犧牲陽極與外加電流陰極保護聯(lián)合使用的案例

肖 勇

(中國石化廣州分公司,廣州 510000)

珠三角地區(qū)某陸地原油管道總長約163 km，管道直徑φ610 mm，管道原防腐蝕層為環(huán)氧煤瀝青。該管線工程于1997年竣工投用。目前管線年輸量約1 300萬t/a，是珠三角地區(qū)重要的能源通道之一。

管線陰極保護測試樁沿線布置，約每千米1支，全線共計169支。其中:A段27支測試樁；B段56支測試樁；C段36支測試樁；D段39支測試樁；E段11支測試樁。

隨著埋地時間的延長以及環(huán)境條件的變化，土壤的腐蝕性增強，管線會面臨越來越嚴重的腐蝕威脅。同時，近年來珠三角地區(qū)油品消耗增加，該輸油管道的運行壓力長期較高，這對管道的安全運行提出了更高的要求[1]。由此，確保該輸油管道全線的陰極保護處于有效狀態(tài)成為了該管道完整性管理工作的重中之重。管道原陰極保護方式為沿線以100～500 m間隔安裝鋅/鎂陽極，管道運行接近20 a時，檢測評價發(fā)現(xiàn)防腐蝕層出現(xiàn)嚴重老化，管道沿線陰極保護效果逐年劣化。為確保管道的防腐蝕措施有效、保障管道的安全運行，管理方?jīng)Q定在該管道上追加外加電流陰極保護站，采用外加電流和犧牲陽極聯(lián)合陰極保護。

本工作介紹了管道外檢測評價中的保護電位數(shù)據(jù)以及防腐蝕層絕緣性的變化，結合饋電試驗確定了外加電流陰極保護站的輸出選型以及最優(yōu)安裝位置。以期為犧牲陽極保護管道的外加電流陰極保護改造提供借鑒。

1 犧牲陽極陰極保護的效果

防腐蝕層與陰極保護技術聯(lián)合應用，是目前公認行之有效的防腐蝕措施。陰極保護方法有兩類：犧牲陽極法和外加電流法[2-3]。兩者皆通過為被保護結構物提供直流電流對被保護結構物進行極化，從而實現(xiàn)抑制腐蝕的目的[4-5]。

外加電流方法須使用外部直流電源，將電源負極與被保護結構物相連，電源正極與輔助陽極相連。該方法的優(yōu)點在于可以輸出較大電流且電流可調(diào)，受電解質(zhì)電阻率限制影響小等[2]。犧牲陽極法是采用鎂、鋅、鋁等電位較負的合金材料與被保護結構物連接在一起，依靠陽極消耗溶解產(chǎn)生的電流使被保護結構物表面產(chǎn)生極化[2]。犧牲陽極法的缺點在于提供的保護電流較小、受電解質(zhì)電阻率影響較大，且易于消耗殆盡無法繼續(xù)提供保護。

兩種陰極保護方法聯(lián)合應用可以解決單一犧牲陽極保護法的陰極保護有效性下降問題，該方法在業(yè)界已經(jīng)有了成功應用的經(jīng)驗[6-10]。

本工作研究的輸油管道沿線地形復雜，山勢峻峭，河流縱橫，地質(zhì)情況變化較多，管道采用的環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層耐久性較差。隨著應用年限增加，防腐蝕層的老化情況日益嚴重。管道管理方于2006年組織開展了管道外防腐蝕檢測評價工作，采用交流電位梯度法對防腐蝕層破損點進行了檢測定位，共發(fā)現(xiàn)防腐蝕層破損點365個。其中,嚴重破損點17個，中度破損點108個，輕微破損點240個。2010年，通過智能內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管道外部出現(xiàn)數(shù)千個金屬損失點，結合后期陰保電位檢測工作發(fā)現(xiàn)，腐蝕深度較大的缺陷多位于陰保效果較差的管段。

管道自投運起至2014年，采用犧牲陽極陰極保護方式，沿線以100～500 m間隔布置鋅或鎂合金陽極。管道在運行初期一直采用通電電位法來評價陰保效果，當時認為通電電位為-0.85～-1.30 V(相對于銅硫酸銅參比電極，CSE)時，管道處于最佳保護狀態(tài)。管道沿線犧牲陽極有一部分通過測試樁連接管道，大多數(shù)采用埋地電纜直連的方式連接管道，這給后期的檢測和評價工作帶來了困難。表1所示為在犧牲陽極測試樁處測得的犧牲陽極的開路電位。

表1 犧牲陽極的開路電位Tab. 1 Open circuit potentials of sacrificial anodes

因為無法斷開所有犧牲陽極與管道的連接，所以過去通常采用通電電位法評價管道的陰保效果。圖1為2006年檢測評價工作中獲得的管道沿線通電電位分布情況。

圖1 犧牲陽極作用下管道沿線的通電電位(2006年)Fig. 1 On-potentials along the pipeline under the action of sacrificial anode (2006)

基于現(xiàn)行的國家標準GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范》 ，可采用極化電位來判斷管道的陰保效果。鑒于管道上連接的犧牲陽極無法全部斷開，所以目前該管道利用極化試片法評價陰極保護的有效性。采用極化試片測量時，將試片埋設于管道服役環(huán)境中，試片與管道中心線的水平距離為0.1～0.5 m。根據(jù)SY/T 0029-2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應用技術規(guī)范》中關于“陰極保護電位檢查片”的技術要求，同時考慮管道服役時間較長且防腐蝕層日益嚴重老化等情況，選擇10 cm2圓柱形試片。將試片測試線與管道測試線相連，極化一定時間后，將試片與管道斷開，即可測得試片的瞬間斷開電位，用該電位來評價管道的陰保效果。試片的連接方式見圖2。

圖2 極化試片與管道的連接方式Fig. 2 Connection method of polarization test piece and pipe

基于上述極化試片法，管道管理方于2013年開展了管道全線陰極保護效果的評價工作。在管道沿線共埋設了148片試片，采集了所有極化試片(共148片)的通電電位和瞬間斷開電位，電位的分布情況見圖3。這次評價工作統(tǒng)一采用-850 mV極化電位準則，結果表明，共有84處未達標，占比為57%。

圖3 極化試片的通電電位與瞬間斷開電位(2013年)Fig. 3 On-potentials and instantaneous disconnection potentials of the polarization test pieces (2013)

此外，在檢測中發(fā)現(xiàn)靠近5號站的管段受到一定程度的動態(tài)直流雜散電流干擾，疑似受到廣州地鐵干擾。由圖4可見：該管段的通電電位存在明顯的動態(tài)波動。

圖4 受動態(tài)直流干擾管段的通電電位波動情況(2013年)Fig. 4 Fluctuations of on-potentials of the pipe section subject to dynamic DC interference (2013)

2 外防腐蝕層性能評價

GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗》標準提出了埋地鋼質(zhì)管道外防腐蝕層的分級評價指標。外防腐蝕層狀況的非開挖檢測評價可采用外防腐蝕層電阻率、電流衰減率(Y值)、破損點密度等不開挖檢測指標進行分析。其中，電流衰減率的評價指標見表2。

表2 電流衰減率Y值(dB/m)的分級評價指標Tab. 2 Graded evaluation index of current attenuation rate Y (dB/m)

采用管中交流電流衰減法可以對管中電流衰減情況、電流衰減因子進行判斷和計算。該方法適用于除鋼套管、鋼絲網(wǎng)加強的混凝土配重層(套管)外，遠離高壓交流輸電線地區(qū)，任何交變磁場能穿透的覆蓋層下的管道外防腐蝕層質(zhì)量檢測。對埋地管道的埋深、位置、分支、外部金屬構筑物、防腐蝕層缺陷等都能給出準確信息；根據(jù)電流衰減的斜率，可以定性確定各段管道防腐蝕層質(zhì)量的差異，為更準確的防腐蝕層破損點查尋提供基礎。

在檢測中,發(fā)射機通過測試樁向管道施加電流信號，然后使用接收機沿線探測管中電流信號。管中電流強度從信號饋入點開始隨距離的增大而減小。衰減率與管線防腐蝕層狀況、土壤電阻率等因素有關。檢測電流信號在管道“故障點”處出現(xiàn)迅速下降。故障點可能是管道防腐蝕層損壞或管道與其他金屬設施搭接。

接收機以amps/mA或dBmA值顯示電流。

根據(jù)測得管道電流，利用式(1)計算出IdB和Y值。

Y=IdB/△X

(1)

式中：Y為單位距離管道中電流變化率；△X為檢測管道電流兩點間的距離；IdB為經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后得到以分貝(dB)表示的電流值。

轉(zhuǎn)換的關系為：

IdB=20×|lg(I1/I2)|

(2)

式中：I1和I2分別為相鄰2個檢測點的實測電流。

在防腐蝕層缺陷處，電流會通過破損點流向大地，故防腐蝕層破損點處電流衰減率(Y值)會突然增大，從電流衰減率與距離的曲線圖上該點Y值會突然增大，由此可判定管道防腐蝕層異常的位置，根據(jù)電流衰減率變化可以分析管道防腐蝕層平均質(zhì)量的優(yōu)劣。

本工作中的輸油管道沿線密布犧牲陽極，且多為地下直連無法斷開，所以具備進行管中電流衰減測試的管段較少。在對犧牲陽極檢測定位并臨時摘除了陽極后，對5處管段進行了防腐蝕層性能測試，結果見表3。

表3 管段防腐蝕層的性能評價結果Tab. 3 Performance evaluation results of anti-corrosion layer of pipe section

GB/T 19285-2014標準未列出環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層，故本工作借鑒瀝青防腐蝕層且選用管徑接近的660 mm管道的指標進行了防腐蝕層的評價。從表3可見：換管段采用3LPE防腐蝕層，評級為1級(優(yōu)異)；其他幾處原防腐層管段的評級都為4級，即性能嚴重劣化。

3 外加電流陰極保護改造

基于管道沿線極化試片電位以及防腐蝕層性能評價結果，可以判定管道的防腐蝕層絕緣性能下降嚴重，管道的陰極保護效果難以達標。為有效抑制外腐蝕的發(fā)生、確保管道的安全運行，有必要對管道的陰極保護系統(tǒng)進行增強。鑒于管道沿線多數(shù)犧牲陽極無法開挖更換，經(jīng)饋電試驗確定追加外加電流陰極保護的增強方案，并于2014年在2，3，4，5號站進行四處外加電流陰極保護系統(tǒng)的安裝和調(diào)試投運工作。

在實施外加電流陰極保護系統(tǒng)的安裝工作前，對輸油管道沿線8處絕緣接頭進行了絕緣性能測試。采用固定參比電極同時測量絕緣接頭兩側的電位，若電位存在明顯差異則確定絕緣法蘭的絕緣性能良好。由表4可見：8處絕緣接頭的絕緣性能均為良好。

表4 絕緣接頭的絕緣性能測試結果Tab. 4 Insulation performance test results of insulated joints

在四處陰極保護站安裝完畢后，對系統(tǒng)進行了調(diào)試。四處新建陰極保護站的輸出情況見表5。由表5可見：受地質(zhì)情況影響，2，5號站陽極地床的接地電阻較大。

表5 四處新建陰極保護站的輸出情況Tab. 5 Outputs of 4 newly built cathodic protection stations

在四處陰保站運行1 a后，再次對管道進行陰極保護有效性評價，并對外加電流陰極保護站投運前后管道沿線的極化試片瞬間斷開電位進行了比較，見圖5。

圖5 實施外加電流陰極保護前后管道沿線的陰保電位Fig. 5 Cathodic protection potentials along the pipeline before and after the application of impressed current cathodic protection

由表6可見：在實施外加電流陰極保護系統(tǒng)前(2013年)，全線有44處斷電電位不達標，達標率為70.2%；外加電流陰極保護系統(tǒng)實施后， 2015年測得全線有8處斷電電位不達標，達標率為93.9%； 2017僅測得3處電位不達標。施加外加電流陰極保護系統(tǒng)有效增強了管道的陰極保護效果，且隨著時間的延長，管道極化效果越來越好，陰極保護電位也越來越負。

表6 全線測試樁處管道電位達標統(tǒng)計結果Tab. 6 Statistic results of the pipeline polentials reaching the standard at all test piles

從最近的斷電電位檢測數(shù)據(jù)(2020年)來看，該輸油管道沿線普遍受到日益嚴重的動態(tài)直流干擾，沿線斷電電位均有波動(圖6)，波動最大值出現(xiàn)在D15號測試樁，斷電電位為-1.23～-0.26 V(圖7)。

圖6 2020年管道全線測試樁處的斷電電位Fig. 6 Power-off potentials at test piles along the pipeline in 2020

圖7 D15號測試樁位置的通電/斷電電位Fig. 7 Power-on/power-off potentials at the location of test pile D15

隨著大灣區(qū)建設的快速推進，珠三角地區(qū)城市軌交系統(tǒng)建設必將進一步提速，該輸油管道受到的外部直流雜散電流干擾也會日趨嚴重。此外，管道原有環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層的絕緣性能仍持續(xù)下降，管道的陰極保護電流需求將持續(xù)增大。在犧牲陽極和外加電流陰極保護聯(lián)合使用的情況下，該輸油管道的陰極保護基本可以達到有效，但是受外界直流干擾以及防腐蝕層老化和犧牲陽極消耗的影響，保護效果必然受到持續(xù)的負面影響。

4 結論

本工作研究的輸油管道于1997年投入使用，原環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層老化嚴重，建設時期安裝的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)在運行多年后已經(jīng)無法對管道進行有效保護。隨著原有犧牲陽極的逐步消耗，陽極電位發(fā)生正向偏移，犧牲陽極的輸出電流逐步減少且有可能開始吸收外加電流系統(tǒng)輸出的陰極保護電流，所以應該密切關注犧牲陽極的消耗情況。在條件允許的情況下，應逐步開挖原有犧牲陽極，剔除已經(jīng)消耗殆盡的陽極，將仍有效的陽極通過新增的測試樁連接到管道，為后續(xù)的檢測、整改提供便利條件。

珠三角地區(qū)的軌道交通建設正處于爆發(fā)式發(fā)展階段，該輸油管道受到的動態(tài)直流雜散電流干擾日趨嚴重。有必要對管道受干擾情況進行定期檢測評價，并根據(jù)評價結果及時增加排流緩解措施或調(diào)整陰極保護系統(tǒng)的輸出。

老舊管道的延壽問題是國內(nèi)諸多油氣管道所面臨的一個課題。采用外加電流陰極保護系統(tǒng)對管道原有的犧牲陽極系統(tǒng)進行增強，可以恢復管道陰極保護的有效性，為老舊管道的延壽使用提供堅實的基礎。