陰極保護在埋地鋼質管道的應用

潘宗江 楊 威 韓 毅 張毅澤 胡 波 田 野

（1. 石油工業機械產品質量監督檢驗站，黑龍江 大慶 163316；2.華北油田質量安全環保監督中心，河北 任丘 062550）

0 引言

金屬管道發生腐蝕，是金屬的一種普遍的、不可逆的現象，絕大多數金屬在自然界中以氧化物的形式存在，其結構及化學性能穩定，金屬單質或其合金在自然界中的腐蝕結果，一般產物是其氧化物，可以說，金屬合金的腐蝕是回歸自然的過程。管道發生腐蝕，甚至穿孔泄漏輸送介質，其危害很大；據中國工程院重大咨詢項目調研報告，我國2014 年因管道腐蝕造成的經濟損失達2.1萬億元，約占國內生產總值的3.34%。管道腐蝕所引發的事故不單會導致經濟損失，更會造成水質、土壤、大氣等嚴重的環境污染，甚至危害群眾的生命安全，影響人民的正常生活和生產活動。陰極保護技術作為埋地鋼質管道的一項有效的防護手段，為保護管道安全、延長管道服役壽命，對社會經濟發展和人民生命財產安全提供有效保障，發揮著重要作用[1,2]。

1 陰極保護在我國管道行業的發展

經過多年來管道腐蝕與防護的廣大從業者及研究人員的探索，使得陰極保護技術原理的研究以及配套產品服務的完善都有長足進步，隨著新理論新技術新產品的不斷迭代發展，專業性人才的培養受到關注，標準體系的日趨完善，使國內管道行業實施重大工程的能力、故障診斷水平、解決技術難題的能力都不斷提升，行業整體的技術水平與國際先進水平的差距逐漸變小。伴隨著國內經濟的飛速發展，工業化建設的深入，都需要投入大量的基礎建設，而敷設不同用途的管道更是重中之重；一大批重大的管道工程項目的上馬也促進了陰極保護技術的進步和行業的發展，同時也對陰極保護技術的實施提出了更高的要求。

陰極保護技術是有效抑制埋地鋼質管道腐蝕的方法，其技術發展迄今已有一百多年的歷史，電化學保護技術也是國際公認的可靠有效的腐蝕防護技術，被廣泛應用于不用環境介質中的金屬構筑物的腐蝕防護。陰極保護技術在我國的長輸管道中也得到廣泛的應用，如西氣東輸管線、陜京線、以及大量的油氣輸送管網和各種長距離的供水管網中，不少城鎮燃氣管線也越來越多使用了該技術，工業生產企業廠區內的部分地下重要管線也采用陰極保護，特別是高壓、高危的管道，陰極保護技術因其有效可靠而在埋地鋼質管道的應用日發普遍。

2 陰極保護技術的原理及工程應用

陰極保護技術的基本原理是從腐蝕的化學變化出發，當對需要保護的金屬補充大量的電子，使其表面達到電子過剩的狀態，此狀態下，金屬本身的電子不容易失去，從而抑制了金屬的氧化反應，避免或減弱腐蝕的發生。陰極保護的本質是為金屬源源不斷地提供電子，具體實施方法可分為強制電流法和犧牲陽極法。

強制電流法是利用了難以被腐蝕的導電材料作為輔助陽極，從簡單的鋼鐵發展到石墨、高硅鑄鐵、磁性氧化鐵、貴金屬氧化物陽極等。在管道與輔助陽極之間，施加直流電源，電源正極接陽極地床，負極接被保護的管道，直流電流通過輔助陽極流入大地，經管道回流至電源處，如圖1所示。保護電流使金屬管道發生陰極極化，當管道的極化電位達到保護電位時，管道的腐蝕受到抑制。

圖1

犧牲陽極法對管道的保護原理與強制電流的原理是一樣的，其對管道的保護原理同樣是提供足夠的電子。犧牲陽極法是利用了兩種金屬在相同介質中表現的電位差，從而產生電流的效應，將電位比管道更負的金屬或合金與管道相連，兩者在土壤介質中便構成腐蝕原電池，依靠電位更負的金屬不斷溶解時發生氧化反應，從而為管道源源不斷地提供電子。犧牲陽極的埋設和壽命，與土壤的電阻率有很大的關系，根據土壤環境的特性選擇不同構成的陽極金屬以及安裝密度，確保犧牲陽極有足夠強的電流輸出和使用壽命，常見的犧牲陽極有鎂陽極、鋅陽極、鋅鎂合金陽極等。

犧牲陽極法，如圖2所示。其最為突出的優點是成本低、維護簡單、工程容易實現、可靠性強等特點，被廣泛應用于各類的水下設施、船舶、鉆井平臺、采油平臺等海洋基礎設施的腐蝕防護，各大油田內，油井套管通常是使用深井犧牲陽極的方法，在套管旁設置陽極深井，將串狀陽極放進井內，實驗證明，此方法能夠為套管提供良好的保護，工程實現簡單，維護方便，符合油田的效益和實際需求，并且不影響其他地下金屬構筑物。經研究表明，犧牲陽極的埋設深度往往是決定其保護效果的關鍵因素，原因是犧牲陽極的驅動電壓來自于兩種金屬的電位差，當土壤介質的電阻和犧牲陽極與土壤介質的接觸電阻較大時，保護范圍將大大降低。因此，深埋陽極提供的保護效果明顯好于淺埋 陽極。

圖2

犧牲陽極的埋設設計，不僅需要關注材料的特性，還應該考慮埋設環境的腐蝕特征、陽極的極化速率、材料的電容量、最大壽命、更換周期等，只有正確設計和安裝犧牲陽極，才能為管道提供行之有效的保護。

相對于犧牲陽極溶解活潑金屬為管道提供電子的方式，強制電流的陰極保護方法是通過外接直流電源，為金屬提供保護電流，使其極化。根據被保護對象的分布范圍不同，分為獨立體系和區域性陰極保護。區域的陰極保護，即某個區域范圍內使用相同的陰極保護源，通常做法時將多根需要保護的管道連接起來，如常見的均壓線，系統設置電流平衡裝置，來平衡各管道的電流大小，此方法的特點是：使用一個電流源即可保護多個對象，包括管道和不同的金屬構筑物，成本低；但因為需要保護的對象繁多，保護電流消耗大，對電路的負擔的較大；地下金屬結構錯綜復雜，容易形成雜散電流干擾，屏蔽問題突出且難以發現；后期調試整改難 度大[3]。

獨立體系的陰極保護是指管道使用獨立的陰極保護系統，包括獨立的輔助陽極和獨立的恒電位儀。這樣做能很好解決的保護電流相互干擾的問題，使得保護電流更容易調節，但是造價昂貴，保護程度低。

兩種陰極保護方式各有優缺點，實際工程中，應根據被保護對象所處的環境、被保護的范圍、投入收益等情況，綜合考慮保護方式的選擇。一些較為復雜的情況下，兩種陰極保護方法可同時使用，作為相互補充的手段，能為管道提供穩定的、可靠的保護效果。

3 雜散電流與陰極保護

城市化帶來的密集的、龐大的軌道交通網絡，伴隨而來的時嚴峻的雜散電流威脅，近些年來，由于雜散電流的電解作用而腐蝕穿孔的案例越發增多，造成巨大的經濟損失，雜散電流的危害，因其出現的隱蔽性、突發性、嚴重性都必須受到足夠的重視。很多發達國家考慮到雜散電流問題帶來的重大安全隱患，都高度重視這一科研課題，投入了大量的人力、物力和財力，相關的研究工作者進行了長期和深入的研究，關于雜散電流對管道腐蝕影響的研究得出，可以通過提高陰極保護系統的陰極電流輸出來解決這一威脅。

一些雜散電流干擾的情況下，即使滿足-0.850V的陰極保護標準，管線也可能發生腐蝕。雜散電流導致的金屬腐蝕行為是一個較復雜的問題，不僅受雜散電流干擾電壓、電流密度及陰極保護水平影響，還與土壤環境和防腐層缺陷大小等因素有關[4]。

CIPS是成熟的、常用的測量管道陰極保護效果的方法，該方法實現了管道陰極保護通電/斷電電位測量。但當管線存在雜散電流干擾時，因測量過程中不能同時切斷外部干擾電流，土壤中的雜散電流會形成大小各異的電壓降，大小可以在幾毫安至幾百毫安以上，故使用CIPS技術不能測出準確的斷電電位。此時，可以使用試片法進行電位測量，其基本原理：試片通過測試樁與管道相連，在斷開試片與管道連接的瞬間，測得試片斷電電位。經研究表明：試片陰極保護行為與管道上同等面積防腐層漏點陰極保護行為相同，即某特定面積試片陰極保護效果代表著管道上同等面積漏點陰極保護效果。因此，利用試片法也可以評價管道陰極保護效果[5]。

極化探頭其將極化試片和參比電極組合在一起，通過使試片和參比電極的距離足夠小，以此消除雜散電流對測量結果的影響。結果表明，與其他方法的測量結果相比，用極化探頭法可以使電位測量誤差最小。盡管目前行業內開發出許多不同類型、不同材質的極化探頭，但是應用于復雜不同的工況中，依然暴露出一些問題，產品的壽命、性能、精度都有進一步提高的空間。