陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及相關(guān)問(wèn)題探討*

楊 超，黃 珊，韓 慶，劉海波，孫 亮

(1.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局博士后科研工作站，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000)

目前陰極保護(hù)與涂層協(xié)同保護(hù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道的腐蝕防護(hù)上。防腐層作為管道防護(hù)的第一道防線，將管道與腐蝕性介質(zhì)隔開(kāi)，并且保護(hù)管道不受外力機(jī)械損傷；而當(dāng)防腐層出現(xiàn)破損時(shí)，此時(shí)陰極保護(hù)作為第二道防線，保證管道破損處不受腐蝕影響[1]。陰極保護(hù)主要包括外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。對(duì)于不同防腐層的管道來(lái)說(shuō)，SY/T 0036中指出了所需要的最小陰極保護(hù)電流密度:就目前應(yīng)用廣泛的3PE防腐層(1 MΩ·m2)來(lái)說(shuō)，金屬管道保護(hù)需要的陰極保護(hù)電流密度小于10 μA/m2，一方面,防腐層極大地減小了陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流；另一方面，由于較高的防腐層電阻率，使得陰極保護(hù)電流更加均勻，能夠保護(hù)更長(zhǎng)的管道。因此，從長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)、集輸管網(wǎng)陰極保護(hù)和站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)三個(gè)方面進(jìn)行了討論，提出了陰極保護(hù)后續(xù)需要研究的四個(gè)問(wèn)題。

1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，長(zhǎng)輸管道的外加電流陰極保護(hù)已經(jīng)形成了完整的計(jì)算、設(shè)計(jì)體系，長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)示意圖見(jiàn)圖1。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)多采用外加電流的方式，站內(nèi)設(shè)置恒電位儀，在站外設(shè)置輔助陽(yáng)極，而通電點(diǎn)設(shè)置在站外絕緣法蘭外側(cè)，由于管道防腐層的高電阻率，因此較小的電流(幾安培到幾十安培)即可保護(hù)很長(zhǎng)的管道，站間距可達(dá)數(shù)十甚至上百公里(同樣也受土壤電阻率的影響)[2]；其陰極保護(hù)電流流入管道向通電點(diǎn)匯流入恒電位儀負(fù)極，整個(gè)回路相對(duì)簡(jiǎn)單；同時(shí)由于長(zhǎng)輸管道多敷設(shè)在野外，因此對(duì)外加電流陰極保護(hù)的安全要求也比較低。

在長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)中，陰極保護(hù)屏蔽問(wèn)題是難以發(fā)現(xiàn)和難以解決的問(wèn)題。從圖1可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)管道的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在管道防腐層剝離的情況，防腐層剝離是由于腐蝕性介質(zhì)擴(kuò)散、陰極保護(hù)電位過(guò)負(fù)、陰極保護(hù)電位震蕩等原因引起。相關(guān)研究表明，當(dāng)縫隙內(nèi)的電阻率達(dá)到100 MΩ·cm時(shí)，陰極保護(hù)電流完全不能在管道基體表面形成有效的陰極保護(hù)，并且對(duì)于防腐層剝離管段的排查相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難，這也為陰極保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。陰極屏蔽問(wèn)題也出現(xiàn)在保溫管道、穿跨越的套管管道中。

圖1 長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)及陰極屏蔽

1.2 集輸管網(wǎng)陰極保護(hù)

與長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)相比，集輸管網(wǎng)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)：

(1)對(duì)于老油田來(lái)說(shuō)，集輸管網(wǎng)的防腐層類型眾多，主要包括黃夾克、環(huán)氧煤瀝青和PE等，同時(shí)由于集輸管道更換頻繁，不同運(yùn)行年限之間的防腐層的電阻率差異較大，所需要的陰極保護(hù)電流各不相同。

(2)集輸管網(wǎng)多并行敷設(shè)，輸油輸氣、注水注汽等多管道并排同溝敷設(shè)，從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，同溝敷設(shè)集輸管線最多可達(dá)10余條，此時(shí)中間管線受到兩側(cè)管線的屏蔽作用，難以得到陰極保護(hù)，而深井陽(yáng)極的埋設(shè)方式可能是解決這一問(wèn)題的唯一手段，但是施工和設(shè)計(jì)比較困難。

(3)集輸管網(wǎng)附近現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和運(yùn)行比較集中和頻繁，因此有大量設(shè)備的接地，多種埋地金屬構(gòu)件埋深差異性較大，這也對(duì)陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一系列問(wèn)題。

1.3 站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)

一般來(lái)說(shuō)，由于站場(chǎng)內(nèi)儲(chǔ)罐多、管道縱橫交錯(cuò)，并且區(qū)域相對(duì)封閉，因此在站場(chǎng)內(nèi)多采用犧牲陽(yáng)極+強(qiáng)制電流共同的陰極保護(hù)方式[3]。實(shí)際應(yīng)用中，若單獨(dú)采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，由于站內(nèi)接地裝置較多，保護(hù)電流損失較大，并且容易對(duì)其他金屬構(gòu)件產(chǎn)生干擾；而單獨(dú)采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)，若想要達(dá)到理想的保護(hù)效果，所需要的陽(yáng)極數(shù)量很多，在站場(chǎng)有限的空間內(nèi)不現(xiàn)實(shí)。因此，在站場(chǎng)內(nèi)，以強(qiáng)制電流陰極保護(hù)為主，在管道重疊、交叉等陰極保護(hù)達(dá)不到要求的位置加以輔助犧牲陽(yáng)極來(lái)達(dá)到所要求的效果(見(jiàn)圖2)。

圖2 站場(chǎng)區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)示意

2 最佳陰極保護(hù)電位范圍及影響因素

目前在陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方面主要存在以下四個(gè)問(wèn)題：

(1)行業(yè)上通用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則規(guī)定，當(dāng)管道斷電電位處于-0.85～-1.2 V(CSE)時(shí)，管道受到完全的保護(hù)，此時(shí)其腐蝕速率處于可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)在GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了如硫酸鹽還原菌、高強(qiáng)鋼等特殊條件下的陰極保護(hù)電位范圍。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷電電位主要通過(guò)在陰極保護(hù)系統(tǒng)上添加斷路器或采用試片法[4]，但事實(shí)上，在日常陰極保護(hù)的檢測(cè)與維護(hù)上，在陰極保護(hù)系統(tǒng)上添加斷路器其工作量巨大，并且難以保證其同步性；對(duì)采用試片法而言，操作相對(duì)容易，但工作繁瑣[5]。同時(shí)，隨著公共走廊內(nèi)交直流輸電線路、電氣化鐵路等的存在，地中雜散電流不可避免地會(huì)流入到管道中形成干擾，在試片法斷路測(cè)試時(shí)只能消除陰極保護(hù)帶來(lái)的土壤IR降，而對(duì)于雜散電流來(lái)說(shuō)卻無(wú)法消除[6]。因此，提出一種在雜散電流干擾下的管道斷電電位測(cè)試方法或新的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是非常有必要的。

(2)相關(guān)研究表明，在正常運(yùn)行狀態(tài)下管道的保護(hù)電位不是一成不變的，其表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)發(fā)生振蕩。而由于管線鋼的不均勻性、涂層/金屬局部界面的差異可能會(huì)引起電位升降而形成局部的腐蝕微電池，導(dǎo)致管道的局部腐蝕穿孔。因此，在常規(guī)的-0.85～-1.2 V保護(hù)電位區(qū)間內(nèi)，劃分多個(gè)保護(hù)電位區(qū)間，確定不同保護(hù)振蕩程度下的管道局部腐蝕情況以及腐蝕機(jī)理對(duì)確定不同環(huán)境下最佳保護(hù)電位區(qū)間是非常有必要的。

(3)目前，大多數(shù)管線陰極保護(hù)采用恒電位控制方式，而回流點(diǎn)(通電點(diǎn))設(shè)置在站場(chǎng)外絕緣法蘭外側(cè)。當(dāng)雜散電流在管道上發(fā)生流入或流出時(shí)，會(huì)引起通電點(diǎn)處負(fù)反饋信號(hào)的改變，從而引起陰極保護(hù)電流輸出的改變,當(dāng)輸出減小時(shí)會(huì)使得整條管道保護(hù)不足，當(dāng)輸出增大時(shí)可能會(huì)引起輔助陽(yáng)極附近的管段過(guò)度極化，存在氫脆的風(fēng)險(xiǎn)。基于保護(hù)系統(tǒng)的有效性、不對(duì)外界產(chǎn)生干擾以及不影響保護(hù)距離等原則，目前針對(duì)這一問(wèn)題的主要解決辦法有三個(gè)：采用高等級(jí)防腐層、排流和采取恒電流控制。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的日常檢測(cè)和維護(hù)來(lái)說(shuō)，僅僅通過(guò)管地電位標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法對(duì)上述措施采取有效判斷，并且上述解決措施只能單純從陰極保護(hù)角度或者雜散電流角度來(lái)考慮，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際的極化狀況來(lái)提出切實(shí)有效的措施。

(4)對(duì)于并行管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，由于防腐層、土壤電阻率之間的差異，造成并行管道之間存在相互干擾問(wèn)題，而并行管道陰極保護(hù)系統(tǒng)之間也存在相互干擾問(wèn)題，因此如何解決這兩方面的干擾問(wèn)題是并行管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前對(duì)于并行管道多采用跨接線+聯(lián)合保護(hù)的方法和跨接線+共用陽(yáng)極等方法，但是目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有跨接線設(shè)計(jì)布置的相關(guān)準(zhǔn)則，并且跨接管線的真實(shí)電位測(cè)試方法和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則目前仍無(wú)相關(guān)研究，而共用陽(yáng)極方法僅僅適用于兩條防腐層質(zhì)量相似的管道，適用范圍比較小。

3 結(jié) 論

陰極保護(hù)技術(shù)以保護(hù)距離長(zhǎng)、保護(hù)效果好和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于埋地管道的腐蝕防護(hù)上，行業(yè)上通用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則為斷電電位-0.85～-1.2 V(CSE)電位準(zhǔn)則，同時(shí)規(guī)定了高強(qiáng)鋼、硫酸鹽還原菌等特殊條件的陰極保護(hù)范圍，其他評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如100 mV極化電位準(zhǔn)則應(yīng)用相對(duì)較少。而目前從陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和評(píng)價(jià)來(lái)看，由于防腐層/土壤環(huán)境的復(fù)雜性、交/直流雜散電流干擾、并行管道等問(wèn)題，陰極保護(hù)在管廊內(nèi)的應(yīng)用依然存在諸多問(wèn)題，需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。