脈沖電流陰極保護參數的影響規律

張 濤,周好斌,許 慶

(西安石油大學 材料科學與工程學院,西安 710065)

應用技術

脈沖電流陰極保護參數的影響規律

張 濤,周好斌,許 慶

(西安石油大學 材料科學與工程學院,西安 710065)

在NaCl溶液中建立了均勻介質模擬油井套管體系，采用掛片法研究了方波脈沖電流參數(頻率、占空比)、陽極距離等因素對方波脈沖電流陰極保護效果的影響。結果表明：隨著方波脈沖電流頻率和占空比的增加，陰極極化電位分布曲線逐漸負移，極化幅度逐漸增加，有效保護深度明顯延長，所需平均保護電流更小。要提高保護效果和降低電流消耗，應選擇中間范圍的占空比、較高的頻率以及適當的陰陽極距離。

油井套管;脈沖電流;陰極保護;電流參數;陽極距離

油井套管脈沖電流陰極保護技術距今已經有四十多年的發展歷史，但是人們對其機理以及保護效果的研究還很匱乏。油田現場的應用實例少見報道，這在很大程度上限制了該技術的應用發展。胡士信，邱于兵等在陰極保護方面做了大量的研究，而對于油井套管脈沖電流陰極保護的研究卻仍很少。脈沖電流陰極保護技術具有傳統直流陰極保護技術無法比擬的優越性,目前，國外該項技術僅少量應用于油井套管系統，而國內在油井套管系統方面還沒有實際應用的相關報道[1-3]。油井套管脈沖電流陰極保護技術的優越性已經顯現出來,因此針對該技術的保護規律和效果有必要進行深度研究[4-5]。

本工作模擬了水池油井套管腐蝕體系，研究了模擬環境中脈沖電流陰極保護參數(頻率，占空比，陽極距離)對40角鋼方波脈沖電流陰極保護效果的影響，以期為實際油田油井套管的防腐蝕提供技術支撐。

1 試驗

試驗采用掛片法，在5.0 m×0.5 m×0.5 m的水池中建立了均勻介質模擬油井套管體系，試驗裝置示意圖見圖1。其中，試驗用電源為自制脈沖電源；陰極采用長4.5 m的40角鋼，試樣在試驗前先用拋光機進行除銹處理，然后用金剛石砂紙逐級打磨至160號，再經丙酮脫脂、干燥24 h后，上端焊接電位線，設定四個等距離保護電位測量點；陽極為φ100 mm×30 mm的石墨體；參比電極為232型飽和甘汞電極，4支參比電極等距離擺放。陰陽極入水深度均為10 cm，試驗溶液為0.6%(質量分數，下同)NaCl溶液。

圖1 模擬油井套管陰極保護系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of simulated well casing cathodic protection system

試樣放置好后，調整好兩者距離，浸泡16 h后開始試驗。先測量角鋼表面自腐蝕電位(Ecorr)分布，然后再施加一定頻率和占空比參數的脈沖電流(I)，測量管表面保護電位的分布，距離陽極最近處為參比電極測試點1，然后依次為測試點2，測試點3，測試點4。

試驗時間為72～168 h，在脈沖電流陰極保護下，陰極極化電位不斷負移。根據以往試驗結果，極化120 min后，電位達到相對穩定，然后每隔1 h測一次電位，每組測8次取平均值[6-7]。

根據陰極保護效果判斷標準,選取極化電位(相對于飽和甘汞電極，SCE)為-0.77～-1.03 V即達到有效保護。正于-0.77 V為欠保護,負于-1.03 V則為過保護[8]。

2 結果與討論

2.1 方波脈沖電流參數的影響

由圖2可見，占空比(p)為20%條件下，當頻率(f)為500 Hz時，保護電位為690～1 033 mV，此時距離陽極最近處試樣已處于過保護狀態，而隨著保護深度增加，試樣末端保護電位卻未達到極化電位要求范圍，試樣未得到有效保護[9-11]。當頻率為3 500 Hz時，其保護電位為718～1 016 mV，盡管試樣末端仍未完全處于陰極極化電位要求范圍，但是試樣絕大部分處于被保護狀態，且未出現過保護現象。當頻率增至5 500 Hz時，其保護電位為705～1 026 mV，保護效果不如3 500 Hz時的。可見,單純改變頻率無法使管表面達到有效保護。因此，采用脈沖電流陰極保護時，頻率并非越高越好，取中間值時保護效果反而更好。由圖2還可見，相同頻率條件下，占空比為50%時，脈沖電流陰極保護效果最好，因此占空比也應當取中間值。

(a) p=20% (b) p=50% (c) p=70%圖2 不同占空比條件下，不同頻率脈沖電流對陰極保護效果的影響Fig. 2 Effects of pulse current with different frequencies on cathodic protective results in different duty cyde conditions

2.2 陽極距離的影響

根據脈沖電流參數影響的試驗結果,選擇了一組適當的脈沖電流參數:f=3 500 Hz、p=20%、IA=220 mA。采用該電流參數,在不同的陰陽極距離下，得到陰極表面極化電位分布，結果見表1和圖3。

由圖3可見，當陽極距離(D)為1 cm時，管表面電位為698～1 061 mV，管上部(深度0～0.3 m)已開始出現過保護現象，而下部(3～4.5m)還未達到有效保護。當D為5 cm時，管表面電位為705～1 067 mV，管上部仍有過保護現象，但不明顯，下部仍未達到有效，但較D為1 cm時有所改善。當D為10 cm時，管表面電位為735～1 014 mV，管上部未出現過保護現象，下部(約4～4.5 m)未達到有效保護。當D為20 cm時，管表面電位為66～1 059 mV，管上部(深度0～0.2 m)已開始出現過保護現象，而下部(.5～4.5 m)還未達到有效保護。可見，D并不是越小或者越大越好，即陽極距離陰極不宜太近或者太遠。在條件允許的情況下,應盡可能采用適當較大的陽極距離[12-15]。

表1 陽極距離對保護效果的影響Tab. 1 Effects of anode distance on protection results mV

圖3 陽極距離對陰極保護效果的影響圖Fig. 3 The influence diagram of anode distance on the cathodic protection effect

3 結論

(1) 隨著保護時間的推移，脈沖電流在不同參數條件下，陰極保護電位都會越來越負。

(2) 其他條件不變時，脈沖電流陰極保護參數選取較高頻率、適中占空比時，陰極才能得到較好保護，且消耗電流更低。

(3) 要使陰極在脈沖電流陰極保護條件下達到較好的保護效果，應盡可能選擇中間范圍的陽極距離。

(4) 在實際的油井套管脈沖電流陰極保護系統中，一般陽極地床距離井口的水平距離不能太近或太遠，因此只通過調節D不可能使套管達到全線有效保護，此時應該適當調節脈沖電流參數值，否則只能采取其他措施來增加套管保護深度。

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Influence Law of Pulse Current Cathodic Protection Parameters

ZHANG Tao, ZHOU Hao-bin, XU Qing

(School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

Simulation system of oil well casing was established in NaCl solution, coupon test method was used to investigate the effect of square wave pulse current parameters (frequency, duty cycle) on protection effect of pulse current cathodic protection. The results showed that with the increase of square wave pulse current frequency and duty cycle, the cathodic polarization potential distribution curve negatively shifted gradually, the polarization amplitude increased gradually, the effective protection depth was obviously prolonged, the protection current was smaller in average. To improve the protection effect and reduce the current consumption, the middle range of duty ratio, high frequency and appropriate distance between the cathode and the anode should be chosen.

oil well casing； pulse current； cathodic protection； current parameter； anode distance

10.11973/fsyfh-201701014

2015-07-17

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2013KTCL-04)

周好斌(1965-),教授,博士,主要從事腐蝕與防護技術、焊接設備與工藝研究,15249290929,hbzhou@xsyu.edu.cn

TG172

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1005-748X(2017)01-0062-03