油气管道阴极保护技术现状与展望_薛致远毕武喜陈振华陈洪源

P>（P 自然―100 mV） P<（P 自然―100 mV） 罐区储罐底板 区域阴极保护站场管道 石油沥青防腐层管道 煤焦油瓷漆防腐层管道 FBE 防腐层管道 3LPE 防腐层管道
结果显示：在调查范围内，各系统均存在部分阴极保护断电电位不满足阴极保护准则的情况，即系统 没有受到全面保护，部分管道和储罐处于欠保护或过保护状态。对于石油沥青及煤焦油瓷漆防腐层管道， 主要风险是欠保护；对于 3LPE 和 FBE 防腐层管道，主要风险是过保护；对于区域阴极保护，主要风险是 欠保护[21]。测试中发现大多数过保护是由直流干扰引起的。 造成上述情况的原因：①阴极保护装备。当前阴极保护装备主要由恒电位仪、沿线测试桩、万用表组 成，其只能测量管道通电电位，不能测量管道断电电位，由此造成管理上的误差。虽然一些管道公司根据 管道外检测计划每隔几年利用 CIPS 系统进行一次管道断电电位测量，但从保护效果上看并未完全达到阴 极保护准则要求。②管理。目前采用的每月人工测量电位方式不仅劳动强度大、数据量小，而且会造成日 常管理中电位数据不可靠，从而无法准确了解阴极保护系统真实运行情况。 在交直流干扰方面，调查发现石油沥青防腐层管道受直流干扰的管段约为 3%；而 3PE 管道受直流干 扰管段则达到 15%。分析认为，随着管道周边电磁环境日益复杂及 3LPE 大规模应用，管道面临的交直流 干扰将越来越严重。在受到较强交直流干扰的情况下，使用常规阴极保护准则指导设计和运行均会增加管 道的腐蚀风险。 2 2.1 阴极保护技术展望 阴极保护准则研究 阴极保护准则是阴极保护技术的基础， 对于阴极保护设计及运行起着指导性作用。 由于现有准则不能 完全满足油气管道生产运行需要，应开展相关基础研究，建立完善的阴极保护准则。①根据我国油气管道 特点，通过理论计算及实验研究，建立高温运行管道油气管道阴极保护准则，指导高温段管道阴极保护设 计与运行。②随着管道所受直流干扰越来越严重，可以通过实验研究或引进国外先进标准的方法，建立动 态直流干扰下管道的阴极保护准则，指导直流干扰情况下管道的运行。③随着管道所受交流干扰越来越普 遍，对管道交流干扰腐蚀机理开展基础科学研究，建立交流干扰下管道的阴极保护准则，以保障油气管道 在长期交流干扰下安全有效运行。通过上述研究不仅能够提高我国阴极保护技术水平，也有助于推动我国 腐蚀电化学理论研究水平的提高。
1.1 技术现状 1.1.1 阴极保护准则 阴极保护准则是阴极保护的核心技术指标， 是管道阴极保护状态的评判标准， 指导阴极保护设计和运 行。GB/T21448―2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》明确阴极保护电位指管/地界面极化电位（管/ 地断电电位）是阴极保护准则的评判指标，并规定一般情况下使用的两个主要判据[3]：①管道阴极保护电 位应负于-850 mV（CSE） ，但应正于-1 200 mV（CSE） ；②当上述准则难以达到时，可采用管道阴极极化 电位差或去极化电位差大于 100 mV 作为判据。 虽然上述准则已经广泛应用于油气管道阴极保护的建设与运行，但尚存以下不足：
rT RT ，m-1。
上述两种方法都是基于阴极保护电流均匀分布于管道表面的假设， 单根管道沿线通电电位分布的计算 方法，不能进行管道极化电位（断电电位）计算，亦无法进行复杂金属结构及管网阴极保护系统电位及电 流分布计算。 近几年逐渐兴起的数值模拟技术为阴极保护计算提供了新的途径[9-10]，其通过建立管道、阴极保护系 统及周围土壤的数值模型，结合管/地极化曲线，利用有限元或边界元方法求解电场方程，计算管道表面极 化电位及管道周围电场分布。理论上讲，利用数值模拟技术可以进行任意复杂金属结构阴极保护的计算， 而且可以计算出金属结构的极化电位（断电电位）及周围电场分布，即金属结构的通电及断电电位。虽然 目前因缺乏可靠的管/地极化曲线，尚不能准确计算管道极化电位（断电电位）和通电电位，但完全可以实 现定性或半定量分析。目前，国外已利用此技术进行潜水艇及海洋平台等复杂结构阴极保护（图 1）的辅 助设计[11-12]。
表1
统计对象 欠保护 65 12.0 4.4 4.1 0 2.4
油气管道阴极保护系统断电电位统计表
不同情况所占比例% 满足 100 mV 准则 32.5 32.0 26.3 19.0 4.2 7.9 满足 850 mV 准则 ―1 200 mV<P<―850 mV 2.5 56.0 68.1 74.2 90.1 74.9 过保护 P<―1 200 mV 0 0 1.2 2.7 5.7 14.8
图2 1.2 管理现状
电流同步中断电位测量原理图
油气管道阴极保护系统根据保护目标不同可分为线路阴极保护系统和站场区域阴极保护系统。目前， 线路管道均安装有阴极保护系统。近些年，开始为油气管道站场安装区域阴极保护系统，以保护工艺管道 及储罐[18]，但还有一些在役站场尚未安装区域阴极保护系统。 油气管道阴极保护断电电位分布情况直接反映了阴极保护系统运行情况[19]。为此，对逾 6 000 km 油 气管道线路阴极保护系统及 7 座站场区域阴极保护系统进行了调查（表 1，其中 P 为管道断电电位）[20]。
图1 1.1.3 阴极保护装备
海洋平台阴极保护效果数值模拟图[13]
阴极保护装备组成阴极保护系统， 主要包括阴极保护电源系统和测量系统， 前者由电源和阳极地床组 成，其中电源是核心装备；后者由沿线测试桩、测量仪表及参比电极组成。 国内阴极保护电源采用恒电位仪，国外阴极保护电源大多采用整流器。虽然两者在功能上有所差别， 但技术水平大体相当。阴极保护测量系统主要由电位测试桩、万用表及参比电极组成[14]。现有装备只能实 现阴极保护通电电位的测量，而不能进行阴极保护断电电位测量。由于阴极保护准则中的评判指标是管道
（1）阴极保护准则适用温度。GB/T21448―2008 非等效采用了 ISO15589-1《石油天然气工业 管道 输送系统阴极保护 第 1 部分：陆上管道》 。ISO15589-1 中明确指出当管道运行温度高于 40 C 时，上述准 则不能为管道提供充分保护[4]。GB21448―2008 也指出在高温等特殊条件下，阴极保护可能无效或部分无 效。我国原油管道加热站及输气管道压缩机站出站段管道运行温度常常高于 40 C，故现有准则不满足高 温段油气管道生产运行要求，应开展高运行温度管道阴极保护准则研究。 （2）存在动态直流干扰时阴极保护准则。随着我国经济的发展，油气管道受到的直流干扰越来越严 重，多数直流干扰都会造成管道电位波动，而这种电位波动会造成在部分时间内管道电位偏离准则。现行 SY/T 0017－2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》未明确规定允许管道电位偏离准则的程度与时 长[5]，造成现有准则无法有效指导动态直流干扰下阴极保护系统的运行管理。而在这方面，澳大利亚标准 AS 2832.2《金属的阴极保护 第 2 部分：密集埋地结构》给出了明确规定[6]。因此，可通过引进国外先进 准则完善我国现有阴极保护准则。 （3）交流干扰下的阴极保护准则。交流干扰下，经典的阴极保护-850 mV（CSE）准则不再适用。此 时，被保护金属处于加速腐蚀－自然腐蚀－阻碍腐蚀的周期性状态，因而降低了阴极保护水平，使被保护 金属发生明显腐蚀[7]。但至今国内外都未能提出交流干扰下有效的阴极保护准则。因此，有必要通过交流 干扰腐蚀机理研究，建立交流干扰下的管道阴极保护准则。 综上所述， 我国现有阴极保护准则并不能完全满足油气管道生产需求， 建立完善的阴极保护准则是油 气管道阴极保护技术发展的必然要求。 1.1.2 阴极保护计算 阴极保护计算是阴极保护的核心技术， 用于构建阴极保护系统的理论模型， 指导阴极保护设计和运行； 其核心在于计算阴极保护电流、电位在管道表面及周围电解质中的分布。我国目前广泛应用的阴极保护计 算方法来源于 GB/T21448―2008，通过如下方程可以计算管道通电电位沿管道表面的分布情况：
网络出版时间： 2014-04-02 09:03
文献标识码：A
doi：
网络出版地址： /kcms/detail/13.1093.TE.20140402.0903.005.html
油气管道外腐蚀控制系统由防腐层和阴极保护系统组成。 防腐层是控制管道腐蚀的第一道防线， 然而 管道在建设施工及运行过程中，防腐层不可避免地会因机械碰撞或土壤应力出现一些漏点，导致管体与腐 蚀性环境接触而受到腐蚀威胁。阴极保护系统则为这些漏点处管体提供附加保护，防止管道发生腐蚀，是 管道腐蚀控制的第二道防线[1]。阴极保护技术通过向管道表面提供阴极电流，使管/地电位发生负向极化， 从而控制管道表面腐蚀。阴极保护方法包括强制电流法和牺牲阳极法，两种方法原理相同，只是阴极保护 电流来源不同：牺牲阳极法阴极保护电流来源于锌、镁、铝等牺牲阳极；强制电流法阴极保护电流来源于 直流电源。油气管道通常采取以强制电流为主、牺牲阳极为辅的保护方式[2]。 1 阴极保护现状
断电电位，而日常管理中测量和控制的是管道通电电位，因此，目前阴极保护装备不能满足阴极保护准则 对管道运行管理的要求。 当前，阴极保护参数自动测量技术已经实现管道电位及交流电压的测量和传输[15]。该技术降低了一 线员工劳动强度，提高了电位数据可靠性，增加了数据量，实现了阴极保护系统的定时监测。通过测量和 记录管道沿线电位，不仅可以实现对管道交直流干扰的监测，而且基于管道沿线电位分布及变化的分析还 可以了解沿线干扰源分布及管道防腐层状况。虽然目前只能进行通电电位测量，但推广自动测量技术是阴 极保护及交直流干扰控制的必然要求。 近些年， 从国外引进的电流同步中断电位测量技术实现了阴极保护通电及断电电位测量， 其由时钟同 步电流中断器和时钟同步电位采集器组成。测量时，电流中断器安装于恒电位仪阳极输出端；测量人员携 带电位采集器在管道沿线进行电位测量。电流中断器与电位采集器内置 GPS 信号接收系统，可接收 GPS 但是， 时钟信号。 通过设置通断参数可以实现两种设备周期性同步通断， 从而测量出管道通电/断电电位[16]。 由于国内阴极保护电源采用恒电位仪，电流中断器又周期性外部中断恒电位仪输出，因此，测量过程会造 成恒电位仪周期性输出电压、电流冲击。这种冲击不仅可能造成恒电位仪损坏，还会造成测量误差[17]。可 见，借鉴国外先进技术结合我国国情研发具备通电/断电电位测量功能的阴极保护装备是必然发展方向。