石油天然氣工業(yè)海底管道陰極保護國家標準的編制和理解

0 前 言

海上油氣田開發(fā)具有高風險、 高投資和高要求的特點， 而海水對鋼制海底管道具有強烈的腐蝕性， 海底管道采用陰極保護和防腐涂層外腐蝕防護措施， 對保障油氣田生產(chǎn)十分重要

。 針對陸地埋地鋼質(zhì)管道， GB/T 21448 《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》 于2008 年首次發(fā)布。 該標準于2017 年修訂， 規(guī)定了陸上埋地鋼質(zhì)管道外表面陰極保護設(shè)計、 施工、 測試、 管理與維護的技術(shù)要求， 而海底管道陰極保護的國家標準還有所空缺。

人才隊伍建設(shè)是亳文化“走出去”的關(guān)鍵和保障，必須加強專業(yè)人才培養(yǎng)力度。首先，要立足本市實際，實施人才培育工程，制定亳文化產(chǎn)業(yè)人才規(guī)劃，強化文化人才培養(yǎng)工作。亳州學院、亳州職業(yè)技術(shù)學院、亳州中藥科技學校等院校開設(shè)相關(guān)專業(yè)，培養(yǎng)出適合亳文化“走出去”的專門人才。其次，亳文化主體單位、文化企業(yè)自己選拔人才，送往專業(yè)機構(gòu)和高校進行定向培養(yǎng)。再次，加大引進國內(nèi)外文化人才的力度，借助外來人才彌補亳文化人才的不足。總之，通過內(nèi)培外引等方式，培養(yǎng)一批德才兼?zhèn)涞母摺⒕５馁裎幕a(chǎn)業(yè)人才隊伍，為亳文化“走出去”提供人才保障。

為了進一步規(guī)范和細化海底管道陰極保護的設(shè)計、 建造和運行維護， 提高海底管道可靠性，降低海底管道腐蝕風險， 根據(jù)國標委相關(guān)文件要求， 由中海油研究總院負責起草GB/T 35988 《石油天然氣工業(yè)海底管道陰極保護》

。 GB/T 35988于2018 年2 月6 日首次發(fā)布， 并于同年9 月1 日正式實施。 GB/T 35988—2018 的制定實施填補了海底管道陰極保護國家標準的空白， 有利于提高管道陰極保護的設(shè)計、 施工、 管理的效率、 質(zhì)量及效益， 具有很好的應用價值和經(jīng)濟效益。

本研究結(jié)合海洋石油開發(fā)工程應用經(jīng)驗， 對標準條款進行解釋說明， 為GB/T 35988—2018的推廣實施和同類標準的編制提供參考。

1 標準編制簡介

1.1 編制原則

標準編制過程中， 標準編制小組成員本著先進性和科學性的原則， 廣泛征求意見， 力求做到技術(shù)先進、 經(jīng)濟合理、 安全適用、 確保質(zhì)量。 在編制中， 總結(jié)吸收多年來國內(nèi)外石油天然氣工業(yè)海底管道在陰極保護技術(shù)方面取得的成果和經(jīng)驗， 旨在提高海底管道防腐蝕技術(shù)水平， 進一步規(guī)范海底管道陰極保護工作。

使用環(huán)境溫度及電阻率等對陽極材料的電化學性能有影響， 所以要求陽極材料性能應在類似的現(xiàn)場或模擬試驗條件下滿足要求。 針對特殊海洋環(huán)境， 例如深海低溫環(huán)境， 需要開展低溫下的初期性能測試試驗， 以驗證陽極性能滿足要求。陽極材料化學組成通常經(jīng)過試驗配方研究， 并經(jīng)過實際驗證， 且考慮了對環(huán)境的影響等。 如果有特殊應用要求或開發(fā)新的陽極， 應經(jīng)過試驗， 確保陽極電化學性能符合要求。

1.2 范圍

GB/T 35988—2018 規(guī)定了海底管道陰極保護系統(tǒng)預調(diào)查、 設(shè)計、 材料、 設(shè)備、 制造、 安裝、 調(diào)試、 運行、 檢查和維護保養(yǎng)的技術(shù)要求及推薦做法。 標準分為11 個章節(jié)、 5 個規(guī)范性附錄和2 個資料性附錄。

1.3 標準征求意見及采納情況

標準編制審查過程中， 面向石油行業(yè)、 防腐行業(yè)相關(guān)專家及生產(chǎn)單位、 科研院所、 行業(yè)協(xié)會等相關(guān)單位廣泛征求了意見， 未收到原則性修改意見。 編制單位匯總整理意見后， 積極采納了絕大多數(shù)建議和意見， 大幅精簡了舉例和說明內(nèi)容。 完善后的標準順利通過了專家審定。

(1)抑塵和防塵措施。在煤炭、矸石或其他干物料的貯、裝、運、破碎、篩分過程中，采取產(chǎn)塵較少的工藝和設(shè)備，并采用適當?shù)囊謮m和防塵措施。如精煤貯存用圓筒倉代替精煤露天貯煤場；設(shè)置擋風抑塵墻，封閉轉(zhuǎn)載點以及在原煤儲煤廠安設(shè)噴水裝置，嚴格控制噴水量。

2 標準內(nèi)容解析

標準正文內(nèi)容包括陰極保護系統(tǒng)要求、 設(shè)計參數(shù)要求、 犧牲陽極設(shè)計、 生產(chǎn)制造及質(zhì)量控制、 外加電流陰極保護系統(tǒng)、 陰極保護系統(tǒng)的操作、 監(jiān)測和維修要求。 附錄包括犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)設(shè)計程序、 陰極保護衰減計算、 陽極性能測試、 系統(tǒng)監(jiān)檢測、 交直流干擾等。

2.1 陰極保護系統(tǒng)要求

標準中該部分主要明確了陰極保護系統(tǒng)的選取原則。

海底管道陰極保護系統(tǒng)可分為犧牲陽極系統(tǒng)和外加電流系統(tǒng)。 目前海底管道通常采用犧牲陽極系統(tǒng)， 主要因為其可靠性高、 易于管道鋪設(shè)、易于管理維護。 在近岸段或短距離海底管道及需要延壽管道中可優(yōu)先采用外加電流法對管道進行保護

， 目前除了個別近岸、 短距離海底管道， 尚無采用外加電流形式保護海底管道的案例。 應充分收集標準中列出的基礎(chǔ)資料參數(shù)， 綜合裝置可靠性確定陰極保護形式。

海底管道犧牲陽極通常采用手鐲形式， 間隔分布安裝到管道上， 以便通過張緊器和托管架，安裝效率高。 平臺間海底管道可在管道兩端安裝犧牲陽極進行陰極保護。 犧牲陽極安裝于管道兩端的方法適用于海底管段較短的情況， 通常安裝在立管上。 采用浮式平臺開發(fā)深水油氣田工程時， 其深水立管通常設(shè)置了渦激振動抑制裝置，因此難以在立管上安裝犧牲陽極， 也可以將犧牲陽極安裝在浮式平臺上。 如果采取此安裝方式，應進行電位分布計算或者犧牲陽極衰減計算， 確保海底管道/立管全線得到良好保護， 此時立管與浮式平臺之間無需設(shè)置絕緣法蘭

。

2.2 設(shè)計參數(shù)規(guī)定

標準中該部分規(guī)定了陰極保護電位、 保護電流、 涂層破損率的選取原則。

受城市化快速發(fā)展和局地暴雨多發(fā)的影響，流域防洪排澇壓力顯著增大，城區(qū)積水現(xiàn)象時有發(fā)生，人口與基礎(chǔ)設(shè)施安全受到威脅。河道防洪排水能力薄弱，全流域110條河道共1 562km，其中防洪達標僅有479km。

碳鋼海底管道不埋設(shè)時保護電位為-1.1～-0.8 V（相對于Ag/AgCl 〔海水〕 參比電極， 后同）； 管道埋設(shè)時保護電位為-1.1～-0.9 V， 此時應考慮不埋設(shè)的管道可能發(fā)生部分沉降入泥， 設(shè)計中宜保守考慮。 不銹鋼施加陰極保護時， 應特別關(guān)注陰極保護導致的氫致應力開裂 （hydrogen induced stress cracking,HISC） 風險。 馬氏體不銹鋼、 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼應被視為可能受到HISC 的影響

，如果存在氫脆風險， 宜避免陰極電位負于-0.8 V。

陽極芯與犧牲陽極的結(jié)合可靠性直接影響犧牲陽極整體性能。 陽極芯材料碳當量應低于管道材料碳當量， 主要是考慮陽極鋅材質(zhì)的可焊性。陽極澆鑄前， 陽極芯應進行表面處理， 并在澆鑄時仍滿足表面處理Sa2.5 等級要求， 目的是為了保證陽極合金與陽極芯之間的結(jié)合滿足要求， 確保陽極在運輸、 鋪管及服役期間的可靠性。

針對金屬管道外壁溫度或者環(huán)境溫度超過25 ℃時， 管道所需的設(shè)計電流密度隨溫度升高而升高。 采用隔熱層的形式可減緩管道溫度對管道外壁所需電流量的影響， 但應注意評估該隔熱層的長期有效性。 如果隔熱層無法滿足全生命周期使用要求， 應按標準規(guī)定在25～100 ℃范圍內(nèi)，每增加1 ℃， 設(shè)計電流密度應增加1 mA/m

。

2.3 犧牲陽極設(shè)計規(guī)定

標準中該部分規(guī)定了犧牲陽極材料的選擇原則、 電化學性能和力學性能要求等。 犧牲陽極設(shè)計用電化學參數(shù)見表1。

(4) 當剪跨比、配筋率一定時，空心墩的承載力隨著縱筋強度的提高而提高，延性變形能力隨混凝土強度的提高而減小。

標準中該部分規(guī)定了外加電流陰極保護系統(tǒng)的電源及控制系統(tǒng)、 輔助陽極、 系統(tǒng)設(shè)計和機械電氣方面的具體要求。

8.“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)+電子商務”上行創(chuàng)新。深入開展電子商務進農(nóng)村綜合示范工程，在渝東17個區(qū)縣（自治縣）推進國家級電子商務進農(nóng)村綜合示范工程，在渝西12個涉農(nóng)區(qū)推進市級電子商務進農(nóng)村綜合示范工程。積極培育多元化農(nóng)村電子商務市場主體，鼓勵引導電商企業(yè)與合作社、種植養(yǎng)殖大戶等建立直采直供關(guān)系，推動農(nóng)產(chǎn)品線下流通與線上營銷融合發(fā)展，著力打造重慶地域特色的農(nóng)產(chǎn)品知名電商品牌，探索重慶特色的農(nóng)產(chǎn)品線下“上行”網(wǎng)銷模式。

GB/T 35988—2018 非等效采用ISO 15589-2:2012 《Petroleum,petrochemical and natural gas industries-Cathodic protection of pipeline transportation systems-Part 2： Offshore pipelines》

。 為滿足標準的規(guī)范性， GB/T 35988—2018 刪除了ISO 15589-2 標準的概述、 舉例等說明性內(nèi)容， 修訂了保護電流密度隨溫度變化曲線注釋的錯誤表述。

陽極利用率指陽極實際消耗質(zhì)量與設(shè)計質(zhì)量之比， 陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響陽極利用率。 由于陽極質(zhì)量不可能完全發(fā)揮作用， 設(shè)計中利用率最高不超過0.9。 如果陽極芯位于陽極中部， 利用率較高； 鐲式、 板狀陽極的陽極芯通常位于陽極下部， 利用率相對較低。

由以上捐贈事例我們看出，民國時期圖書館的捐贈活動，有其特殊的文化背景和捐贈主體，另外，圖書館自身所做出的努力、圖書館捐贈的制度及方式等，不僅對于當時社會文化，尤其是圖書館事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，對于當下的圖書館捐贈工作也同樣具有有益的參考和借鑒意義。

2.4 犧牲陽極生產(chǎn)制造及質(zhì)量控制規(guī)定

標準中該部分規(guī)定了犧牲陽極生產(chǎn)制造中的質(zhì)量控制要求。 為防止陽極底部腐蝕， 通常在陽極靠近管道一側(cè)涂敷耐海水性能較好的涂層， 而向外暴露于環(huán)境中的陽極工作面必須保持清潔。

對于未涂覆涂層的裸鋼表面， 陰極保護系統(tǒng)運行初期， 需要較大的保護電流， 初期電流密度較大； 隨著保護性鈣質(zhì)層逐漸形成， 極化趨于穩(wěn)定后， 所需保護電流會明顯下降， 平均電流密度較低； 陰極保護系統(tǒng)運行末期， 保護性鈣質(zhì)層出現(xiàn)脫落等現(xiàn)象， 所需保護電流有所增大， 此階段為末期電流密度。 對于埋設(shè)管道， 未發(fā)現(xiàn)風暴潮對去極化產(chǎn)生明顯影響， 平均電流密度和末期電流密度可采用相同數(shù)值。 對于受風暴干擾影響的特定區(qū)域， 去極化情況會更顯著， 故應考慮更高的末期電流密度。

陽極制造時需對每爐進行取樣檢測， 避免犧牲陽極成分不均勻的現(xiàn)象。 當犧牲陽極有較深、 較寬裂紋， 鋪管過程中陽極容易被損壞；服役期間有可能因局部腐蝕， 發(fā)生整塊脫落，導致犧牲陽極的利用率大幅下降， 影響服役年限， 因此在標準中明確了裂紋、 冷隔等制造缺陷的可接受程度。

犧牲陽極電化學性能對陰極保護的有效性至關(guān)重要。 通過電化學測試試驗， 容易量化確定陽極閉路電位和電容量， 而腐蝕形貌的均勻程度主要根據(jù)經(jīng)驗判斷， 難以量化要求。 在質(zhì)量控制過程中可采取圖樣等方法進行判斷， 避免不均勻消耗、 晶間腐蝕、 局部鈍化等現(xiàn)象， 進而影響陽極利用率。 對于深水低溫應用場景， 宜模擬實際應用場景進行電化學測試。

例3階”中進行了詳細的介紹，在此就不再贅述了。不過，需要強調(diào)的是，在“技巧和演奏”分冊的第42至47頁，逐一列出了十二個大調(diào)的五指音階和七個從白鍵開始的小調(diào)五指音階。這些音階的授課思路均帶有明確的視覺提示，如C、G、F大調(diào)和弦都是“白鍵—白鍵—白鍵”的結(jié)構(gòu)，而D、A、E大調(diào)和弦則都是“白鍵—黑鍵—白鍵”的結(jié)構(gòu)，并以此規(guī)律將十二個大調(diào)及七個小調(diào)進行了劃分，方便學生從整體上把握并加強記憶。在學習五指音階時，若將音階的視覺結(jié)構(gòu)與上述所講到的首調(diào)聽覺相結(jié)合，將會達到事半功倍的效果。

2.5 外加電流陰極保護系統(tǒng)規(guī)定

通常， 大于60 ℃鋅基陽極表面膜結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化， 鋅基陽極電位會高于鐵， 發(fā)生電位逆轉(zhuǎn)。 實際應用中需考慮使用條件的變化， 因此標準中提出鋅基陽極表面溫度不宜用于超過50 ℃環(huán)境。 海底管道通常采用鋁基合金陽極，主要考慮包括適用性、 經(jīng)濟性及應用案例等。

又如樂善秦腔中表演的秦劇《轅門斬子》，楊延景一、二、三帳的大段唱腔，都是一個演員演唱，而且演員嗓音宏亮，唱腔優(yōu)美，演出深受群眾歡迎。可見，演員唱腔是完全可以作為一門獨特的技藝來提升戲曲藝術(shù)層次，繼而來提升秦腔藝術(shù)的內(nèi)涵和吸引力的。

與陸地管道類似， 海底管道通常采用3LPE、3LPP 等防腐涂層體系

。 除非第三方破壞， 運行期間涂層一般處于較穩(wěn)定的狀態(tài)， 所需保護電流較小且波動很小， 宜采用恒電流控制模式。

外加電流系統(tǒng)運行時， 與電源正極相接的輔助陽極表面可能會產(chǎn)生氯氣； 保護不當時， 被保護的構(gòu)筑物表面可能會產(chǎn)生氫氣， 設(shè)計中需要考慮避免有害氣體的聚集。 輔助陽極的封裝結(jié)構(gòu)件應可耐受海水、 濕氯氣等環(huán)境腐蝕

。

為了便于安裝， 輔助陽極通常安裝在管道的兩端或一端， 設(shè)計時需計算電流衰減， 保證整條管道均可獲得良好的保護， 設(shè)計保護電流宜為管道所需電流量的1.2 倍以上。 海洋環(huán)境應用中存在臺風和第三方等造成損壞的風險， 設(shè)計中陽極應考慮一定的余量和可更換性， 以防個別陽極損壞影響管道保護。 海底管道安裝初期， 可能沒有電源， 可考慮設(shè)置少量犧牲陽極。

對于采用犧牲陽極的海底管道， 目前基本未安裝固定式參比電極進行電位監(jiān)測。 如果海底管道采用外加電流， 應安裝固定式參比電極， 確保海底管道處于良好的保護狀態(tài)

。

2.6 陰極保護系統(tǒng)的操作、 監(jiān)測和維修要求

目前海底管道通常采用犧牲陽極系統(tǒng)， 針對陰極保護系統(tǒng)較少開展操作維護工作。 由于埋設(shè)、沖淤等因素， 與陸地管道相比， 海底管道較難開展全線管道電位檢測， 立管電位檢測是較常采用的替代方案。

當采用外加電流陰極保護時， 海底管道需監(jiān)測管道-海水電位、 陽極電位、 陽極輸出電流，確保海底管道處于良好保護狀態(tài)。

3 結(jié)束語

GB/T 35988—2018 已全面應用于我國海底管道陰極保護設(shè)計、 建造、 施工和運營。 本研究結(jié)合實際工程設(shè)計經(jīng)驗， 對該標準中涵蓋的海底管道陰極保護系統(tǒng)選型、 設(shè)計、 制造、 操作、 監(jiān)測和維修等方面的要求進行了進一步補充說明。在標準實施過程中， 不限制在個案應用中采用其他創(chuàng)新的設(shè)備或工程技術(shù)方案。 在采用其他方法時， 應辨別并標注與GB/T 35988—2018 的差別。

[1] 杜敏，孫明先，楊朝暉. 海洋構(gòu)筑物陰極保護[M]. 北京：科學出版社，2016.

[2] 胡士信. 管道陰極保護技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 腐蝕與防護，2004（3）:93-101.

[3] 常煒. 海上油氣田主要設(shè)施陰極保護[C]//中國腐蝕與防護學會. 第十一屆全國腐蝕與防護大會論文摘要集. 沈陽：[s.n.]，2021:616.

[4] 全國石油天然氣標準化技術(shù)委員會. 石油天然氣工業(yè)海底管道陰極保護：GB/T 35988—2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[5] International Organization for Standardization. Petroleum，petrochemical and natural gas industries-Cathodic protection of pipeline transportation systems-Part 2: Offshore pipelines：ISO 15589-2：2012[S].Geneva，Switzerland：ISO，2012.

[6] 賈旭，胡麗華，宣超杰，等. 基于縮比模型的海底管道外加電流陰極保護系統(tǒng)延壽技術(shù)研究[J]. 全面腐蝕控制，2021，35（4）：12-17.

[7] 余曉毅，常煒，于湉，等. 雜散電流對海底管道表面電位影響預測方法研究[J]. 表面技術(shù)，2016，45（5）：67-71.

[8] 侯靜，梁清文，張宇，等. 陵水氣田輸氣管道陰極保護效果數(shù)值仿真研究[J]. 裝備環(huán)境工程，2020，17（10）：50-56.

[9] 季廷偉，王樹立，陳磊，等. 交叉并行海底管道陰極保護干擾數(shù)值模擬[J]. 油氣田地面工程，2018，37（5）：84-90.

[10] 何德孚，王晶瀅. 海洋腐蝕環(huán)境及船用不銹鋼管選材備考（下）[J]. 焊管，2016，39（5）：55-63.

[11] 馮成功，張平. 埋地長輸管道防腐方法及質(zhì)量控制[J].焊管，2011，34（1）：62-65.

[12] 常煒，孫榮，于湉，等. 導管架外加電流陰極保護系統(tǒng)無陽極屏蔽層的可行性研究[J]. 腐蝕與防護，2015，36（10）：982-985.

[13] 常煒，尚世超，于湉，等. 邊界元法在導管架外加電流陰極保護系統(tǒng)設(shè)計中的應用[J]. 全面腐蝕控制,2015，29（6）：21-24.

[14] 余曉毅，趙赫，常煒，等. 基于數(shù)值模擬的海上平臺陰極保護系統(tǒng)的技術(shù)研究[J]. 裝備環(huán)境工程，2017，14（2）：81-84.

[15] 孫宇，常煒，楊翔堃，等. 海底管道腐蝕防護狀態(tài)檢測方法[J]. 裝備環(huán)境工程，2021，18（1）：104-109.