淺談海底管線陰極保護設(shè)計

易桂虎 ，趙增元 ,曼得拉·查汗 ，羅威威 ，孫璇

（1.海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島266520；2.中交天津港灣工程設(shè)計院有限公司青島分公司，山東青島266000)

金屬在電解質(zhì)中的腐蝕過程是電化學過程，稱之為金屬的電化學腐蝕。海底管線在海水、海泥中的腐蝕就屬于金屬的電化學腐蝕。一般情況下，金屬腐蝕是不可避免的，而金屬電化學保護則是一種控制金屬腐蝕的好方法。

在海洋工程中，通常采用涂層和犧牲陽極陰極保護法聯(lián)合進行防腐保護。本文對海底管線陰極保護的設(shè)計原理、流程、計算方法等進行介紹分析，提出對海底管線陰極保護設(shè)計的一些見解和看法。

1 犧牲陽極陰極保護方法

1.1 犧牲陽極陰極保護的基本原理

陰極保護原理可用腐蝕電池的極化圖進行解釋，如圖1所示。

由圖1看出，金屬表面陽極和陰極的初始電位分別為Ea和Ec。金屬腐蝕時，由于極化作用，陽極和陰極的電位都接近于交點S所對應(yīng)的腐蝕電位Ecorr，與此相對應(yīng)的腐蝕電流為Icorr。在腐蝕電流作用下，金屬上的陽極區(qū)不斷發(fā)生溶解，導致腐蝕。當對該金屬進行陰極保護時，在陰極電流作用下金屬的電位從Ecorr向更負的方向變動，陰極極化曲線EcS從S點向C點方向延長。

圖1 腐蝕電池極化圖

當金屬電位極化到E1，這時所需的極化電流為I1，相當于AC線段。AC線段由兩個部分組成，其中BC線段這部分是外加的，而AB線段這部分電流是陽極溶解所提供的，表明金屬腐蝕速度有所減緩。當外加陰極電流繼續(xù)增大時，金屬的電位將變得更負。當金屬的極化電位達到陽極的初始電位Ea時，金屬表面各個部分的電位都等于Ea，腐蝕電流為零，金屬達到了完全的保護。此時，金屬表面上只發(fā)生陰極還原反應(yīng)。外加的電流Iappl即為達到完全保護所需的電流。

在作用著的腐蝕電池體系中，接入另一電位較負的電極，這時這一電極將與原來的腐蝕電池構(gòu)成一個新的宏觀電池。這一較負的電極將是新電池的陽極，原來的腐蝕電池則為陰極，依靠外加陽極不斷溶解所產(chǎn)生的陰極電流實現(xiàn)陰極保護。該電位較負的電極稱之為犧牲陽極。

1.2 犧牲陽極種類

犧牲陽極法的保護效果與陽極材料本身的性能有著直接的關(guān)系。目前常用的犧牲陽極材料有鋁基合金、鋅基合金和鎂基合金三大類。犧牲陽極的性能主要由材料的化學成分和組織結(jié)構(gòu)決定。鋁基陽極比重小、電流效率高、發(fā)生電量大、對鋼鐵驅(qū)動電位適中、來源豐富，是一種迅速發(fā)展起來的新型犧牲陽極材料。鋅基陽極比重大、發(fā)生電量小、對鋼鐵的驅(qū)動電位不高、且在高溫條件下易于極化，一般用于電阻率較低的環(huán)境。鎂基陽極電流效率低、對鋼鐵驅(qū)動電位大(易于過保護)，常用于電阻率較高的土壤環(huán)境[1]。

2 海底管線的陰極保護

2.1 海底管線防腐采用的方法

海底管線防腐采用的主要方法為防腐層和犧牲陽極陰極保護聯(lián)合進行。犧牲陽極通常采用的材料主要為鋁-鋅-銦，成分如表1。

表1 陽極成分

2.2 陽極結(jié)構(gòu)

海底管線陰極保護采用的陽極形式通常為手鐲式，陽極基本結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 手鐲式陽極結(jié)構(gòu)圖

陽極一般采用焊接形式安裝在海底管線外防腐層表面，焊接處的涂層破損多采用熱縮帶包覆的方法進行修補，以防止海底管線金屬與外界介質(zhì)直接接觸。

2.3 陰極保護計算

以某海底管線為例進行陰極保護計算。

2.3.1 設(shè)計參數(shù)

海底某管線設(shè)計參數(shù)：海底管線長度7.0 km；設(shè)計使用壽命10a；輸送管外徑273.1 mm；套管外徑355.6 mm；防腐層材料3L-PE。

陰極保護設(shè)計參數(shù)：海水電阻率30 ohm·cm；利用系數(shù)0.8；防腐層破損率3%(初期)、3.5%(平均 )、4%(末 期 )； 陽 極 密 度 2750 kg/m3； 電 容 量2000Ah/kg；陽極閉合電位（Ag/AgCl）-1.05 V；開路電位（Ag/AgCl）-1.10 V。

2.3.2 電位

相對于銀/氯化銀（Ag/AgCl）參比電極，管線的陰極保護電位應(yīng)為-0.8V。

2.3.3 保護電流密度

依據(jù)DNV RP F103-2010[2]標準，選取管線的平均設(shè)計電流密度為0.05A/m2。

2.3.4 陽極參數(shù)

陽極外徑419mm；陽極內(nèi)徑359mm；陽極長度300mm；縫隙寬度50mm；凈重23.19kg。

2.3.5 陰極保護計算

依據(jù)DNV-RP-B401-2005進行計算[3]，如下：

①滿足平均電流需求量的陽極數(shù)量

Icm=總平均電流需求量（A）

Icm=平均電流需求量（A）

Ac=管線表面積（m2）

tf=管線設(shè)計壽命（a）

D=管線外徑（m）

u=陽極利用系數(shù)

icm=平均電流密度（A/m2）

ε=陽極電化學容量(Ah/kg)

fcm=平均涂層破損率

Nmean=滿足平均電流需求量的陽極數(shù)量

M=總理論陽極凈重（kg）

Wanode=陽極凈重（kg）

②滿足末期電流需求量的陽極數(shù)量

Af=末期陽極表面積（m2）

Ac=管段的表面積(m2)

Di,a=陽極內(nèi)徑（m）

icm=平均電流密度(A/m2)

ta=陽極厚度(m)

fcf=末期涂層破損率

g=T位置的間隙（m）

Icf=末期電流需求量(A)

La=陽極長度（m）

Iaf=末期陽極電流輸出量(A)

u=陽極利用系數(shù)

Nfinal=滿足末期電流需求量的陽極數(shù)量

EOc=管線設(shè)計的保護電位(V)

EOa=設(shè)計的陽極閉合電位(V)

③滿足陽極末期保護距離的陽極數(shù)量

L=單個陽極在末期能夠保護的管線長度

ρme=管線材質(zhì)電阻

d=管線壁厚(m)

Ltotal=管段的長度(m)

N=滿足陽極末期保護距離的陽極數(shù)量

④推薦的陽極數(shù)量確定及校核

Sanode=實際陽極間距(m)

Sjoints=陽極間距內(nèi)的管線根數(shù)

SR=陽極間距內(nèi)推薦的管線根數(shù)(小數(shù)去一取整)

SLL=單根管線標準長度(m)

NR=推薦的陽極數(shù)量(小數(shù)進一取整)

最終陽極應(yīng)滿足電流校核:

NR×Iaf≥Iaf

2.3.6 計算結(jié)果

管線的陰極保護計算結(jié)果：Icm13.69A、M749.26kg、Nmean33、Icf15.64A、Iaf1.563A、Nfinal11、L 346.68m、Ltot7000m、N21、Sanode212.12m、Sjoint17.4、SR17、NR34。

2.4 設(shè)計結(jié)果

管線陰極保護的設(shè)計結(jié)果：陽極凈重23.19kg；陽極間距207.264m；管線上的陽極數(shù)34set；陽極總凈重 2483.32kg。

3 海底管線陰極保護設(shè)計關(guān)鍵點分析

3.1 保護電位

保護電位是指陰極保護時金屬停止腐蝕（或腐蝕可以忽略）時所需要的電位值。為了使腐蝕完全停止，必須使保護金屬極化到它的電位等于表面上最活潑的陽極點的初始電位。實際上，對于鋼構(gòu)筑物來說，這一電位就是鐵給定電解質(zhì)溶液中的平衡電位。所以，只要能確定鐵的平衡電位，就可以知道它的保護電位。

根據(jù)Nernst方程式計算出鐵的平衡電位與溶液的pH值的關(guān)系式如下：

E=-(0.05+0.0592pH)V（vs SHE）

因此，鐵的保護電位取決于電解質(zhì)溶液的pH值。必須指出，上式中的pH是指緊靠電極的電解液液層的pH。在中性介質(zhì)中，由于陰極反應(yīng)釋放出來的OH-離子的影響，此pH值在8.3～9.6之間。由此計算得到鐵的保護電位為-0.541～-0.618V(vs SHE)。若將氫參比電極改為銅/硫酸銅電極，則鐵的保護電位為-0.861～-0.938V(vs Cu/CuS04)。

上述理論保護電位等于鐵在電解質(zhì)溶液中Fe2+離子濃度為10-6mol/L的平衡電位。但是,在介質(zhì)流動的情況下,緊靠被保護金屬表面液層的Fe2+離子濃度是低于l0-6mol/L的。因此，鐵的實際保護電位要比理論電位更負。

在實際設(shè)計中，以安裝在相鄰金屬結(jié)構(gòu)上的陽極為基礎(chǔ)的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計必須保證這個系統(tǒng)有足夠的冗余，因此，在接近于陰極保護系統(tǒng)設(shè)計壽命時，整體電位會降低的比以上假設(shè)的電位稍負一點。對于新的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計陰極保護系統(tǒng)時應(yīng)當有額外的保守性（延長使用壽命）。對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的陰極保護能力達到臨界值時，有必要對整體保護電位和陽極最終的表觀特征進行監(jiān)測。

3.2 陽極間距

合理布置陽極的目的是為了使保護電位分布均勻，整體得到一致的良好保護。

一旦陽極數(shù)量計算出來，陽極間距就應(yīng)該被確定。陽極間距應(yīng)該有足夠的距離以在由于機械的或電的作用下?lián)p失一個陽極的情況下維持適當?shù)谋Ｗo。陽極間距若超過300m，將采用遞減計算或者其他的數(shù)學建模來驗證陽極是否可以維持適當?shù)谋Ｗo。

對于短管線，如果能夠通過精確的計算和建模來驗證陰極保護陽極能否正常進行，那么陽極可以被安裝在每根管線的終端。遞減計算應(yīng)該被用來說明陽極安裝在終端的安裝方式是否能夠保護到管線中間點。

如果是由手鐲式陽極提供陰極保護，不能夠采用ISO15589-2中管線陰極保護推薦陽極最大間距300m的假設(shè)，兩個相鄰陽極之間的最大距離應(yīng)為單個陽極在最終階段能夠保護的管線長度的二倍。

電流分布效率通過利用大數(shù)量的單獨的低效率的陽極平坦的分布在管線上的方法來進行改善。管線上的電流分布能夠通過適用防腐層來得到改善。犧牲陽極系統(tǒng)由為數(shù)眾多的小電流源（主要為0.5A～3A）的分布來完成大的電流分布效率。

3.3 涂層破損率

因陰極保護計算參數(shù)選取原則，像陽極成分、管線直徑、長度等基本參數(shù)在計算開始之前就已經(jīng)確定，只有涂層破損率是依據(jù)施工經(jīng)驗估算。也只有涂層破損率是可以通過在施工過程中的精細管理，提高海底管線節(jié)點施工質(zhì)量以及對海底管線涂層進行完善的保護等方式來降低的。涂層破損率降低，將減少海底管線陰極保護設(shè)計計算時所要滿足的電流密度值，進一步減少海底管線陰極保護所需的陽極數(shù)量，減少施工量及施工成本。因此涂層破損率是影響海底管線陰極保護設(shè)計的最敏感因素之一，將破損率控制到最小值是減小陰極保護系統(tǒng)投入的關(guān)鍵因素。

在實際海底管線施工過程中，影響涂層破損率的主要因素為以下兩點：

①管線在鋪設(shè)過程中對涂層的機械損傷

可以通過定期檢查維修鋪管設(shè)備，加強施工管理以及提高作業(yè)人員職業(yè)素養(yǎng)等方式，降低不必要的涂層破損。

②管線現(xiàn)場節(jié)點補口的防腐處理

通常海底管線現(xiàn)場節(jié)點補口采用兩層或三層結(jié)構(gòu)的熱縮帶進行修補。目前大多鋪管船上加熱設(shè)備及表面處理設(shè)備不夠完善，現(xiàn)場節(jié)點防腐施工質(zhì)量并不樂觀。主要表現(xiàn)為采用火把替代中頻加熱設(shè)備而導致預(yù)熱溫度不夠、熱縮帶受熱不均，以及采用動力工具替代真空噴砂設(shè)備除銹導致表面處理等級過低等現(xiàn)象。這些都會嚴重影響熱縮帶的施工質(zhì)量，導致管線服役中后期涂層破損率顯著增高。

4 總結(jié)

海底輸油、輸氣管線是耗資巨大、施工復雜的永久性工程，一般要求在不加維修的條件下能正常使用20a以上。為了確保這些海底管線在腐蝕嚴重的海洋環(huán)境中長期安全使用，必須采用外防護防腐層與陰極保護聯(lián)合的防腐措施。

實踐中，若充分利用現(xiàn)有的防腐蝕技術(shù)廣泛開展腐蝕知識的普及，并通過嚴格的科學管理，因腐蝕造成的經(jīng)濟損失是可以部分避免的。

作為海底管線防腐設(shè)計重要組成部分之一，陰極保護的設(shè)計任重道遠。陰極保護不僅可以防止一般腐蝕，還可以防止金屬的小孔腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕裂開、沖擊腐蝕和黃銅脫鋅等，可以為國家節(jié)約大量資金和節(jié)省日益匱乏的金屬資源，延長鋼質(zhì)管線的使用壽命。因此在陽極的設(shè)計、鑄造、安裝等過程中需要更精益求精、合理設(shè)計，完善施工方法。