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石油石化陰極保護技術的應用現狀及相關問題探討

2024-01-11 14:29:25 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

目前陰極保護與涂層協同保護已經廣泛應用于管道的腐蝕防護上。防腐層作為管道防護的第一道防線，將管道與腐蝕性介質隔開，并且保護管道不受外力機械損傷；而當防腐層出現破損時，此時陰極保護作為第二道防線，保證管道破損處不受腐蝕影響。

陰極保護主要包括外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護。對于不同防腐層的管道來說，SY/T 0036中指出了所需要的最小陰極保護電流密度：就目前應用廣泛的3PE防腐層（1 MΩ·m²）來說，金屬管道保護需要的陰極保護電流密度小于10 μA/m²。

一方面，防腐層極大地減小了陰極保護系統的輸出電流；另一方面，由于較高的防腐層電阻率，使得陰極保護電流更加均勻，能夠保護更長的管道。因此，下面從長輸管道陰極保護、集輸管網陰極保護和站場區域陰極保護三個方面進行討論，并提出了陰極保護后續需要研究的四個問題。

陰極保護設計

長輸管道陰極保護

經過多年的發展，長輸管道的外加電流陰極保護已經形成了完整的計算、設計體系，長輸管道的陰極保護示意圖如圖1所示。一般來說，長輸管道的陰極保護多采用外加電流的方式，站內設置恒電位儀，在站外設置輔助陽極，而通電點設置在站外絕緣法蘭外側，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）即可保護很長的管道，站間距可達數十甚至上百公里（同樣也受土壤電阻率的影響）；其陰極保護電流流入管道向通電點匯流入恒電位儀負極，整個回路相對簡單；同時由于長輸管道多敷設在野外，因此對外加電流陰極保護的安全要求也比較低。

圖1 長輸管道的陰極保護及陰極屏蔽

在長輸管道陰極保護中，陰極保護屏蔽問題是難以發現和難以解決的問題。從圖1可以看出，在現場管道的檢測中發現部分區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擴散、陰極保護電位過負、陰極保護電位震蕩等原因引起。

相關研究表明，當縫隙內的電阻率達到100 MΩ·cm時，陰極保護電流完全不能在管道基體表面形成有效的陰極保護，并且對于防腐層剝離管段的排查相對來說比較困難，這也為陰極保護提出了新的挑戰。陰極屏蔽問題也出現在保溫管道、穿跨越的套管管道中。

集輸管網陰極保護

與長輸管道的陰極保護相比，集輸管網的陰極保護設計主要有以下特點：

(1) 對于老油田來說，集輸管網的防腐層類型眾多，主要包括黃夾克、環氧煤瀝青和PE等，同時由于集輸管道更換頻繁，不同運行年限之間的防腐層的電阻率差異較大，所需要的陰極保護電流各不相同。

(2) 集輸管網多并行敷設，輸油輸氣、注水注汽等多管道并排同溝敷設，從現場數據來看，同溝敷設集輸管線最多可達10余條，此時中間管線受到兩側管線的屏蔽作用，難以得到陰極保護，而深井陽極的埋設方式可能是解決這一問題的唯一手段，但是施工和設計比較困難。

(3) 集輸管網附近現場生產和運行比較集中和頻繁，因此有大量設備的接地，多種埋地金屬構件埋深差異性較大，這也對陰極保護的設計帶來了一系列問題。

站場區域陰極保護

一般來說，由于站場內儲罐多、管道縱橫交錯，并且區域相對封閉，因此在站場內多采用犧牲陽極+強制電流共同的陰極保護方式。

實際應用中，若單獨采用強制電流陰極保護，由于站內接地裝置較多，保護電流損失較大，并且容易對其他金屬構件產生干擾；而單獨采用犧牲陽極的陰極保護，若想要達到理想的保護效果，所需要的陽極數量很多，在站場有限的空間內不現實。因此，在站場內，以強制電流陰極保護為主，在管道重疊、交叉等陰極保護達不到要求的位置加以輔助犧牲陽極來達到所要求的效果，如圖2所示。

圖2 站場區域陰極保護設計示意

最佳陰極保護電位范圍

及影響因素

目前在陰極保護的設計及評價方面主要存在以下四個問題：

(1) 行業上通用的陰極保護準則規定，當管道斷電電位處于-0.85～-1.2 V（CSE）時，管道受到完全的保護，此時其腐蝕速率處于可接受的范圍內，同時在GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中規定了如硫酸鹽還原菌、高強鋼等特殊條件下的陰極保護電位范圍。

現場測試斷電電位主要通過在陰極保護系統上添加斷路器或采用試片法，但事實上，在日常陰極保護的檢測與維護上，在陰極保護系統上添加斷路器其工作量巨大，并且難以保證其同步性；對采用試片法而言，操作相對容易，但工作繁瑣。同時，隨著公共走廊內交直流輸電線路、電氣化鐵路等的存在，地中雜散電流不可避免地會流入到管道中形成干擾，在試片法斷路測試時只能消除陰極保護帶來的土壤IR降，而對于雜散電流來說卻無法消除。因此，提出一種在雜散電流干擾下的管道斷電電位測試方法或新的評價準則是非常有必要的。

(2) 相關研究表明，在正常運行狀態下管道的保護電位不是一成不變的，其表現為在一定范圍內發生振蕩。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引起電位升降而形成局部的腐蝕微電池，導致管道的局部腐蝕穿孔。因此，在常規的-0.85～-1.2 V保護電位區間內，劃分多個保護電位區間，確定不同保護振蕩程度下的管道局部腐蝕情況以及腐蝕機理對確定不同環境下最佳保護電位區間是非常有必要的。

(3) 目前，大多數管線陰極保護采用恒電位控制方式，而回流點（通電點）設置在站場外絕緣法蘭外側。當雜散電流在管道上發生流入或流出時，會引起通電點處負反饋信號的改變，從而引起陰極保護電流輸出的改變，當輸出減小時會使得整條管道保護不足，當輸出增大時可能會引起輔助陽極附近的管段過度極化，存在氫脆的風險。

基于保護系統的有效性、不對外界產生干擾以及不影響保護距離等原則，目前針對這一問題的主要解決辦法有三個：采用高等級防腐層、排流和采取恒電流控制。對于現場的日常檢測和維護來說，僅僅通過管地電位標準無法對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角度或者雜散電流角度來考慮，無法根據現場管道實際的極化狀況來提出切實有效的措施。

(4) 對于并行管道的陰極保護設計，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題，而并行管道陰極保護系統之間也存在相互干擾問題，因此如何解決這兩方面的干擾問題是并行管道陰極保護設計的關鍵。

目前對于并行管道多采用跨接線+聯合保護的方法和跨接線+共用陽極等方法，但是目前相關標準中沒有跨接線設計布置的相關準則，并且跨接管線的真實電位測試方法和評價準則目前仍無相關研究，而共用陽極方法僅僅適用于兩條防腐層質量相似的管道，適用范圍比較小。

結語

陰極保護技術以保護距離長、保護效果好和性價比高等優點廣泛應用于埋地管道的腐蝕防護上，行業上通用的陰極保護準則為斷電電位-0.85～-1.2 V（CSE）電位準則，同時規定了高強鋼、硫酸鹽還原菌等特殊條件的陰極保護范圍，其他評價準則如100 mV極化電位準則應用相對較少。而目前從陰極保護的設計、檢測和評價來看，由于防腐層/土壤環境的復雜性、交/直流雜散電流干擾、并行管道等問題，陰極保護在管廊內的應用依然存在諸多問題，需要開展進一步研究。

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