應(yīng)用于油氣管道的保護電流屏蔽區(qū)域，有效提高屏蔽區(qū)域內(nèi)金屬受保護的程度，從理論上看是可行的。D.A.Diakow 等［4］228采用兩套相同的模擬縫隙裝置，對比研究了直流和脈沖電流陰極保護的作用效果。研究發(fā)現(xiàn)，采用電容放電產(chǎn)生的脈沖作用時，縫隙中的保護距離與直流作用時相比有所延長，在實驗條件下，由40 mm 增加至115 mm;同等保護狀態(tài)下，脈沖系統(tǒng)比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)的電流需求要小7%～9%。F.Gan 等［6］也進行了模擬實驗研究，實驗表明，在開路電壓一致的前提下，脈沖電流陰極保護與直流電流陰極保護的保護程度是一致的，然而脈沖電流陰極保護有效降低了電流和能量消耗，并能有效促進縫隙環(huán)境中的pH 值分布;此外，對于占空比為0.5 脈沖電流陰極保護，頻率為1 Hz 時，保護效果要優(yōu)于頻率為10 Hz 時。

2 陰極干擾

2.1 陰極干擾的產(chǎn)生

當(dāng)被干擾管道穿過大地中高電位區(qū)域時，被迫從大地中吸收某陰極保護釋放的電流，導(dǎo)致管/地電位向負向偏移，容易引起管道過保護，甚至引起防腐蝕層陰極剝離;當(dāng)被干擾管道穿越地電場低電位區(qū)域時，被迫釋放電流或者管道陰極保護電流減小，導(dǎo)致管/地電位向正向偏移，容易引起欠保護，甚至管體腐蝕。

李丹丹等人［7］對西北某輸油站的三條并行管道的陰極保護點位進行了現(xiàn)場測試和樹枝計算分析，見圖4。其中管道1 所施加陰極保護的干擾尤為明顯;管道2 在距離陽極地床最近處，實測管/地電位達-1.76 V，有限元計算結(jié)果為-2.55 V。

圖4 陰極干擾管道布局

2.2 直流電流陰極干擾解決方法

在工程實際中，對于受陰極干擾較為嚴重管段，需要采取直流排流的方法減小干擾。排流方法是用絕緣電纜將被保護管道與排流設(shè)備連接，再與雜散電流源負極(回歸線)相連，從而將雜散電流引回雜散電流源的方法，該方法包括直接排流、極性排流、強制排流和接地排流4 種形式參照《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術(shù)標準》SY/T 0017—006 標準執(zhí)行。

2.3 脈沖電流法降低陰極干擾

脈沖電流陰極保護降低陰極干擾，世界范圍內(nèi)有不同的解釋理論，其中動力學(xué)理論和趨膚效應(yīng)理論被廣為接受。動力學(xué)理論認為，脈沖時間小于氧化反應(yīng)的發(fā)生的所需時間，因此，臨近金屬構(gòu)筑物上會有電位偏移(干擾)發(fā)生，但是卻引發(fā)金屬腐蝕;而趨膚效應(yīng)理論則認為，脈沖電流頻率較高，因此，其只沿被保護金屬的外表面流通，而不會影響臨近的其他金屬構(gòu)筑物［8］16-17。

但是，對于脈沖電流陰極保護降低陰極干擾，仍沒有得到很好地證實;同時也有不少實驗研究表明，脈沖電流陰極保護降低陰極干擾也并非必然。

I.A.Metwally 等人［9］對圖5 所示布局的受脈沖電流陰極保護的油井套管進行了陰極保護電流的測試與模擬計算，測試和計算結(jié)果均顯示:當(dāng)金屬構(gòu)筑物與電源或者陽極間的距離較近時(如圖5 中套管D)，電流和電壓分布與脈沖電源基本一致;而當(dāng)距離增加，則電流和電壓的分布愈來愈趨近于直流狀態(tài)。由此可見，對于脈沖電流陰極保護，其保護效果好、陰極干擾小的優(yōu)勢，是有一定的區(qū)域范圍的。

圖5 脈沖電流陰極保護油井套管布局

汪世雷［8］37-47通過實驗，對脈沖陰極保護的干擾進行了研究，陰極保護體系對未保護管道的干擾實驗裝置見圖6。實驗結(jié)果表明:在實驗條件下，脈沖陰極保護體系對未保護體系、脈沖陰極保護體系與直流陰極保護體系都存在干擾，且干擾規(guī)律與直流電流陰極保護的規(guī)律一致;此外，脈沖陰極保護對與之聯(lián)合使用的犧牲陽極沒有干擾作用，這一點與直流電流陰極保護是不同的。

圖6 實驗裝置示意

3 結(jié)論

通過對國內(nèi)外直流電流和脈沖電流陰極保護實驗研究與工程應(yīng)用文獻調(diào)研，得出以下結(jié)論:

(1)對于油氣管道，外加電流陰極保護具有陰極保護電流屏蔽和陰極干擾等缺陷;

(2)對于直流電流陰極保護，可通過帶狀/鐲狀陽極增設(shè)犧牲陽極保護的形式，對電流屏蔽管段加以保護;通過直流排流的方式對周邊金屬構(gòu)筑物進行陰極干擾防護;

(3)對于脈沖電流陰極保護，實驗研究表明，在一定保護范圍內(nèi)，其在減小保護電流屏蔽和陰極干擾方面具有一定優(yōu)勢;但其理論基礎(chǔ)和工程驗證并不完善。

［1］尚興彬.剝離涂層下X70 鋼腐蝕行為與陰極保護效果研究［D］.山東:中國石油大學(xué)(華東)，2013.

［2］邱政權(quán)，馮洪臣，馮驊，等.管道陰極保護中的屏蔽問題［J］.石油和化工設(shè)備，2006(2):38-40.

［3］孫慧潔，王文化.套管對埋地燃氣管道陰極保護電流屏蔽探討［J］.煤氣與熱力，2014，34(4):4-6.

［4］邱于兵，郭稚弧，林漢同，等.脈沖電流陰極保護技術(shù)［J］.腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2001，13(4):226-229.

［5］Galvele J R.Transport processes in passivity breakdown-II.Full hydrolysis of the metal ions［J］.Corros.Sci.，1981，21(8):551-579.

［6］F.Gan，Z.W.Sun，G.Sabde，et al.Cathodic Protection to Mitigate External Corrosion of Underground Steel Pipe Beneath Disbonded Coating［J］.Corrosion Engineering，1994，50(10):804-816.

［7］李丹丹，畢武喜，祁惠爽，等.交叉并行管道陰極保護干擾數(shù)值模擬［J］.油氣儲運，2014，33(3):287-291.

［8］汪世雷.脈沖陰極保護體系中犧牲陽極效果與干擾問題研究［D］.湖北:華中科技大學(xué)，2007.

［9］I.A.Metwallya，H.M.Al-Mandharia，A.Gastlia，et al.Stray currents of ESP well casings［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2008(32):32-40.