長輸油氣管道有效陰極保護的幾點改善措施

曾昭成

中國石油管道局工程有限公司國際事業部，河北 廊坊

1.引言

從近二十年美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)發布的管道事故統計及近些年國內長輸油氣管道事故相關統計報告可以發現：因腐蝕原因導致的事故發生率呈逐年減少的趨勢，但經濟損失和破壞后果卻并沒有減小。管道母材防腐技術的提升減少了腐蝕漏點，從而減少了管道泄漏事故，但管道在密集場所、高后果區敷設的比例增加了，一旦發生因腐蝕導致的管道泄漏事故，往往會造成更加嚴重的后果和損失。因此，對一些暴露出來的問題，應總結經驗、吸取教訓。

2.陰極保護電位設定

碳鋼金屬與土壤接觸時，處于自然電位狀態的金屬將作為外加電流電化學保護回路的陰極，當其電位負向偏移100 mV時，金屬與土壤電解質界面上的雙電層剛好達到飽和狀態，即有效陰極保護的極化電位[1]。

國際上廣泛采用的NACE RP0169—2002《埋地或水下金屬管線系統外腐蝕控制的推薦作法》要求有效陰極保護遵循：① 通電電位-850 mV準則；② 極化電位-850 mV準則；③ 100 mV極化值準則。

上述3個準則適用于一般環境和特殊環境，其中的每項準則都是對其前面準則的補充或有效性的判定依據。

國內GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》，在保護電位的規定方面與NACE RP0169—2002基本一致，但對不同的環境，其適用要求更加有針對性：

1)鋼質管道及其設施裸露部位的金屬保護電位應達到極化電位或更負。

2)陰極保護狀態下的管道其極限保護電位不能比-1200 mV (硫酸銅參比電極CSE)更負，以避免損壞外防腐層的粘結力。

3)對于高強鋼(最小屈服極限大于550 MPa，即X52鋼級及以上)其保護電位應比-850 mV (CSE)略正。高強鋼的極限保護電位應根據實驗得出的析氫電位來確定，以避免在防腐層相對薄弱的環焊縫產生氫致應力開裂。

4)在存在厭氧菌、硫酸鹽還原菌及其他有害細菌土壤或酸性土壤中，充分的陰極極化需要增大至200~300 mV，管道的陰極保護電位應達到-950 mV (CSE)或更負。

5)沙漠、戈壁和巖石等電阻率高、通氣良好的地帶，埋地管道的陰極保護電位宜適當偏正。如在土壤電阻率100~1000 Ω?m的環境中，管道的保護電位宜負于-750 mV (CSE)；土壤電阻率大于1000 Ω?m的環境中，管道的保護電位宜負于-650 mV (CSE)。

6)當管道輸送溫度高于60℃ (如高粘原油管道加熱輸送的出站段)時，充分的陰極極化應增大至150~250 mV，管道的陰極保護電位應達到-900 mV (CSE)或更負。

7)在管道受雜散電流干擾的情況下，只要實際極化電位不低于-1200 mV (CSE)，即使檢測到的通電電位再負也是允許的。

8)當以上指標難以達到，且無雜散電流干擾、管道輸送溫度不高于60℃時，可采用100 mV極化準則驗證陰極保護的有效性，即極化和去極化電位差不小于100 mV。

3.極化電位測量

陰極保護通常使用恒電位運行模式，將保護范圍內管道及其設施期望達到的保護電位作為陰保電源輸出參數設定的依據[2]。陰保電源設備的輸出受被保護管道通電電位的反饋對比控制，通電電位由參比電極實時測量而得，一旦測量電位失準，管道腐蝕保護的有效性大打折扣，甚至對管道產生嚴重的損害。正確的極化電位測量取決于所使用測量方法的誤差和參比電極的功能是否正常。

3.1.有效的極化電位測量方法

理論上，極化電位測量是通過瞬時斷電電位測量而得，但實踐中受管線陰保回路中陰保電源同步通斷、雜散電流、犧牲陽極、連接管線的鍍鋅扁鋼接地等因素的影響，該方法基本不可能實現。目前常用的埋地參比電極由于受測量回路中陽極地床與管道外防腐層泄漏點之間電壓場、土壤電阻、雜散電流的影響，測量值和真實值之間的誤差已經嚴重影響到管線陰極保護的效果。為了克服不利影響因素，試片電位法和極化探頭法在近年得到推廣利用。

試片電位法是將一片與管道同材質、與管道防腐層破損點面積相仿的無涂層鋼片連接到管道上，模擬管道防腐層破損點，以便于測量管道陰極保護的斷電電位。一般地段，建議每5~10 km設置一個；在有雜散電流影響的地段，可以每1 km設置一個。

如圖1所示，將試片埋置在陰保測試樁10~30 cm范圍內，埋深、周圍土壤與管道相同，通過安裝在測試箱里邊的通斷開關連接到管道上，在試片正上方放置參比管(由一根高出地面30 cm左右、直徑100 mm、里邊填有壓實原土的塑料管構成)，避免電位測試時受到雜散電流的影響。正常情況下通斷開關處于連通狀態，測試時采用具有趨勢捕獲功能的萬用表一端連接試片，一端連接放置在參比管內的便攜參比電極，記錄開關斷開瞬間每隔5 ms的電壓值，繪制成曲線圖，在電壓變化曲線上找出試片的斷電電位，該電位代表附近管道上防腐層破損點處的極化電位。

實驗表明，只要極化充分，且試片上的通電電位高于極化電位，不論管道陰保系統的通電電位變化幅度有多大，在相同條件下試片的斷電電位基本穩定。

3.2.合格的參比電極

常用的參比電極為銅/飽和硫酸銅溶液濕式電極(CSE)，適用于土壤和淡水環境，其測量準確度受硫酸銅溶液的飽和程度、溶液內氯離子的污染、陽光直射、低溫環境(低于25℃)的影響較大。其中在有氯離子存在的環境中影響尤其顯著，氯離子可滲透進入硫酸銅溶液，導致CSE相對標準氫電極電位負向偏移，如果以此為陰保電源輸出控制的依據，會導致管道的保護電位偏正，達不到極化狀態。

目前常用于陰保電源保護電位調節的長效參比電極一般采用無涂層、可滲透的陶瓷罐內芯，其優點是和土壤環境接觸性好，但有易被壓碎、陶瓷滲透性逐漸減弱、硫酸銅溶液易流失、土壤中電解質易進入罐內污染飽和硫酸銅溶液等缺點。在西北地區和中亞地區，地勢低洼處往往多鹽堿，雨季時地下水位高，一個埋地的長效參比電極在經過幾年后電位最多可負向偏移150 mV以上，由此可見長效參比并不一定長效。因此，用于陰保電源保護電位調節的參比電極，應定期采用狀態良好的便攜式參比電極進行測量校核，及時更換測量結果明顯漂移的長效參比電極；在有氯離子存在且影響顯著的環境中，應以銀/氯化銀電極(SSCE)替代長期埋地的銅/飽和硫酸銅電極(CSE)。

4.站場內陰保系統陽極的安裝和維護

限于管道站場的特殊性，管道外腐蝕的防護效果在很大程度上取決于陰保系統陽極的性能。

在長輸管道壓氣站、輸油泵站和計量站等規模較大的站場，強制電流陰極保護系統廣泛采用深井陽極和柔性陽極2種類型，其優勢明顯，但對安裝和維護的要求很高。

4.1.深井陽極

在深井陽極投產后的最初幾年里，其性能表現一般都比較好，但隨著陽極硅鐵塊的正常工作消耗和自腐蝕，陽極對地電阻逐漸增大、電纜接頭腐蝕斷裂。在國內西北、國外中亞、西亞、北非等降雨稀少的地區，土壤中富含氯化鹽、硫酸鹽等物質，由于陰保系統工作時陽極發生氧化反應呈酸性，一旦停止澆水維護，本來活化的硅鐵表面生成一層鹽膜，陽極效率大幅衰減甚至報廢。

Figure 1.The measurement of polarized potential with test piece potential method圖1.試片電位法極化電位測試示意圖

深井陽極一旦安裝完成，功能失效修復的可能性很小，應重視其運營維護，做到：① 澆水排氣，采用淡水或經過RO (reverse osmosis)去離子處理的淡化水，切勿使用鹽堿水或污濁水；② 定期測量陽極對地電阻，掌握井內濕潤程度隨季節和氣候變化的規律，以確定合適的澆水頻率；③ 檢查連接電纜束在井口處的松緊程度，釋放因井內填料沉降而繃緊的電纜[3]。

4.2.柔性陽極

柔性陽極幾乎不需要維護，但對安裝的要求非常嚴格，否則易發生自腐蝕斷裂。柔性陽極是在銅纜上包覆含有碳粉的導電聚合物而構成的連續性陽極，作為陽極通電時，碳粉被氧化消耗，如果電流集中在柔性陽極的局部流出，長時間在大電流下工作，該處碳粉快速消耗，電纜銅芯很快被腐蝕斷裂，導致斷裂部分柔性陽極失效。

為了避免柔性陽極自身結構缺陷導致的故障，在鋪設時應注意：① 柔性陽極與被保護管道和設施的距離應均勻，尤其是經過外防腐層漏點較多的較大埋地設備如污油罐、閥門時，應保持柔性陽極的線型平滑，避免局部過度靠近被保護埋地管道和設施而形成放電尖角；② 柔性陽極以下的管溝回填土應夯實，避免局部沉陷拽斷電纜銅芯或接頭[4]。

5.外部交叉或鄰近管線的陰保干擾

長輸管道地域跨度大，不可避免與其他埋地管道、地下設施相互交叉，尤其是經過城市和油區的管道，油、氣、水、電和通訊等公共設施共用通道或走廊，導致油氣長輸管道很難與其他同樣受電化學保護的埋地設施相互獨立。

當外部管道的陰保系統陽極到其管道上裸露金屬之間的電阻大于外部陽極經過己方管道到達外部管道裸露金屬的電阻時，電流將從離外部陽極最近的己方管道防腐層缺陷處流入，從己方管道與外部管道裸露金屬距離最近處流出，己方管道電流流出部位的電位偏正，可視作外部管道陰保系統陽極的一部分而被腐蝕，原理如圖2所示。

Figure 2.The interference of cathodic current from external crossover or adjacent pipeline圖2.外部交叉或鄰近管線的陰保干擾

由外部管道或設施的陰保電流引起的腐蝕可以歸類為雜散電流干擾，其影響可發生在整個管道系統全壽命周期的任何階段，最嚴重的可在短時間內使管道腐蝕穿孔。

對于該類危害，應采取有效及時的預防和防治措施：

1)在管道規劃和設計階段，應對路由附近其他受電化學保護的埋地管道和設施了解詳盡，協調鄰近管道各方電化學保護方式或陰保系統陽極的位置；

2)定期檢測全線保護電位，及時掌握管道沿線保護電位的變化狀況以及外部管道或設施的電化學保護狀況，對電位異常點的管段應采用密間隔電位測量法(CIPS)找出外部干擾電流的流入點和流出點；

3)修補己方管道上電流流入處的裸露金屬防腐層，電流流出處的防腐層不宜修補，避免雜散電流集中于少數裸露金屬處流出，造成管道局部更嚴重的腐蝕穿孔；

4)在己方管道保護電位正向偏離超出正常值的地方(電流流出點)安裝鋅陽極進行排流。

6.絕緣接頭非保護側管線的腐蝕

站場與站外管道通常采用絕緣接頭進行陰保隔離，如果站內陰保系統陽極至站外管道(非保護側)防腐層缺陷處的電阻小于陽極至站內管道和設施(保護側)防腐層缺陷處的電阻，則站內保護電流會一部分流向非保護側，導致站內的部分管道和設施得不到保護，而站內陰保電流從非保護側管道防腐層缺陷處流入，沿絕緣接頭附近非保護側管線外側或管道內輸送介質從管道內部流回站內受保護的設施，造成絕緣接頭非保護側的外部和內部腐蝕(圖3)。

Figure 3.The non-protective side corrosion of station insulation join圖3.站場絕緣接頭非保護側腐蝕

在管道設計上，站場一般選擇地勢比較高的位置，而站內陰保系統的陽極一般設置在地勢較低、土壤電阻率較小的位置，或者采用深井陽極，如果站外管道經過地勢較低的地方，且至站內陽極的電阻相對較小，則極有可能激發絕緣接頭非保護側管線的腐蝕。

該類型的腐蝕在站場陰保系統投產后或隨季節性氣候轉換而發生，如果不是有目的性地進行檢測往往易被忽視，應在設計和運營期做到：① 正確選擇陽極地床、深井陽極的位置，或是將絕緣接頭設置在地面上，從源頭杜絕此類腐蝕危害；② 在站內陰保系統投產時和運營期，應檢測絕緣接頭兩端的保護電位，及時發現電位變化趨勢，排除隱患[5]。

7.結語

腐蝕是影響管道系統可靠性及使用壽命的關鍵性因素之一，在管道腐蝕保護實施過程中，合理的設計、精心的施工、正確的檢測和及時的維護至關重要，尤其是一些隱蔽性強、容易被忽視，但危害很大的陰保功能缺陷或表觀假象應引起足夠的重視。