基于ICCP埋地管道腐蝕防護工程的應用研究

張思捷，楊植民，高鵬飛，潘 露，李笑怡

(中國葛洲壩集團電力有限責任公司 湖北武漢430000)

0 引 言

土壤環境復雜，微生物種類繁多[1]，還有雨水、空氣等腐蝕介質，加上管道附近的雜散電流等腐蝕途徑引起的微生物腐蝕、雜散腐蝕、電偶腐蝕、電化學腐蝕等，管道的腐蝕防護顯得相當重要。外加電流陰極保護(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)對長距離管道的保護具有較大優勢，不僅保護參數可控可調，且服役周期長、防護效果好，尤其大規模的管道腐蝕防護工程，其保護效果和工程概算均優于其他防護方法。但隨著服役年限的延長、埋設環境的變化，保護電流的有效范圍發生偏移，導致管道處于欠保護狀態，管道腐蝕的程度加深，若定期進行腐蝕檢測，在檢測結果的基礎上對已腐蝕管道實施再保護，可以減緩甚至抑制腐蝕的發生，降低工程再造的成本，提高管道的經濟效益。相比防腐涂層、合金結構、犧牲陽極(Sacrificial Anode Cathodic Protection，SACP)等腐蝕防護方法，ICCP在管道工程應用中優勢明顯，但也存在一定的局限。陰極干擾和電流屏蔽[2]是ICCP應用中的兩大問題，工程上嘗試利用脈沖電流解決電流屏蔽，對于陰極干擾則通常用排流器對雜散電流進行回流。另外，為保證防護工程的質量，對保護范圍內的跨步電壓(Step Voltage，SV)等涉及人身安全問題，以及管道缺陷處、管道首末端的腐蝕聯結問題，應給予重視。

1 ICCP在埋地管道工程中的應用

1.1 金屬腐蝕原理及管道防腐蝕基本方法

金屬腐蝕是金屬從高能量較活潑的原子態轉化為低能量較穩定的分子態的過程[3]。一般來說，抑制金屬腐蝕的方法有 ICCP、SACP、防腐蝕涂料(Anti-Corrosive Coating，AC)、絕緣保護層、耐腐蝕鋼材等。為提高埋地管道耐腐蝕性能，工程上常采用ICCP或SACP方法給天然氣管道提供保護。

外加電流陰極保護由直流電源陰極與被保護設備相連，通過輔助陽極、電解質形成回路，電源在回路中給被保護設備提供陰極保護電流，使電子富集在設備表面，調節電流密度使被保護金屬電位低于周邊物質電位，從而產生陰極極化，抑制被保護結構的腐蝕。陽極材料通常以Pb-Ag合金、Pb-Ag微鉑、Pt-Nb復合陽極以及Pt-Ti復合陽極等高原子序數金屬合金為材料，因而輔助陽極的服役時間往往較長。

外加電源的強制陰極極化特性伴隨著對電解質導電性能限制的減弱，而 SACP要求介質電阻率較低，一旦介質電阻率超過一定閾值，陰極電位將無法得到有效極化。為了維持陰極電位，必須增大極化電流，但會加快陽極腐蝕速率，縮短其更換周期，增加保護成本。相比 ICCP，SACP無需長時間的維護管理，在陽極安裝完成后和陽極更換前的階段，不用進行斷電電位檢測、恒電位儀調試、陰保站的維護等操作，且由于更換頻率較高，SACP不易產生雜散腐蝕。SACP的局限在于無法調節保護參數，而外加電流法通過控制保護電流密度跟蹤適應系統新的腐蝕狀態，減少管道腐蝕造成的損失。

1.2 管道腐蝕檢測過程分析

管道的腐蝕監測核心思想在于掌握全線管道的“陰極保護狀態”，評價“陰極保護狀態”的指標一般包括“陰極極化電位”和“雜散電流對陰極保護電位的干擾程度”。“評價指標”旨在完善對管道全線的保護覆蓋以及減小或消除區段雜散電流對陰保系統的干擾，保證外加電流陰極保護的防腐蝕效果。在外加電流陰極保護系統施工完成后，由工程人員對全線金屬管道防腐蝕層進行“陰極保護狀態測試”，主要包括陰極保護電位測試、雜散電流檢測、防腐蝕層缺陷點檢測和防腐蝕層絕緣電阻測試[4]，測試主要針對管道缺陷處。在確保缺陷處“陰極保護狀態”良好后，對全線管道進行整體測試，根據測試結果調整陰保站控制系統參數，反復調試，直至達到保護要求，具體過程如圖1所示。對服役中的埋地管道進行腐蝕檢測，能夠有效預防管道保護層的腐蝕以及欠保護或過保護狀態，降低管道因腐蝕產生裂縫的機率，提高工程質量。

圖1 防腐蝕系統的檢測更新Fig.1 Detection update process of anti-corrosion system

由于管道中犧牲陽極保護的存在，在陽極不斷消耗的過程中，電阻率和管段壓降會隨之變化，可能導致缺陷處極化電位超出允許范圍，造成部分區段欠保護或過保護。為了避免因陽極消耗造成陰極保護失效，在陽極更換周期內，工程人員應定期檢測各缺陷點處的保護狀態，根據檢測結果重新調整陰極保護參數，將各區段極化電位維持在最優區間，從而達到新的保護平衡態。

1.3 管道銹蝕后的再保護

1.3.1 輸氣管道

服役中處于欠保護狀態的長線輸氣管道[5]，由于管線跨距大宜采用分區段檢測，根據檢測數據對各區段破損腐蝕情況進行評估，利用評估結果制定階段性防腐蝕方案。綜合考慮方案實施的可靠性、有效性和經濟性，從中篩選出最優的長距離輸氣管線防腐蝕方案。鑒于輸氣管道往往較長、跨度大、埋設環境復雜，SACP難以保障全線陰極極化電位且保護周期短，另外在電阻率較高的土壤環境中防腐蝕效果較差，因此采用防腐涂層和沿線建立陰保站的雙重保護以確保管道極化電位在有效范圍內。

1.3.2 輸水管道

對于服役多年、腐蝕情況嚴重的輸水管道，為延長管線的服役壽命，不僅需對管道缺陷處進行修復，還需根據全線管道的腐蝕狀況及埋設環境制定經濟有效的再保護方案。考慮管道埋設區域的降雨，越接近地表的管道越易受到土壤腐蝕介質的侵蝕。對管道表面進行防腐涂層處理將大幅降低土壤腐蝕介質侵蝕的概率，但隨著管道服役時間的增加，涂層會逐漸老化，失去結合力，甚至與管體分離，因此最經濟合理的方案是防腐蝕涂層與外加電流陰極保護法的聯合防腐，既達到對管道腐蝕的防護效果，又減少腐蝕再保護的投入。

2 ICCP管道工程應用局限性分析

對埋設在地下的管道進行外加電流陰極保護，需具備 3個條件：陽極地床(Anode Ground-bed，AG)、外加電源、參比電極(Reference Electrode，RE)。

①陽極地床：AG的作用在于“將極化電流導入土壤”，電流經土壤流入被保護體，使被保護體發生陰極極化，最后流回電源負極，形成閉合回路。工程上廣泛采用的AG有3種，即柔性陽極、深井陽極和石墨陽極，三者的適用條件各不相同，一般結合實際工程情況進行選擇。

②外加電源又稱恒電位儀，電流大小以及極化電位等陰極保護參數可調，屬于可控元件，是陰極極化的關鍵。恒電位儀控制方式有 4種：電位控制、槽壓控制、電流控制、間歇控制。由于電位控制方式的適用范圍廣、穩定性強且無延時，在工程上應用廣泛。

③參比電極的意義：其一在于測量，測量被保護結構物的電位，不同的參比電極對應的被保護結構物安全電位是不同的；其二在于控制，給恒電位儀提供被保護結構物的電位信息。斷電電位測量中，管道正上方的參比電極與管道之間的電位差，稱為極化電位。

以上3個條件缺一不可，而ICCP在工程應用中伴隨而來的問題也是由保護機制的差異造成的。目前外加電流陰極保護法在管道工程應用中的兩大問題分別是電流屏蔽和陰極干擾[2]。“電流屏蔽”是指保護電流通路由于加裝套管或保護層剝離等原因在原保護處斷開，與外部導體或介質形成新的通路，造成保護失效。陰極干擾是指當保護電流經過電位較高或電位較低的區域時，會受到外部電流的干擾，使保護電流或增強或減弱，產生矢量偏移，造成保護電位偏離，影響陰極極化，從而弱化保護效果。

工程應用中針對因電流屏蔽和陰極干擾形成的缺陷點通常采用“先檢測后處理”的方法。首先對被保護體進行電流測繪，即RD-PCM檢測，確定整體腐蝕狀況；第二步采用交流電位梯度 ACVG、直流電位梯度 DCVG以及密間距電位 CIPS等檢測技術判斷缺陷管道完整性；最后通過現場開挖對缺陷處進行修復。該方法可以有效解決缺陷處的腐蝕防護問題，但經濟性差且操作復雜。

針對由防護層破壞引起的電流屏蔽問題，勒巍等[6]提出了一種改進方法——脈沖電流法，以脈沖電流源代替直流電流源給被保護體提供極化電流。脈沖波具備強穿透性使之能夠克服缺陷處高電阻率的電壓降干擾，從而擴大極化區間，縮小屏蔽面積，但與此同時也會擴大保護層斷裂后的縫隙。ICCP在工程實踐中的第2個問題是陰極干擾，其主要原因在于被保護體周圍存在雜散電流源，引起鄰近區域的電位變化，影響保護點的陰極極化[7]。因此，排除雜散電流是解決陰極干擾問題的關鍵[8]。雜散電流可以由排流設備導回電流源，條件是形成一條流經被保護結構、排流設備、絕緣導體以及電流源的電流通路。

3 防護工程安全性和完整性的針對措施

3.1 防護工程安全性——陽極地床

陽極地床的安全問題影響 ICCP在管道工程中的應用，是工程施工前必須考慮的主要問題。防護工程安全性與地床的類型以及工程參數有關，因此選取合適的類型、設計滿足安全規范要求的陽極地床至關重要。

柔性AG具有合理分配保護電流的作用，沿管道線鋪設，對極化電流有良好的導流效果，可使管道充分極化，但施工難度大，需沿管道開挖進行 AG鋪設，途經河流、湖泊、山川等施工成本會很高[9-10]。深井陽極對附近金屬構架物的影響較小，跨步電壓 SV小，施工場地小，但成本高、難度大，且對地質狀況要求高，設計施工前需要進行地質勘查[11]。水平連續焦炭屑陽極，具有施工方便、投資小的優點[12]，適合長距離埋地管道的保護，但由于保護電流較大，地床附近的跨步電壓SV很大可能會導致人員傷亡，因此采用雙陽極地床(Double-AG)進行分流降壓，大幅降低安全風險。

3.2 防護工程完整性——管道首末端/缺陷區段

因管道首末端的絕緣效果受結構材質的影響，絕緣效果并不理想，加上管道閥門浸于水中，導致陰極保護電流損失，削弱管道陰極保護效果[13]。另外，浸水條件下由法蘭連接的非陰極保護管道與異側管道的電位差會形成嚴重的電偶腐蝕，破壞非陰極保護側管道。為了消除以上不利因素，在非陰極保護側管道上采用 SACP，以降低管道電位，減少保護電流的損失。

考慮鋪設路徑會經過鐵路、河流等易產生電偶腐蝕和濃差腐蝕的區段，這些區段的腐蝕會率先發生，腐蝕程度也最惡劣，更重要的是腐蝕往往從這里開始，逐漸擴大，嚴重會導致管道開裂破損，破裂會影響陰極保護電流的通過。而當陰極保護電流從保護層破損處流出，不管電流是否回到管道，都會在電流流出位置造成嚴重的電化學腐蝕，從而加重腐蝕程度。為了降低腐蝕對管道線路的影響，對易腐蝕區段的管道采取 SACP，并安裝測試樁，通過測試樁監測易腐蝕區段的保護狀態，一旦保護電位偏離正常范圍及時檢修，可避免因外加電流陰極保護失效而形成更嚴重的電化學腐蝕。

4 結 論

①為了提高管道耐腐蝕性能，工程上通常采用ICCP或者 SACP的方式給管道提供防腐蝕保護。對服役中的長距離管道進行檢測，能夠有效預防管道保護層的腐蝕。腐蝕再檢修工程中常常采用防腐涂層和 ICCP的雙重防腐保護，確保管道極化電位在有效范圍內。

②電流屏蔽和陰極干擾是現階段外加電流陰極保護法在管道工程應用中的兩大問題，脈沖電流法和排流法適用于解決電流屏蔽和陰極干擾問題。

③對于管道的腐蝕防護，鋪設 Double-AG可以保證工程的安全性，在管道首末端連接處以及缺陷區段進行防腐蝕處理可以保證工程的完整性，從而提高防護質量。