阴极保护技术的应用现状及相关问题探讨

2021-08-13 13:50:38 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

目前阴极保护与涂层协同保护已经广泛应用于管道的腐蚀防护上。防腐层作为管道防护的第一道防线，将管道与腐蚀性介质隔开，并且保护管道不受外力机械损伤；而当防腐层出现破损时，此时阴极保护作为第二道防线，保证管道破损处不受腐蚀影响。

阴极保护主要包括外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护。对于不同防腐层的管道来说，SY/T 0036中指出了所需要的最小阴极保护电流密度：就目前应用广泛的3PE防腐层（1MΩ·m2）来说，金属管道保护需要的阴极保护电流密度小于10μA/m2，一方面，防腐层极大地减小了阴极保护系统的输出电流；另一方面，由于较高的防腐层电阻率，使得阴极保护电流更加均匀，能够保护更长的管道。因此，下面从长输管道阴极保护、集输管网阴极保护和站场区域阴极保护三个方面进行讨论，提出阴极保护后续需要研究的四个问题。

阴极保护设计

1 长输管道阴极保护

经过多年的发展，长输管道的外加电流阴极保护已经形成了完整的计算、设计体系，长输管道的阴极保护示意图如下。

一般来说，长输管道的阴极保护多采用外加电流的方式，站内设置恒电位仪，在站外设置辅助阳极，而通电点设置在站外绝缘法兰外侧，由于管道防腐层的高电阻率，因此较小的电流（几安培到几十安培）即可保护很长的管道，站间距可达数十甚至上百公里（同样也受土壤电阻率的影响）；其阴极保护电流流入管道向通电点汇流入恒电位仪负极，整个回路相对简单；同时由于长输管道多敷设在野外，因此对外加电流阴极保护的安全要求也比较低。

在长输管道阴极保护中，阴极保护屏蔽问题是难以发现和难以解决的问题。从上图可以看出，在现场管道的检测中发现部分区域存在管道防腐层剥离的情况，防腐层剥离是由于腐蚀性介质扩散、阴极保护电位过负、阴极保护电位震荡等原因引起。

相关研究表明，当缝隙内的电阻率达到100MΩ·cm时，阴极保护电流完全不能在管道基体表面形成有效的阴极保护，并且对于防腐层剥离管段的排查相对来说比较困难，这也为阴极保护提出了新的挑战。阴极屏蔽问题也出现在保温管道、穿跨越的套管管道中。

2 集输管网阴极保护

与长输管道的阴极保护相比，集输管网的阴极保护设计主要有以下特点：

（1）对于老油田来说，集输管网的防腐层类型众多，主要包括黄夹克、环氧煤沥青和PE等，同时由于集输管道更换频繁，不同运行年限之间的防腐层的电阻率差异较大，所需要的阴极保护电流各不相同。

（2）集输管网多并行敷设，输油输气、注水注汽等多管道并排同沟敷设，从现场数据来看，同沟敷设集输管线最多可达10余条，此时中间管线受到两侧管线的屏蔽作用，难以得到阴极保护，而深井阳极的埋设方式可能是解决这一问题的唯一手段，但是施工和设计比较困难。

（3）集输管网附近现场生产和运行比较集中和频繁，因此有大量设备的接地，多种埋地金属构件埋深差异性较大，这也对阴极保护的设计带来了一系列问题。

3 站场区域阴极保护

一般来说，由于站场内储罐多、管道纵横交错，并且区域相对封闭，因此在站场内多采用牺牲阳极+强制电流共同的阴极保护方式。

实际应用中，若单独采用强制电流阴极保护，由于站内接地装置较多，保护电流损失较大，并且容易对其他金属构件产生干扰；而单独采用牺牲阳极的阴极保护，若想要达到理想的保护效果，所需要的阳极数量很多，在站场有限的空间内不现实。

因此，在站场内，以强制电流阴极保护为主，在管道重叠、交叉等阴极保护达不到要求的位置加以辅助牺牲阳极来达到所要求的效果。

最佳阴极保护电位范围及影响因素

目前在阴极保护的设计及评价方面主要存在以下四个问题：

（1）行业上通用的阴极保护准则规定，当管道断电电位处于-0.85~-1.2V（CSE）时，管道受到完全的保护，此时其腐蚀速率处于可接受的范围内，同时在GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中规定了如硫酸盐还原菌、高强钢等特殊条件下的阴极保护电位范围。现场测试断电电位主要通过在阴极保护系统上添加断路器或采用试片法，但事实上，在日常阴极保护的检测与维护上，在阴极保护系统上添加断路器其工作量巨大，并且难以保证其同步性；对采用试片法而言，操作相对容易，但工作繁琐。同时，随着公共走廊内交直流输电线路、电气化铁路等的存在，地中杂散电流不可避免地会流入到管道中形成干扰，在试片法断路测试时只能消除阴极保护带来的土壤IR降，而对于杂散电流来说却无法消除。因此，提出一种在杂散电流干扰下的管道断电电位测试方法或新的评价准则是非常有必要的。

（2）相关研究表明，在正常运行状态下管道的保护电位不是一成不变的，其表现为在一定范围内发生振荡。而由于管线钢的不均匀性、涂层/金属局部界面的差异可能会引起电位升降而形成局部的腐蚀微电池，导致管道的局部腐蚀穿孔。因此，在常规的-0.85~-1.2V保护电位区间内，划分多个保护电位区间，确定不同保护振荡程度下的管道局部腐蚀情况以及腐蚀机理对确定不同环境下最佳保护电位区间是非常有必要的。

（3）目前，大多数管线阴极保护采用恒电位控制方式，而回流点（通电点）设置在站场外绝缘法兰外侧。当杂散电流在管道上发生流入或流出时，会引起通电点处负反馈信号的改变，从而引起阴极保护电流输出的改变，当输出减小时会使得整条管道保护不足，当输出增大时可能会引起辅助阳极附近的管段过度极化，存在氢脆的风险。基于保护系统的有效性、不对外界产生干扰以及不影响保护距离等原则，目前针对这一问题的主要解决办法有三个：采用高等级防腐层、排流和采取恒电流控制。对于现场的日常检测和维护来说，仅仅通过管地电位标准无法对上述措施采取有效判断，并且上述解决措施只能单纯从阴极保护角度或者杂散电流角度来考虑，无法根据现场管道实际的极化状况来提出切实有效的措施。

（4）对于并行管道的阴极保护设计，由于防腐层、土壤电阻率之间的差异，造成并行管道之间存在相互干扰问题，而并行管道阴极保护系统之间也存在相互干扰问题，因此如何解决这两方面的干扰问题是并行管道阴极保护设计的关键。目前对于并行管道多采用跨接线+联合保护的方法和跨接线+共用阳极等方法，但是目前相关标准中没有跨接线设计布置的相关准则，并且跨接管线的真实电位测试方法和评价准则目前仍无相关研究，而共用阳极方法仅仅适用于两条防腐层质量相似的管道，适用范围比较小。

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