阴极保护技术作为金属腐蚀防护的一种有效方法已在全世界得到了较为广泛的运用。在已经利用涂层防护的油气设施中，要想得到完美无瑕的涂层几乎是不可能的；一般总会有一些缺陷或保护不到的点，这些点上腐蚀还会发生。采用阴极保护与涂层联合保护方法是目前埋地或水下油气设施外腐蚀控制的通行做法，可以实现经济、有效的腐蚀控制。阴极保护费用约为被保护金属结构物造价的1%～5%，是涂层费用的10%左右，但却可以使结构物的使用寿命成倍甚至几十倍的延长。目前埋地或海底管道、储罐等油气设施已经实现了阴极保护系统和主体工程同时设计、同时施工、同时投产，取得了良好的效果。

近年来，随着社会进步和科技发展，油气设施的阴极保护无论从理论上，还是技术上都还处在不断发展中，其中两个方面的发展值得关注：一是随着数值计算、自动控制、信息学和计算机等学科向阴极保护领域的渗透，产生了很多具有特色功能的现代阴极保护技术；二是随着各种基础设施建设（油气管道、高压电网、高速铁路、城市轨道交通）的迅速发展，会对阴极保护产生很强的交互作用，导致阴极保护失效，对传统阴极保护提出了许多新的科学问题和技术需求。

阴极保护的原理及方法

金属在电解质溶液中，由于本身存在的电化学不均匀性或外界环境的不均匀性，会形成腐蚀原电池。在原电池的阳极区发生腐蚀，不断输出电子，同时金属离子溶入液体；阴极区发生阴极反应，视电解液和环境条件不同，在阴极表面上一般会发生吸氧反应或析氢反应。如果给金属通以阴极电流，整个腐蚀原电池的电位将向负的方向偏移，使金属阴极极化，这就可以抑制阳极区金属的电子释放，从而减轻金属腐蚀。如图1所示，当外部电流施加到被腐蚀的金属表面，部分流到阳极区，部分流到阴极区，当施加的电流足够大，以致流进阳极区的电流可以抵消自然腐蚀电流，即ipa≥ia，没有静电流离开金属表面，腐蚀则完全停止。

图1　阴极保护原理示意图

ia—阳极和腐蚀区域流入的腐蚀电流；ic—流入阴极区的腐蚀电流，ia=ic；ip—施加到结构上的外部阴极保护电流总量；ipc—进入阴极区的保护电流部分；ipa—进入阴极区的保护电流部分

阴极保护通常有两种方法，即外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护。

01 外加电流阴极保护

外加电流阴极保护是根据阴极保护的原理，用外部直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接到被保护的油气设施上，将电源正极接至辅助阳极。在电流的作用下，使管道的对地电位向负的方向移动，从而实现阴极保护。

02 牺牲阳极阴极保护

把某种电极电位比较负的金属材料与电极电位比较正的被保护油气设施相连接，使被保护的油气设施成为腐蚀电池中的阴极，而实现保护的方法称为牺牲阳极阴极保护。在土壤环境中常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌及锌合金等。

阴极保护效果的判断准则

01 最小保护电位

金属经阴极极化后达到完全保护所需要的绝对值最小的负电位值，该电位指管/地界面极化电位。最小保护电位与金属的种类和腐蚀介质的组成等有关；对于埋设在天然水和土壤中的金属管道，其最小保护电位确定为-0.85V（相对于Cu/CuSO4电极）；当土壤或水中含有硫酸盐还原菌（SRB）且硫酸根含量大于0.5%时，其最小保护电位确定为-0.95V（Cu/CuSO4电极）。

02 电位偏移指标

在阴极极化的建立过程中或衰减过程中，管道表面与同土壤接触的参比电极之间测得阴极极化电位差不得小于100mV；在高温、含SRB的土壤中，存在杂散电流干扰以及异金属耦合管道中不能采用该指标。

03 最大保护电位

在阴极保护条件下，所允许施加的绝对值最大的负电位值。最大保护电位的限值一般根据防腐层及金属材质来确定，以不损坏防腐层的黏结力，同时不会引起高强度钢的氢脆等问题来考虑确定。目前国际上对于最大保护电位指标尚未统一，尚待深入系统、深入研究；GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中给出的最大保护电位准则为：阴极保护状态下管道的极限保护电位（即管/地界面极化电位）不能比-1200mV（CSE）更负。

阴极保护测试探头和数据远程监控技术

01 阴极保护测试探头

阴极保护极化电位作为阴极保护的关键参数，反映了阴极极化的程度，是监视和控制阴极保护效果的重要指标，因此，准确测量极化电位对于保证阴极保护技术的有效实施具有非常重要的意义。通常将参比电极放置在管道上方的土壤表面上进行测量，当阴极保护系统处于通电状态时，所测得的阴极保护电位包含电流在管道和参比电极之间的土壤中流动所产生的电压降即IR降，通过瞬间断电测量法可以消除阴极保护系统电流造成的电压降，但无法消除杂散电流所产生的电压降。为了消除这一误差，近年来一种新兴的阴极保护电位测量技术——测试探头测量技术以其独特的优势越来越受到人们的关注。GB/T 21246—2016《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中也明确提出：“受杂散电流干扰或无法同步中断保护电流的管道，用极化探头测量埋设位置处管道保护电位”。

测试探头的基本结构包含测试钢片、参比电极和电解质几部分，钢片用和管道相同的材质制成，并用导线与管道相连，外部用绝缘体隔离，只留一个多孔塞子（渗透膜）作为测量通路，这样的结构可使参比电极和钢片之间的电阻压降最小。

02

数据远程监控技术

传统的阴极保护电位检测方法是由阴保工或巡线员手持万用表或电压表在管道沿线测试桩处逐一进行测量，这种方法费时费力，尤其对于需要长时间连续监测的位置，并且不便于及时发现存在的问题，若将先进的数据远程监控技术应用于阴极保护电位数据的自动检测与传输，将大大提高维护管理水平，节省劳动力。对于远程监控技术，自20世纪80年代起国内外开发了不同传输技术的阴极保护远程监控和测量的产品，随着地理信息系统（GIS）及信息传递技术的发展，阴极保护远程监控技术也得到发展。目前采用基于GIS的实时监视控制和数据采集系统作为管理的运行管理平台，已在如美国、英国、挪威、丹麦等国家的管道普遍使用。可实现数据记录、设备查询、日常管理确定敏感区域的管道位置，以便发生故障时能及时提供相关的详细资料。

阴极保护信息的传输方式可以简单分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括电力载波通信、架设光缆、电缆或者租用电信电话线、DDN、ADSL等，而无线包括短波通信、微波通信、扩频通信、卫星通信GPS、GSM短信/GPRS通信等。在管道行业，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆和铺设电缆的难度较大，不太符合情况。而向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，另外采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模使用。与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。

阴极保护数据无线传输和远程监控系统是集成了阴保检测技术、智能仪表技术、无线通信技术和计算机网络技术等多学科领域的数据监测系统。该系统可完成阴极保护电位的自动检测及预处理、无线数据传输和服务器数据管理等功能，该技术的推广应用对于提高国内阴极保护管理水平具有重要意义。