長輸石油管道陰極保護技術研究

唐金鑫，鄭配(國家管網西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

管道運輸是運輸石油的主要方式，相比于其他方式而言，管道運輸成本低且更加安全高效。為了避免管道受到自然界及人為因素的破壞，我國往往采用埋地的方式敷設管道。但由于管道的材質為鋼，在長期埋地的過程中，土壤中的腐蝕性物質受毛細作用驅使會依附于管道表面，在水含量適宜的條件下，鋼鐵會發生電化學腐蝕[1-3]。

在20世紀，采用單一的防腐層往往無法對管道進行有效保護。隨著科技的進步，陰極保護聯合防腐層技術使得管道的腐蝕問題有效減緩。該聯合保護方法克服了單一方法存在的成本高、風險大的問題[4]。目前，該聯合技術已經廣泛應用于石油管道的防腐工程中，但由于長輸石油管道沿線地形地貌多變，加上自然災害等問題會引發土壤應力問題，管道防腐層在第三方應力的作用下容易發生破損及剝離等問題。防腐層的破損一方面使得管道鋼與外界直接接觸，另一方面也使得陰極電流無法為管道提供正常保護。由此引發的腐蝕問題也引起了諸多專家的研究。本文針對現行的陰極保護技術，分析了陰極保護技術的原理，對陰極保護準則及參數進行梳理，并基于目前研究的不足，對陰極保護技術的發展進行展望。

1 陰極保護技術原理及分類

腐蝕的過程本質上指的是金屬與外界發生電化學反應的過程。該過程的發生需要滿足幾個先決條件：首先，系統中需要存在陰陽極，其中陽極指的是失去電子而氧化的一端，陰極指的是得到電子而還原的另一端；其次，上述的陰陽極需要存在一定數值的電位差，只有這樣，電化學反應才存在發生的動力；另外，上述陰陽極需要處于連通的電解液中，其中電解液指的是存在可以自由移動的各種活化離子的溶液；最后，為了確保離子及電子的流通，整個電化學反應的系統是連通的。

當滿足上述四個條件時，金屬會發生腐蝕。此時金屬表面電位達到金屬的自腐蝕電位，腐蝕不斷進行。當對金屬表面施加陰極保護電流時，其表面電位偏離原本的平衡電位，使得金屬腐蝕的進程終止。陰極保護技術可以兩種方式，如圖1所示。

圖1 陰極保護技術

把需要保護的目標金屬與電源系統的負極相通，電源直接對目標金屬施加陰極保護電流使得金屬表面發生電位的負向偏移從而達到保護金屬的目的，這就是強制電流保護法的原理。該方法可以基于需要提供的電壓大小連續調控輸出電壓，保護方式可靠，受外界環境影響較小，保護周期長，但是對于工程量較小的項目而言，該方法的成本較高，施工過程較繁瑣且裝置需要維護，運營過程復雜。在一個電化學反應的系統中，發生陽極的一端往往自腐蝕電位較另一端偏正。基于此原理，將被保護的目標金屬與一個自腐蝕電位更負的金屬連接可使得目標金屬作為陰極存在于系統中，有效抑制目標金屬的腐蝕。常見的此類陽極金屬材料包括Zn、Mg、Al及三者的合金金屬。陽極金屬作為犧牲品被腐蝕消耗，從而對目標金屬施加陰保電流。該方法施工簡單，不需要額外電源輸入，也不會對周邊的金屬材料產生干擾，維護費用低。但該方法電流輸出較不穩定，需要經常對保護效果進行校驗與檢修。

2 陰極保護參數

2.1 保護電位

當陽極腐蝕反應停止或者反應程度很小，此時施加于其表面的電位被稱作保護電位。當保護電位施加在金屬表面時，其數值大小影響了保護性能的好壞。若保護電位過正，則金屬不能被完全保護，反之，保護電位過負，會引發陽極表面的析氫反應，從而促使防腐層的剝離，給生產帶來經濟損失。陰極保護電位的數值大小可以利用參比電極進行測量，工程上往往采用Cu/CuSO4參比電極對陰極保護的通電及斷電電位進行測量。然而，當選用不同的參比電極時，保護電位的數值也會不同，表1為常見金屬的陰極保護最小電位數值。因此保護電位的測量結果需要著重說明所選用參比電極的類型。長輸石油管道表面的保護電位常常介于-0.85～-1.20 V之間(相對于Cu/CuSO4參比電極)。

表1 常見金屬的陰保電位最小值

2.2 最小保護電流密度

當管道處于臨界保護狀態對應的電流密度即為臨界電流密度(最小電流密度)。其與電位數值密切相關，陽極材料不同，其數值會發生相應的改變。另外，陽極表面狀態、外界環境也會對其數值產生一定的影響[5]。

3 陰極保護技術準則

判斷長輸石油管道所處陰保狀態是否達到要求主要是依據長輸石油管道陰極保護準則。可以利用長輸石油管道的通電電位及斷電電位判斷其陰保是否處于良好狀態。具體評價方法為：當長輸石油管道的陰保電位介于-850～-1 200 mV(CSE)時，則管道處于良好的被保護狀態；若上述條件無法實現，可依據IPL測量通斷電電位進行保護效果的判定，當管道斷電電位比管道自然電位差大于100 mV時，則管道處于良好的被保護狀態[6]。

目前，上述準則已經被長輸石油管道建設企業采納，得到了長足的發展。然而，該準則仍然存在幾點不足。首先該準則的適用溫度受限，當石油管道的表面溫度大于40 ℃時，陰極保護無法再為管道提供有效保護，即陰極保護處于失效狀態。考慮到我國的基本國情，我國長輸石油管道運行溫度往往高于45 ℃，使得陰極保護無法有效抑制管道的腐蝕。因此，對陰極保護溫度的適應性方面應展開系列研究。另外，管道與直流接地極往往同向敷設，當接地極放電時，管道表面會發生電位偏移。目前常用的陰極保護準則沒有明確規定管道允許的電位偏移量。對直流接地極引發的管道干擾問題值得進一步研究。另外，參考國外先進的技術準則，對我國的陰極保護技術準則進行完善和發展具有重要意義。最后，在交流干擾下的陰極保護準則需要進一步完善。交流干擾主要是由于輸電線路會產生電磁場，影響管道上的電位分布，使得管道電位處于一種波動的周期狀態，從而使得陰極保護水平下降，管道的腐蝕明顯加劇。對于該方面的缺陷，國內外均未提出有效的解決方法。

4 展望與結論

陰極保護技術準則對于有效指導現場安全、經濟運行具有重要意義，然而目前的長輸石油管道陰極保護準則存在諸多不足，包括適用溫度存在限制，沒有明確規定允許的電位偏移量及不存在交流干擾陰極保護準則。因此，針對上述不足，開展陰極保護適用溫度的研究，拓展陰極保護的適用范圍，開展交直流干擾下管道上的電位偏移程度研究，定量描述干擾電位對于管道陰極保護電位的影響規律有利于提高我國陰極保護技術水平，保障我國長輸石油管道的安全運行。陰極保護技術體系需要進一步完善與修正，要充分采納國外先進經驗及處理手段，結合我國長輸石油管道陰極保護技術的基本現狀，構建合理的陰極保護技術準則。另外，目前，我國的技術裝備條件不夠完備，對陰極保護通斷電電位的測量儀器主要依賴進口，沒有形成自身的核心技術，因此，我國應該進一步加強電位測量技術的開發與利用。

本文基于長輸石油管道陰極保護技術的原理和分類，對陰極保護技術的參數及準則進行詳細分析，主要得到以下結論：

(1)陰極保護主要通過對金屬施加陰極保護電流，使其發生陰極極化從而對金屬實行有效保護。陰極保護技術分為強制電流及犧牲陽極保護法，二者都是現場常用的陰極保護手段。

(2)保護電位和最小保護電流是陰極保護的重要參數，長輸石油管道的陰極保護電位應當處于-0.85～-1.20 V之間(相對于Cu/CuSO4參比電極)。

(3)陰極保護技術準則是陰極保護技術的核心，目前常用的技術準則仍然存在諸多不足。主要包括準則的適用溫度受限，沒有規定允許的電位偏移量及交流干擾引發的陰極保護電位波動準則缺失。