地下鋼制管道陰極保護技術現狀與應用

程 飛

（華陸工程科技有限責任公司, 陜西 西安 710065）

地下鋼制管道陰極保護技術現狀與應用

程 飛

（華陸工程科技有限責任公司, 陜西 西安 710065）

針對地下鋼質管道腐蝕新情況、新問題，從延長油氣輸送管道的使用壽命角度出發，詳細分析鋼質管道腐蝕形態、腐蝕機理、防腐方案；以某地區埋地鋼質管道為例，主要采用陰極保護和防腐涂層聯動保護體系，是一種進行鋼制管道防腐的有效方法，并得到了犧牲陽極、強制電流和陽極井等陰極保護技術相應各項指標和要求，以及對陰極保護技術系統管理經驗，為類似的地下鋼質管道防腐提供了技術支持。同時通過介紹國內外陰極保護技術研究現狀，指出陰極保護與強電干擾軟件的開發將是我國現階段發展方向。

鋼質管道；陰極保護；現狀；應用

Abstract:The new situation and new problems of underground steel pipeline corrosion were researched. In order to prolong the service life of oil and gas pipeline, corrosion forms and corrosion mechanism of steel pipelines were analyzed as well as anti-corrosion ways. Taking buried steel pipeline in a certain area as an example, cathodic protection and anti-corrosion coating were mainly used to protect the pipeline system, and corresponding indicators and requirements of cathodic protection technology as well as management experiences were obtained, such as sacrificial anode, impressed current and so on. At the same time, research status of the cathodic protection technology at home and abroad was introduced, it's pointed out that the cathodic protection and high voltage interference software development will be the trend of development at the present stage in China.

Key words:Steel pipe; Cathodic protection; Present situation; Application

石油化工的迅猛發展，對管道工程提出了更高要求。根據相關數據統計，美國每年因管道腐蝕造成的經濟損失高達5 000億美元，英國和日本分別達到國民經濟總產值的 3.5%和 1.8%。我國每年因管道腐蝕而造成的經濟損失至少有2 000億元，石油金屬管道腐蝕給石油工業帶來了巨大的經濟損失，且環境污染較嚴重，直接威脅人們生活。因此，埋地管道防腐技術研究顯得尤為重要，不單單是一項技術問題，同時關系到國家資源以及環保等重大戰略問題。陰極保護與管道防腐涂層可形成立體保護體系[1-3]，我國長輸管道和油田集輸管線大部分采用的是陰極保護技術，在防腐方面的應用比較廣泛，經驗比較豐富，。防腐涂層作為管道保護第一道防線，可以將金屬管道與外界土壤隔絕，同時為陰極保護提供絕緣條件，進一步提高陰極保護效果；陰極保護作為金屬管道保護第二道防線，在遇到防腐層破損條件下，仍然可保護金屬管道，這種聯動的防腐體系，可以降低地下鋼質管道腐蝕效率，延長油氣管道輸送壽命，確保管道運行安全性、平穩性、經濟性。

1 國內外陰極保護技術研究進展

20世紀80年代以前，金屬管件在陰極保護設計上，主要采用現有的公式以及一些現場應用經驗來進行設計，設計效果較差，而且耗費工時[3,4]。

1824年-1834年，Davy和Faraday相繼提出用鋅犧牲陽極法來阻止鐵制螺釘發生腐蝕，并找到電流和腐蝕程度之間的定量關系。

1902年-1928年，Cohen、Geppert和Haber等國外研究學者從電解理論和陰極保護原理出發，建立起陰極保護系統，提出了管道與土壤電位電路概念和相應關系，摸索采用鋁作為輔助陽極來保護地下水管等陰極保護方法，其中Cohen 成功將外加直流電應用到陰極保護，發現電位在-0.85 V（Cu/CuSO4），可有效阻止腐蝕。1928年Kuhn首次應用陰極保護整流器，使得陰極保護得到廣泛地發展，隨后美國陰極保護協會成立。1953年，日本國內掀起強制電流陰極保護應用浪潮。1971年-1979年，隨著陰極保護技術的不斷向前發展，該方法在不同領域有了更為深入的應用，Brauer等人開始采用有限元對陰極保護進行計算。20世紀80年代以后，美國學者獲得了較多相關陰極保護專利，加拿大首次采用鈦陽極，美國開始首次使用了噴鋅層陰極保護嘗試，也有相關學者采用“邊界元法”應用到陰極保護設計中來，國外研究學者不斷的新嘗試促進了陰極保護技術的迅猛發展。

20世紀60年代，國內開始對陰極保護技術進行研究，首先在閘門、船舶等鋼鐵結構上進行應用。1958年，國內開始將陰極保護技術在埋地鋼質油氣管道方面進行應用，隨后在四川、新疆和大慶等埋地管道方面得到快速推廣和應用。

1990年，陰極保護技術首次在石化防爆廠應用，從而掀起了深井陽極保護技術研究和應用浪潮。2006年，武烈等人研制出了新型深井陽極保護地床技術，各項指標和性能均達到當時前列水準。2009年，國內王芷芳等學者從使用材質方面對深井陽極地床技術進行研究，發現了運行中的相關問題，并進行了改進。國內陰極保護技術研究不斷推進，獲得了不少適用性強、新型陰極保護專利技術。目前國內在陰極保護設計軟件方面比較欠缺，陰極保護與強電干擾軟件的開發將是現階段發展方向。

2 地下管道腐蝕機理

地下鋼質管道的腐蝕形態分為均勻腐蝕、局部腐蝕和點腐蝕，其中均勻腐蝕面積較大，腐蝕深度也比較均勻，不會出現較大的突變，如圖1所示。

圖1 腐蝕三種形態Fig.1 Three forms of corrosion

不管何種類型的腐蝕，其發生腐蝕的本質即為金屬離子和電子分開，金屬離子游離出來，進入介質從而產生腐蝕[5]。

地下鋼質管道發生電化學腐蝕三要素：①鋼質管道自身所帶陰、陽極區電位不等，形成電位差觸發腐蝕；②陰極區和陽極區同處一腐蝕介質中；③鋼質管材具有導電性，電流通過管材。

從腐蝕發生的根本原因分析，降低或消除發生陰、陽極區電位差是避免腐蝕發生的有效途徑，陰極保護法工作原理就是向鋼質管道結構補充電子，使得陰、陽極區電子平穩，將電位差降低為零，從而杜絕金屬管道發生腐蝕。同時，可以在金屬管道內外表面涂抹耐腐蝕材料，避免腐蝕介質與金屬表面直接接觸，同時，管道表面涂抹層電阻較大，電流通過很少，也可以有效降低腐蝕速率[6,7]。歐姆定律公式：

式中：I─腐蝕電流，A；

E─電位，V；

R─電阻，Ω；

（E陰-E陽）—腐蝕觸發動力；

R —防腐層電阻。

倘若I→0，則（E陰-E陽）→0，或R→∞。根據金屬腐蝕原理，陰極保護法與防腐涂層綜合使用，可從根本上防止腐蝕發生，是目前國內外認為最為有效、經濟、快速的防腐方法。

3 地下鋼質管道陰極保護技術應用

以某地區埋地鋼質管道為例，陰極保護方法分為犧牲陽極法、強制電流法以及陽極井法進行金屬管道的維護，實例分別研究不同陰極保護技術在地下鋼質管道防腐方面應用，并對局部管道進行涂覆防腐層，取得了良好的應用效果和經濟效益，下面具體來介紹下三種陰極保護技術以及防腐涂層的使用情況。

3.1 犧牲陽極陰極保護法

根據該地區管道實際運行情況，來安置犧牲陽極位置。管道沿線埋40組鎂合金犧牲性陽極，4支一組，具體設計要求：

（1）采用臥式埋設陽極，管線兩端分別埋兩支，陽極上部距地面為2 m，陽極位置與管道外壁距離為4 m。

（2）陽極化學特性：密度為1.77 g/cm3，開路電位為-1.5 V，電量為 1.11 A·h/d，電流效率大于50%，能耗要小于 7.95 kg/（A·a）。

（3）陽極埋地后，進行適度灌水，以達到飽和狀態為止。

3.2 強制電流陰極保護法

強制電流陰極保護法主要是通過電源的正極與輔助陽極連接，使陰極發生極化，阻止金屬管道破損點腐蝕的發生。采用該方法需要建造陰極保護房，在房中安置三相恒電位儀一個[8,9]，如圖2所示。并且還需要挖掘50 m的深井，作為陽極輔助地床，由12根高硅鑄鐵陽極組成，每根陽極有其獨立的導線，用于引出至地面，并進行分線和母線連接，采用聚乙烯材質制作導氣管，完成上述陽極埋設后，采用混凝土進行井口加固，避免被挪動。

圖2 常見恒電位儀Fig.2 Common potentiostat

3.3 陽極井陰極保護法

陽極井的設置也是有嚴格的規范和要求，直接關系到陽極井使用效果，因此，需要滿足以下幾點要求：

（1）陽極井位置應置于水位較高處，或者潮濕的低洼地帶；

（2）所埋位置要求土壤電阻率小于50 Ω；

（3）所選取的位置避免有堅硬的石塊，要求土層很厚，同時有利于工程施工作業；

（4）陽極井和地下鋼質管道區域避免有可導電的金屬體；

（5）陽極井位置應與鋼質管道垂直間距在 50 m以上較合適。

該區域再應用上述陰極保護技術的同時，還要定期進行每周一次檢查以及每月一次測量，恒電位儀每兩個月進行更換一次，確保被保護的金屬管道電化學平衡，對測量樁要進行定期清理、除銹，保證電流、電壓測量準確。

在埋地管道陰極保護設置基本定型的情況下，土壤環境可能對管道外腐蝕有不利影響，對鋼質管道進行外壁涂防腐層，腐蝕介質很難在防腐層縫隙內進行流通，可以將被保護的金屬管道與周圍環境電解質形成絕緣隔層，金屬管道電子不會發生轉移和丟失，保持管道電化學平衡穩定，應用效果較好的涂層包括溶解環氧涂層、兩層PE及三層PE、雙層環氧粉末涂層、石油瀝青防腐層、HPCC涂層體系等，在缺少陰極保護條件的情況下，防腐涂層效果會有所降低，在結合陰極保護的基礎上進行涂層防腐，金屬管道可得到有效保護。

4 結束語

地下鋼質管道鋪設距離長，管道所處的土壤環境較復雜，管道內所輸送的石油和天然氣會對管道有所不同程度損壞，目前地下管道防腐措施較多，針對不同腐蝕原因，應采取合適和防腐技術手段。我國長輸管道和油田集輸管線大部分采用的是陰極保護技術，在防腐方面的應用比較廣泛，經驗比較豐富，但是隨著管道埋地時間變長，或多或少會出現一些問題，管道老化，防腐涂料失效，管道內外影響腐蝕因素變化，陰極保護可能被破壞，因此，為了延長地下鋼質管道的使用壽命，合理選擇防腐保護技術和涂層的同時，應加強防腐管道的施工，加強對管道的檢測、維護和保養，才能確保埋地管道長期有效平穩運行。

［1］GB/T21246-2007，埋地鋼制管道陰極保護參數測量[S]．

［2］林新宇，吳明，程浩力，等. 埋地油氣管道腐蝕機理研究及防護[J].當代化工，2011，40（1）：53-59.

［3］郝宏娜，李自力，王太源，等. 非均勻土壤中陰極保護電位數值模擬計算[J].化工機械，2012，39（4）：494-496.

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Present Situation and Application of Cathodic Protection Technology for Underground Steel Pipelines

CHENG Fei

（Hualu Engineering Science and Technology Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710065，China）

TQ 051

A

1671-0460（2017）09-1891-03

國家科技重大專項，項目號：2009ZX05038-002

2017-01-01

程飛(1986-)，男，江蘇省揚州市人，工程師，2008年畢業于南京工業大學化學工程與工藝專業，主要從事化工管道設計工作。郵箱：chengfei5.4@163.com。