陰極保護技術作為金屬腐蝕防護的一種有效方法已在全世界得到了較為廣泛的運用。在已經利用涂層防護的油氣設施中，要想得到完美無瑕的涂層幾乎是不可能的；一般總會有一些缺陷或保護不到的點，這些點上腐蝕還會發生。采用陰極保護與涂層聯合保護方法是目前埋地或水下油氣設施外腐蝕控制的通行做法，可以實現經濟、有效的腐蝕控制。陰極保護費用約為被保護金屬結構物造價的1%～5%，是涂層費用的10%左右，但卻可以使結構物的使用壽命成倍甚至幾十倍的延長。目前埋地或海底管道、儲罐等油氣設施已經實現了陰極保護系統和主體工程同時設計、同時施工、同時投產，取得了良好的效果。

近年來，隨著社會進步和科技發展，油氣設施的陰極保護無論從理論上，還是技術上都還處在不斷發展中，其中兩個方面的發展值得關注：一是隨著數值計算、自動控制、信息學和計算機等學科向陰極保護領域的滲透，產生了很多具有特色功能的現代陰極保護技術；二是隨著各種基礎設施建設（油氣管道、高壓電網、高速鐵路、城市軌道交通）的迅速發展，會對陰極保護產生很強的交互作用，導致陰極保護失效，對傳統陰極保護提出了許多新的科學問題和技術需求。

陰極保護的原理及方法

金屬在電解質溶液中，由于本身存在的電化學不均勻性或外界環境的不均勻性，會形成腐蝕原電池。在原電池的陽極區發生腐蝕，不斷輸出電子，同時金屬離子溶入液體；陰極區發生陰極反應，視電解液和環境條件不同，在陰極表面上一般會發生吸氧反應或析氫反應。如果給金屬通以陰極電流，整個腐蝕原電池的電位將向負的方向偏移，使金屬陰極極化，這就可以抑制陽極區金屬的電子釋放，從而減輕金屬腐蝕。如圖1所示，當外部電流施加到被腐蝕的金屬表面，部分流到陽極區，部分流到陰極區，當施加的電流足夠大，以致流進陽極區的電流可以抵消自然腐蝕電流，即ipa≥ia，沒有靜電流離開金屬表面，腐蝕則完全停止。

圖1　陰極保護原理示意圖

ia—陽極和腐蝕區域流入的腐蝕電流；ic—流入陰極區的腐蝕電流，ia=ic；ip—施加到結構上的外部陰極保護電流總量；ipc—進入陰極區的保護電流部分；ipa—進入陰極區的保護電流部分

陰極保護通常有兩種方法，即外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護。

01 外加電流陰極保護

外加電流陰極保護是根據陰極保護的原理，用外部直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極接到被保護的油氣設施上，將電源正極接至輔助陽極。在電流的作用下，使管道的對地電位向負的方向移動，從而實現陰極保護。

02 犧牲陽極陰極保護

把某種電極電位比較負的金屬材料與電極電位比較正的被保護油氣設施相連接，使被保護的油氣設施成為腐蝕電池中的陰極，而實現保護的方法稱為犧牲陽極陰極保護。在土壤環境中常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅及鋅合金等。

陰極保護效果的判斷準則

01 最小保護電位

金屬經陰極極化后達到完全保護所需要的絕對值最小的負電位值，該電位指管/地界面極化電位。最小保護電位與金屬的種類和腐蝕介質的組成等有關；對于埋設在天然水和土壤中的金屬管道，其最小保護電位確定為-0.85V（相對于Cu/CuSO4電極）；當土壤或水中含有硫酸鹽還原菌（SRB）且硫酸根含量大于0.5%時，其最小保護電位確定為-0.95V（Cu/CuSO4電極）。

02 電位偏移指標

在陰極極化的建立過程中或衰減過程中，管道表面與同土壤接觸的參比電極之間測得陰極極化電位差不得小于100mV；在高溫、含SRB的土壤中，存在雜散電流干擾以及異金屬耦合管道中不能采用該指標。

03 最大保護電位

在陰極保護條件下，所允許施加的絕對值最大的負電位值。最大保護電位的限值一般根據防腐層及金屬材質來確定，以不損壞防腐層的黏結力，同時不會引起高強度鋼的氫脆等問題來考慮確定。目前國際上對于最大保護電位指標尚未統一，尚待深入系統、深入研究；GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中給出的最大保護電位準則為：陰極保護狀態下管道的極限保護電位（即管/地界面極化電位）不能比-1200mV（CSE）更負。

陰極保護測試探頭和數據遠程監控技術

01 陰極保護測試探頭

陰極保護極化電位作為陰極保護的關鍵參數，反映了陰極極化的程度，是監視和控制陰極保護效果的重要指標，因此，準確測量極化電位對于保證陰極保護技術的有效實施具有非常重要的意義。通常將參比電極放置在管道上方的土壤表面上進行測量，當陰極保護系統處于通電狀態時，所測得的陰極保護電位包含電流在管道和參比電極之間的土壤中流動所產生的電壓降即IR降，通過瞬間斷電測量法可以消除陰極保護系統電流造成的電壓降，但無法消除雜散電流所產生的電壓降。為了消除這一誤差，近年來一種新興的陰極保護電位測量技術——測試探頭測量技術以其獨特的優勢越來越受到人們的關注。GB/T 21246—2016《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》中也明確提出：“受雜散電流干擾或無法同步中斷保護電流的管道，用極化探頭測量埋設位置處管道保護電位”。

測試探頭的基本結構包含測試鋼片、參比電極和電解質幾部分，鋼片用和管道相同的材質制成，并用導線與管道相連，外部用絕緣體隔離，只留一個多孔塞子（滲透膜）作為測量通路，這樣的結構可使參比電極和鋼片之間的電阻壓降最小。

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數據遠程監控技術

傳統的陰極保護電位檢測方法是由陰保工或巡線員手持萬用表或電壓表在管道沿線測試樁處逐一進行測量，這種方法費時費力，尤其對于需要長時間連續監測的位置，并且不便于及時發現存在的問題，若將先進的數據遠程監控技術應用于陰極保護電位數據的自動檢測與傳輸，將大大提高維護管理水平，節省勞動力。對于遠程監控技術，自20世紀80年代起國內外開發了不同傳輸技術的陰極保護遠程監控和測量的產品，隨著地理信息系統（GIS）及信息傳遞技術的發展，陰極保護遠程監控技術也得到發展。目前采用基于GIS的實時監視控制和數據采集系統作為管理的運行管理平臺，已在如美國、英國、挪威、丹麥等國家的管道普遍使用。可實現數據記錄、設備查詢、日常管理確定敏感區域的管道位置，以便發生故障時能及時提供相關的詳細資料。

陰極保護信息的傳輸方式可以簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括電力載波通信、架設光纜、電纜或者租用電信電話線、DDN、ADSL等，而無線包括短波通信、微波通信、擴頻通信、衛星通信GPS、GSM短信/GPRS通信等。在管道行業，由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜和鋪設電纜的難度較大，不太符合情況。而向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監控點線路難以到達，另外采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規模使用。與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。

陰極保護數據無線傳輸和遠程監控系統是集成了陰保檢測技術、智能儀表技術、無線通信技術和計算機網絡技術等多學科領域的數據監測系統。該系統可完成陰極保護電位的自動檢測及預處理、無線數據傳輸和服務器數據管理等功能，該技術的推廣應用對于提高國內陰極保護管理水平具有重要意義。