油氣管道陰極保護技術分析

李凌風，李洪濤

(重慶科技學院，重慶 401331)

隨著社會經濟的不斷發展和社會生產力的不斷上升，油氣集輸管道和油氣長輸管道的規模也越來越大。但是油氣集輸管道在實際的生產運行中，有時會因為各種原因引發安全事故。與此同時，長輸油氣管道因為穿跨越距離長、管道沿線的自然地質環境復雜多變，以及偶然發生的自然災害等因素，可能會導致管道泄漏，進而引發安全事故。安全事故的發生在一定程度上是因為管道的防腐保護層被破壞，而傳統的管道監測和保護方式又費時費力。因此，有必要對陰極保護這一管道防腐技術進行分析。

1 研究歷史和現狀

陰極保護最開始是在英國開始應用。陰極保護技術在英國科學家戴維發明后，直到20世紀的30年代才開始在管道上推廣使用，之后便不斷發展。國外媒體曾報道，德國有 17000 km、法國有 20000 km、蘇聯有 60000 km、美國則有640000 km管道施加了陰極保護[1]。國內在陰極保護這方面的研究相較于國外是比較落后的。在國內，陰極保護技術最先應用在建筑物上，而石油天然氣管道的陰極保護的實驗最早是在新中國成立后的1958年進行的，然后于20世紀的60年代在大慶等油氣管道上推廣。1970年長輸管道開始建設時，陰極保護技術已經被納入設計范圍，因為它可以成功減緩管道的腐蝕，延長管道的使用壽命，為管道的安全生產提供技術保證[2]。在天然氣管道的陰極保護方面，截止到2018年，我國在這個方面共有31項專利，但是有權限的專利僅有13項[3]。

2 原理和常用方法

2.1 原理

在石油天然氣行業內，陰極保護是一種應用廣泛而且效果較好的管道防腐方式。它的原理就是在管道上安裝電位更低的金屬或其它材料，這樣一來，安裝的材料就成為了陽極。而管道本身就成為了陰極，陰極會出現陰極極化現象，從而在腐蝕發生時大大減緩腐蝕發生的速度，進而延長管道的使用壽命。

2.2 常用方法

2.2.1 犧牲陽極保護法

犧牲陽極保護法是指在具體某種環境中(比如土壤所導致的電化學腐蝕)，犧牲陽極與被保護金屬會形成原電池。就管道本身而言，在原電池中作為電位較高的陰極的管道會更難失去電子，而作為電位較低的陽極的金屬材料則更容易失去電子，失去的電子會在管道的表面發生還原反應，從而保護管道不受腐蝕。常見的材料是鎂、鋅、鋁，具體的優缺點：

1)優點：操作非常簡單、安裝費用少、投入使用后不需要維護、不需要額外的電源;2)缺點：保護電流不可調節、不適用于高電阻率的環境、運行壽命相對較短、輸出電流有限。

2.2.2 外加電流保護法

外加電流保護法是一種主動防腐的方式，需要安裝額外的電源，以此提供所需的保護電流。在這種方法中，管道作為陰極，然后選用其它適合的材料作為陽極，與管道共同構成電解池。生產運行時，油氣管道表面會發生陰極反應，同時外加的電源會增加管道表面上反應所需的電子含量，進而達到減緩管道腐蝕的目的。常見的材料是石墨、高硅鑄鐵，具體組成和優缺點:

1)組成：恒電位儀、載流電纜、測試電纜、參比電極、輔助陽極、相關附屬設備;2)優點：電流可控性好、使用壽命長、適用于高電阻環境、保護范圍全面;3)缺點：需要外部電源、引發雜散電流，導致過保護，可能引起防腐層的破壞、一次性投資及使用費用較高。

3 存在的問題

1)管道外部保護層的質量不合格

部分管道外部保護層的質量差，使得管道外部防腐保護層存在著非常多的問題。與此同時，進行施工時，沒有進行必要的保護措施，造成防腐層的破壞比較嚴重，對管道造成嚴重的腐蝕[4]。

2)恒電位儀故障

這種故障是陰極保護最常見的故障之一，可分為內部原因和外部原因。恒電位儀的內部包含電路板、可控硅、繼流二極管、變壓器和顯示儀表等部分，如果這些電子元件出現了問題，恒電位儀就會出現故障，陰極保護系統的保護能力就會下降。外部的原因就是恒電位儀之外的設備出現了故障，使恒電位儀讀數出現異常。

3)陽極故障

陰極保護系統的陽極故障也是一種比較常見的故障，主要有3種情況：

①提供的電流減小，并且不能達到預設的電位；②提供的電流增大，但是管道的電位沒有發生新的變化；③本身腐蝕不嚴重，但不能正常工作。

4)雜散電流干擾

雜散電流強度大，集中產生在電阻小、易放電的局部位置，具有很強的破壞性，可以在很快的時間內發生腐蝕并且嚴重干擾陰極保護系統的正常運行，陽極的極性會發生逆轉，對管道、環境都可造成嚴重的傷害[5-6]。

4 改進措施

針對上述存在的問題，提出對應的改進措施。

1)管道質量方面

①選擇防腐性能更優秀的管材，提高油氣管道本身的質量。②提高腐蝕裕量，增加管道的壁厚。這樣雖然管道的造價會更高，但是極大提高了管道的安全性，在一定程度上減少甚至杜絕了管道泄漏的風險。③使用加強級3PE保護層。目前國內油氣管道普遍使用的是普通3PE保護層，使用加強級3PE可以大幅提高防腐層的質量。④管道施工時嚴格按照施工規范施工作業，注意保護管道外部保護層。此外在穿跨越地段，應在管道外部加上一層套管，根據具體的條件采用鋼管套管或混凝土套管，以提高整體的安全性。

2)恒電位儀方面

①內部原因：對于恒電位儀設備，設備老化后，不僅保護效率會下降，內部的電子元件的故障率也會大幅提高的問題。解決的方法就是更換新的恒電位儀。②外部原因：應仔細檢查陰極保護系統的其它部分。例如，電纜、參比電極、輔助陽極，及時的修復。

3)陽極方面

①補充新的陽極、檢查陽極和管道之間連接是否正常以及周圍的地質環境對陽極的影響，如果連接松動，就要修復。②檢查絕緣層是否老化或者受到破壞以及故障周圍的地質環境是否發生了改變，如果有破損，就要重新鋪設絕緣層。③對于有可能是陽極本身的質量不高，含有非常多的雜質，不僅導致電流效率不高，自身也受到局部的腐蝕的問題，解決方法就是選擇和更換質量更高，材質更純的陽極。

4)雜散電流方面

①直流雜散電流干擾：改進原有的陰極保護系統，使其能抵消干擾電流的影響;移除干擾電源或者增大管道與干擾電源之間的距離;安裝排流裝置。

②交流雜散電流干擾；安裝絕緣接頭；安裝排流裝置。

5 未來方向展望

1)更完善的陰極保護設計規范

陰極保護規范能夠指導陰極保護系統的設計及運行，對于陰極保護技術十分重要[7]。目前國內的主要參考標準是《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》(GBT 21448-2017)，距今已經過去了數年時間，不能完全滿足油氣管道生產運行高效、穩定的需求，因此應該進一步開展相關科學研究，建立更完善的陰極保護設計規范：

①根據我國油氣管道生產運行的現狀，通過理論推導以及實驗驗證可行性，完善現有的陰極保護設計規范；

②針對干擾電流對陰極保護系統的影響，如直流雜散電流干擾，可以開展理論研究以及引進國外相關的先進標準，完善我國直流電干擾下管道的陰極保護標準；

③針對干擾電流對陰極保護系統的影響，如交流雜散電流干擾，可以研究相對應的腐蝕機理，必要時可以引進國外有關的專業標準，完善我國交流電干擾下管道的陰極保護標準。

2)更仿真的陰極保護數值模擬技術

數值模擬技術對于陰極保護理論推導和計算十分重要，通過計算機軟件驗證理論的可行性，同時也是未來的發展趨勢，有2個主要的發展方向：

①繼續提高陰極保護數值模擬的精度，不斷深入研究管道擬真極化曲線測量，進一步完善各種環境下的管道極化曲線數據庫，以此提高理論計算水平，使模擬的數據更加靠近實際生產時的數據，便于解決實際工程問題。

②充分利用電腦軟件相較于人工在計算分析層面的長處，開發出更智能、準確的軟件。使其能夠更好地幫助設計人員對油氣管道陰極保護系統尤其是復雜油氣管網陰極保護系統進行設計以及維護。

3)更智能的陰極保護數字化系統

目前，部分管道的陰極保護系統設備尚不能進行斷電后的電位測量，不能滿足石油天然氣生產運行日益擴大的要求[8]。因此，隨著未來科學技術的進步，尤其是當衛星同步技術、計算機電子技術、陰極保護技術三者結合在一起后，陰極保護技術就會更有效率。在未來，數字化的陰極保護系統不僅能通電電位檢測，還能斷電電位檢測，同時將數據上傳至服務器終端，使各項數據更加準確和完善，從而滿足石油天然氣生產運行日益擴大的實際需求。

6 結束語

隨著油氣行業的規模不斷擴大，在未來遇到的影響生產運行的腐蝕情形會越來越復雜，而陰極保護技術作為一種保護管道的重要手段，也要與時俱進，不斷更新和發展，這樣才能確保和延長管道的使用壽命，進而確保和促進整個行業的發展和進步。