海底管道陰極保護設計大多采用犧牲陽極，以鐲式陽極為主，具有較好的免維護性，使用初期也帶來了諸多便利。但是，由于近海航運及相關作業(yè)較多，近海海底管道要求埋入海泥中，且近海區(qū)域海水渾濁，海底能見度為零，犧牲陽極消耗狀況及管道保護電位難以檢測，海底管道陰極保護有效性處于未知狀態(tài)，這影響了海底管道的完整性管理。

通常，海底管道陰極保護有效性涵蓋犧牲陽極工作狀況和海底管道保護電位是否達標兩方面。陸上埋地管道陰極保護檢測常用密間隔電位法（CIPS）和直流電位梯度法（DCVG），而海底管道由于沿線無測試樁且無成熟工具，這些方法無法應用。

水下目視、單點電位檢測以及陰極保護數(shù)值模擬是當前常見的海底管道陰極保護有效性評估方法。常規(guī)的水下目視和電位檢測主要應用于鋪在海床上且有一定能見度的深海管道，通過水下遙控機器人（ROV）錄像和電位檢測直觀觀察犧牲陽極的消耗狀況并檢測犧牲陽極工作電位，結合陰極保護數(shù)值模擬技術反演和預測犧牲陽極壽命，并進行優(yōu)化改造設計。

然而，對于埋入海泥中的近海海底管道來說，相關研究較少。這主要是由于可采取的技術研究手段有限，且費用和風險均較高。隨著海底管道服役年限越來越長，犧牲陽極消耗增加，腐蝕風險也愈發(fā)增長，亟需尋求相對簡單可信的評估方法，指導后期維護與優(yōu)化。

冊鎮(zhèn)線海底原油管道于2006年2月28日投產，管道起自冊子島輸油站，至冊子島大沙灣下海，于鎮(zhèn)海新鴻口登陸上岸，沿海翔路北側敷設至達嵐山輸油站。全長45 km，其中陸地管道7.5 km，海底管道37.5 km，管徑762 mm，材質為L415（陸上）和X60（海底）鋼。

海底管道采用管線自埋技術，埋深約在海床下1.5~2 m處，海水最深處約30 m。海底管道采用犧牲陽極陰極保護和環(huán)氧粉末防腐層聯(lián)合防護，并帶有鋼筋混凝土配重層。

外防腐層為單層環(huán)氧粉末（FBE），涂料干膜厚度450~500 μm。犧牲陽極為鐲式鋁合金犧牲陽極，尺寸765 mm×895 mm×524 mm×100 mm，數(shù)量509個，單只陽極質量220 kg。海中段和登陸段犧牲陽極的布置間距分別為72 m和60 m。設計壽命35年，設計最小保護電位為-0.85 V（相對于銅/硫酸銅參比電極，CSE），犧牲陽極工作電位為-0.95 V（相對于銀/氯化銀參比電極，SSC）。設計選取海泥電阻率100 Ω·cm，陽極電容量2100 A·h/kg。初始涂層破損率為3%，最終破損率為13%，陽極利用因子為0.8。

海泥電導率測試采用電阻率（或電導率）測試盒進行。測試時將海泥鋪在盒內，在測試盒的兩端施加電流I，測量中間兩個電極之間的電壓U，由此得到兩電極之間的電阻R=U/I。該測試盒為特制測試盒，故而電阻率ρ=U/I，電導率為100/ρ。

海底管道所在區(qū)域海泥電阻率的3次測試結果分別為117.88，118.94，119.84 Ω·cm，平均電阻率為118.89 Ω·cm，對應電導率為0.84 S/m。實際電阻率略高于初始設計值（100 Ω·cm），這降低了犧牲陽極輸出電流量和海底管道保護電位分布均勻性。

根據GB/T 17848-1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》測試犧牲陽極的電化學性能。將陽極試樣加工成直徑16 mm，長48 mm，表面粗糙度Ra1.6的陽極棒，并在一端加工M3 mm×8 mm連線。

陽極棒分別用去離子水和酒精清洗、除油并吹干，在烘箱內105 ℃烘烤30 min，等冷卻至室溫后對試樣稱量，再次烘烤、稱量，直至兩次稱量結果之差低于0.4 mg，取兩次結果的平均值作為試樣的質量，然后上端連接銅螺紋桿，用PVC管封裝兩端，露出長28 mm的圓柱面作為工作表面，陽極試樣的工作面積為14 cm²，非工作面用絕緣性強的硅膠封住，以避免陽極工作面與密封面之間發(fā)生縫隙腐蝕。

試驗中的輔助陰極采用316L不銹鋼圓筒，工作面積約為840 cm²。試驗介質為取自海底管道所在海域的天然海泥。

犧牲陽極在所處海泥中的電化學性能測試結果如下：開路電位-1.127 V（相對于銅/硫酸銅參比電極，CSE)，工作電位-1.058 V，實際電容量2141 A·h/kg，消耗率4.09 kg/(A·a)，電流效率74.6%，且海泥中陽極表面溶解較均勻，陽極腐蝕產物易脫落，可以看出陽極工作電位實測值較設計值（-1.00 V）更負。電化學性能測試結果表明：陽極在所處海域的電化學性能良好。

試驗材料為X60（鋼），采用線切割機加工試樣，尺寸為2 cm×2 cm×5 cm，一面用銅導線焊接，保留另一面的工作面積為4 cm²，其他部分用環(huán)氧樹脂密封。測量前對試樣進行表面除油、清洗并吹干。試驗介質為取自海底管道所在海域的天然海泥。

極化曲線測量采用標準的三電極體系，即工作電極為X60試樣，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。測量儀器為武漢科思特CS2350H雙恒電位儀，掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為-1.2~-0.6 V（相對于SCE）。

海底管道所在海域地處溫帶，其在海泥中陰極保護中期所需平均電流密度約為20 mA/m²，與在海泥介質中的實測自腐蝕電流密度接近，見圖1。由于海底管道表面涂有熔結環(huán)氧粉末防腐層，實際所需電流密度與涂層破損率相關。由于無法直接獲得實際的涂層破損率，在數(shù)值計算時采取與設計相同的破損率。

圖1 X60在海泥介質中的極化曲線

當海底管道犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，由于所處區(qū)域海泥較均勻，根據電荷守恒定律，其電位分布滿足Laplace方程。

假設海底管道及其陰極保護系統(tǒng)區(qū)域被表面Γ包圍，則有：Γ=ΓA+ΓC+ΓI。式中：ΓI為絕緣表面，采用恒定電流密度作為邊界條件，絕緣表面無電流流入流出，電流密度為零；ΓC和ΓA分別為陰極保護系統(tǒng)中海底管道和犧牲陽極的外表面，邊界條件常根據極化函數(shù)確定，該函數(shù)表示了極化電流密度J與極化電位E之間的關系，可通過試驗測量確定，即：J=f(E)。

對于有防腐層的海底管道，上述極化電流密度應乘以防腐層破損率（防腐層破損率參照設計值）。由于極化邊界條件或求解區(qū)域具有復雜性，無法通過解析方法得到Laplace方程的解，只能采取數(shù)值計算方法如有限差分法、有限元法或邊界元法等獲得數(shù)值解。其中，邊界元法的離散和計算都只在邊界上，減少了未知數(shù)的個數(shù)，計算得到的邊界上的電位和電流密度是陰極保護的關鍵參數(shù)，基于此，筆者采用了邊界元計算方法。

由于設計參數(shù)與實測結果存在差異，基于實測結果采用數(shù)值模擬方法計算獲得海底管道陰極保護電位和犧牲陽極輸出電流，分別用于評估海底管道陰極保護效果和預估犧牲陽極的壽命。

基于給定的模擬條件計算獲得犧牲陽極輸出電流和海底管道保護電位分布如下：

犧牲陽極壽命與陽極凈質量、陽極輸出電流、陽極消耗率和陽極利用率等息息相關。通常，犧牲陽極壽命=陽極凈質量×陽極利用率/(陽極輸出電流×陽極消耗率)。

已測得犧牲陽極的平均消耗率為4.09 kg/(A·a)，鐲式陽極利用率為0.8，陽極凈質量為220 kg，基于計算獲得的陽極輸出電流，預估犧牲陽極的壽命如上表所示，可以看出陽極能夠滿足35年的設計壽命。

模擬結果表明：初始涂層（破損率3%）和最終涂層（破損率13%）的保護電位達均滿足-850 mV或更負的標準要求，海底管道均處于有效保護中。

在海底管道兩端登陸段絕緣接頭處，采用地表參比法檢測了海底管道電位。海中區(qū)域海水較渾濁，海底管道附近水下能見度為零，為此自研了電位檢測裝置，由潛水員攜帶包含兩個參比電極的探頭，采用鋼芯刺穿防腐層接觸管體，將電位信號通過電纜傳至甲板，采用萬用表讀取海底管道的電位，解決了海底零能見度無法目測和開展常規(guī)電位測試的難題。

圖2 海底管道電位測試示意及實物圖

鎮(zhèn)海側和冊子島側的海管絕緣接頭處測得的點位分別為-1.074和-1.079 V，海中1處測得的電位為-1.099 V，可見三處電位均達標；海中2處2019年7月17日測得的電位為-0.790 V，保護不達標，主要原因在于該處有4 m的防腐層均被完全打磨，裸露面積過大導致極化減弱，8月6日工裝安裝后測得裸露長度減小至0.53 m，8月7日測得保護電位約為-0.971 V，保護達標。8月13日裸露管段涂覆防腐涂料后，測得保護電位約為-1.009 V，保護達標，電位水平得到了進一步提升。

2022年7月27日，對冊鎮(zhèn)線海底管道海中2處管卡、犧牲陽極及管道電位進行了檢測，且使用了新檢測設備，其與舊檢測設備的主要區(qū)別在于設置了兩個相同的銀氯化銀參比電極且配備了具有數(shù)據處理功能的末端設備。在同一測試點，新設備測得電位誤差為0.19%~3.31%，滿足設計需求；管卡兩側管道保護電位達標；管卡固定螺栓與犧牲陽極吊裝點均處在有效保護狀態(tài)；管卡處犧牲陽極平均工作電位為-1.103 V，較試驗值正移5 mV，仍負于設計選用的犧牲陽極電位（-1.00 V）。

圖3 冊子島側管卡螺栓測點的電位變化情況

由圖3可見：A-B段的電位約為-0.403 V，為潛水員攜帶檢測裝置入水后鋼芯在海水中的自然電位；鋼芯接觸管卡螺栓后，出現(xiàn)了由B-C的變化，此為螺栓的電位，約穩(wěn)定在-1.045 V。

在測量區(qū)域打撈某犧牲陽極，采用3D幾何掃描技術構建犧牲陽極表面3D形貌，計算犧牲陽極消耗總量。提取犧牲陽極表面坑蝕處的殘留物，采用日本理學公司D/max 2500 PC型X射線粉末衍射儀測試其成分。

圖4 犧牲陽極外表面和內表面宏觀形貌

由圖4可以看出：除了犧牲陽極外表面的管頂側有較大缺陷外，其他表面陽極消耗較輕；犧牲陽極外表面管頂側的缺陷主要是由拆除作業(yè)過程中的沖擊力造成的，有幾處為腐蝕坑。

采用3D幾何掃描技術對犧牲陽極外表面管頂側進行了掃描，統(tǒng)計了13處較大局部損失（部分疑為打撈時作業(yè)造成的）的外形尺寸，陽極密度按照鋁的密度2700 kg/m³計算，初步測算其腐蝕質量損失為3.094 kg；此外，陽極整體厚度減薄1 mm，長度基本不變，均勻損失體積為1.373×10^-3 m³，對應腐蝕質量損失為3.707 kg。綜上，打撈犧牲陽極的總腐蝕質量損失約為6.8 kg。

由于冊鎮(zhèn)線海底管道及犧牲陽極均為埋設，且海底管道具有混凝土配重層，環(huán)境變化較小，在正常陰極保護情況下，陽極的消耗速率取決于因老化防腐層破損率的變化，按照標準ISO 15589-2-2015推薦參數(shù)，F(xiàn)BE涂層的起始破損率為0.03，年增破損率為0.0015，在過去14年內的平均破損率為0.0405，在未來的21年內平均破損率為0.0668。按照上述參數(shù)測算未來陽極的腐蝕質量損失為16.8 kg。中間摘除1支犧牲陽極后，質量損失按照2倍計算為33.6 kg，現(xiàn)有陽極質量213.2 kg，可利用陽極質量為170.6 kg，即完全能夠滿足壽命要求。

在現(xiàn)場提取了犧牲陽極內側、外側和兩處缺陷內的殘留物，其中犧牲陽極內側附著物呈灰黑色，其余3處的附著物呈灰白色。對附著物進行粉末X射線衍射分析測試，結果顯示附著物主要成分為SiO2，即主要為泥土，部分含有少量Al和CaCO3，屬于正常打撈脫落和陽極附屬產物。總體來看，陽極產物的溶解性良好。

(1) 海底管道服役環(huán)境參數(shù)實測結果結合陰極保護數(shù)值模擬方法能夠獲取海底管道電位分布和犧牲陽極輸出電流，進而評估海底管道陰極保護有效性。在冊鎮(zhèn)線海底管道中的應用結果顯示，犧牲陽極壽命能夠滿足初始設計35年的要求，且壽命期內海底管道保護電位達標。

(2) 采用常規(guī)地表參比法在海底管道兩端絕緣接頭處、海中管道、管卡處，通過工具自研實現(xiàn)了海中段的海底管道陰極保護電位檢測，檢測結果進一步驗證了海底管道陰極保護有效性。在冊鎮(zhèn)線海底管道上的測試結果顯示海底管道處于有效保護，取出的犧牲陽極消耗量較少，陽極產物溶解性良好，預期犧牲陽極能夠滿足設計壽命要求。

(3) 實際環(huán)境取樣測試校核初始設計并結合數(shù)值模擬方法獲得的海底管道陰極保護有效性評價結果與現(xiàn)場實際檢測結果吻合性好，二者相互驗證能夠有效評價近海海底管道犧牲陽極陰極保護有效性。