基于ICCP埋地管道腐蝕防護(hù)工程的應(yīng)用研究

張思捷，楊植民，高鵬飛，潘 露，李笑怡

(中國葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司 湖北武漢430000)

0 引 言

土壤環(huán)境復(fù)雜，微生物種類繁多[1]，還有雨水、空氣等腐蝕介質(zhì)，加上管道附近的雜散電流等腐蝕途徑引起的微生物腐蝕、雜散腐蝕、電偶腐蝕、電化學(xué)腐蝕等，管道的腐蝕防護(hù)顯得相當(dāng)重要。外加電流陰極保護(hù)(Impressed Current Cathodic Protection，ICCP)對長距離管道的保護(hù)具有較大優(yōu)勢，不僅保護(hù)參數(shù)可控可調(diào)，且服役周期長、防護(hù)效果好，尤其大規(guī)模的管道腐蝕防護(hù)工程，其保護(hù)效果和工程概算均優(yōu)于其他防護(hù)方法。但隨著服役年限的延長、埋設(shè)環(huán)境的變化，保護(hù)電流的有效范圍發(fā)生偏移，導(dǎo)致管道處于欠保護(hù)狀態(tài)，管道腐蝕的程度加深，若定期進(jìn)行腐蝕檢測，在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上對已腐蝕管道實(shí)施再保護(hù)，可以減緩甚至抑制腐蝕的發(fā)生，降低工程再造的成本，提高管道的經(jīng)濟(jì)效益。相比防腐涂層、合金結(jié)構(gòu)、犧牲陽極(Sacrificial Anode Cathodic Protection，SACP)等腐蝕防護(hù)方法，ICCP在管道工程應(yīng)用中優(yōu)勢明顯，但也存在一定的局限。陰極干擾和電流屏蔽[2]是ICCP應(yīng)用中的兩大問題，工程上嘗試?yán)妹}沖電流解決電流屏蔽，對于陰極干擾則通常用排流器對雜散電流進(jìn)行回流。另外，為保證防護(hù)工程的質(zhì)量，對保護(hù)范圍內(nèi)的跨步電壓(Step Voltage，SV)等涉及人身安全問題，以及管道缺陷處、管道首末端的腐蝕聯(lián)結(jié)問題，應(yīng)給予重視。

1 ICCP在埋地管道工程中的應(yīng)用

1.1 金屬腐蝕原理及管道防腐蝕基本方法

金屬腐蝕是金屬從高能量較活潑的原子態(tài)轉(zhuǎn)化為低能量較穩(wěn)定的分子態(tài)的過程[3]。一般來說，抑制金屬腐蝕的方法有 ICCP、SACP、防腐蝕涂料(Anti-Corrosive Coating，AC)、絕緣保護(hù)層、耐腐蝕鋼材等。為提高埋地管道耐腐蝕性能，工程上常采用ICCP或SACP方法給天然氣管道提供保護(hù)。

外加電流陰極保護(hù)由直流電源陰極與被保護(hù)設(shè)備相連，通過輔助陽極、電解質(zhì)形成回路，電源在回路中給被保護(hù)設(shè)備提供陰極保護(hù)電流，使電子富集在設(shè)備表面，調(diào)節(jié)電流密度使被保護(hù)金屬電位低于周邊物質(zhì)電位，從而產(chǎn)生陰極極化，抑制被保護(hù)結(jié)構(gòu)的腐蝕。陽極材料通常以Pb-Ag合金、Pb-Ag微鉑、Pt-Nb復(fù)合陽極以及Pt-Ti復(fù)合陽極等高原子序數(shù)金屬合金為材料，因而輔助陽極的服役時(shí)間往往較長。

外加電源的強(qiáng)制陰極極化特性伴隨著對電解質(zhì)導(dǎo)電性能限制的減弱，而 SACP要求介質(zhì)電阻率較低，一旦介質(zhì)電阻率超過一定閾值，陰極電位將無法得到有效極化。為了維持陰極電位，必須增大極化電流，但會加快陽極腐蝕速率，縮短其更換周期，增加保護(hù)成本。相比 ICCP，SACP無需長時(shí)間的維護(hù)管理，在陽極安裝完成后和陽極更換前的階段，不用進(jìn)行斷電電位檢測、恒電位儀調(diào)試、陰保站的維護(hù)等操作，且由于更換頻率較高，SACP不易產(chǎn)生雜散腐蝕。SACP的局限在于無法調(diào)節(jié)保護(hù)參數(shù)，而外加電流法通過控制保護(hù)電流密度跟蹤適應(yīng)系統(tǒng)新的腐蝕狀態(tài)，減少管道腐蝕造成的損失。

1.2 管道腐蝕檢測過程分析

管道的腐蝕監(jiān)測核心思想在于掌握全線管道的“陰極保護(hù)狀態(tài)”，評價(jià)“陰極保護(hù)狀態(tài)”的指標(biāo)一般包括“陰極極化電位”和“雜散電流對陰極保護(hù)電位的干擾程度”?！霸u價(jià)指標(biāo)”旨在完善對管道全線的保護(hù)覆蓋以及減小或消除區(qū)段雜散電流對陰保系統(tǒng)的干擾，保證外加電流陰極保護(hù)的防腐蝕效果。在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)施工完成后，由工程人員對全線金屬管道防腐蝕層進(jìn)行“陰極保護(hù)狀態(tài)測試”，主要包括陰極保護(hù)電位測試、雜散電流檢測、防腐蝕層缺陷點(diǎn)檢測和防腐蝕層絕緣電阻測試[4]，測試主要針對管道缺陷處。在確保缺陷處“陰極保護(hù)狀態(tài)”良好后，對全線管道進(jìn)行整體測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整陰保站控制系統(tǒng)參數(shù)，反復(fù)調(diào)試，直至達(dá)到保護(hù)要求，具體過程如圖1所示。對服役中的埋地管道進(jìn)行腐蝕檢測，能夠有效預(yù)防管道保護(hù)層的腐蝕以及欠保護(hù)或過保護(hù)狀態(tài)，降低管道因腐蝕產(chǎn)生裂縫的機(jī)率，提高工程質(zhì)量。

圖1 防腐蝕系統(tǒng)的檢測更新Fig.1 Detection update process of anti-corrosion system

由于管道中犧牲陽極保護(hù)的存在，在陽極不斷消耗的過程中，電阻率和管段壓降會隨之變化，可能導(dǎo)致缺陷處極化電位超出允許范圍，造成部分區(qū)段欠保護(hù)或過保護(hù)。為了避免因陽極消耗造成陰極保護(hù)失效，在陽極更換周期內(nèi)，工程人員應(yīng)定期檢測各缺陷點(diǎn)處的保護(hù)狀態(tài)，根據(jù)檢測結(jié)果重新調(diào)整陰極保護(hù)參數(shù)，將各區(qū)段極化電位維持在最優(yōu)區(qū)間，從而達(dá)到新的保護(hù)平衡態(tài)。

1.3 管道銹蝕后的再保護(hù)

1.3.1 輸氣管道

服役中處于欠保護(hù)狀態(tài)的長線輸氣管道[5]，由于管線跨距大宜采用分區(qū)段檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對各區(qū)段破損腐蝕情況進(jìn)行評估，利用評估結(jié)果制定階段性防腐蝕方案。綜合考慮方案實(shí)施的可靠性、有效性和經(jīng)濟(jì)性，從中篩選出最優(yōu)的長距離輸氣管線防腐蝕方案。鑒于輸氣管道往往較長、跨度大、埋設(shè)環(huán)境復(fù)雜，SACP難以保障全線陰極極化電位且保護(hù)周期短，另外在電阻率較高的土壤環(huán)境中防腐蝕效果較差，因此采用防腐涂層和沿線建立陰保站的雙重保護(hù)以確保管道極化電位在有效范圍內(nèi)。

1.3.2 輸水管道

對于服役多年、腐蝕情況嚴(yán)重的輸水管道，為延長管線的服役壽命，不僅需對管道缺陷處進(jìn)行修復(fù)，還需根據(jù)全線管道的腐蝕狀況及埋設(shè)環(huán)境制定經(jīng)濟(jì)有效的再保護(hù)方案。考慮管道埋設(shè)區(qū)域的降雨，越接近地表的管道越易受到土壤腐蝕介質(zhì)的侵蝕。對管道表面進(jìn)行防腐涂層處理將大幅降低土壤腐蝕介質(zhì)侵蝕的概率，但隨著管道服役時(shí)間的增加，涂層會逐漸老化，失去結(jié)合力，甚至與管體分離，因此最經(jīng)濟(jì)合理的方案是防腐蝕涂層與外加電流陰極保護(hù)法的聯(lián)合防腐，既達(dá)到對管道腐蝕的防護(hù)效果，又減少腐蝕再保護(hù)的投入。

2 ICCP管道工程應(yīng)用局限性分析

對埋設(shè)在地下的管道進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)，需具備 3個(gè)條件：陽極地床(Anode Ground-bed，AG)、外加電源、參比電極(Reference Electrode，RE)。

①陽極地床：AG的作用在于“將極化電流導(dǎo)入土壤”，電流經(jīng)土壤流入被保護(hù)體，使被保護(hù)體發(fā)生陰極極化，最后流回電源負(fù)極，形成閉合回路。工程上廣泛采用的AG有3種，即柔性陽極、深井陽極和石墨陽極，三者的適用條件各不相同，一般結(jié)合實(shí)際工程情況進(jìn)行選擇。

②外加電源又稱恒電位儀，電流大小以及極化電位等陰極保護(hù)參數(shù)可調(diào)，屬于可控元件，是陰極極化的關(guān)鍵。恒電位儀控制方式有 4種：電位控制、槽壓控制、電流控制、間歇控制。由于電位控制方式的適用范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)且無延時(shí)，在工程上應(yīng)用廣泛。

③參比電極的意義：其一在于測量，測量被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電位，不同的參比電極對應(yīng)的被保護(hù)結(jié)構(gòu)物安全電位是不同的；其二在于控制，給恒電位儀提供被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電位信息。斷電電位測量中，管道正上方的參比電極與管道之間的電位差，稱為極化電位。

以上3個(gè)條件缺一不可，而ICCP在工程應(yīng)用中伴隨而來的問題也是由保護(hù)機(jī)制的差異造成的。目前外加電流陰極保護(hù)法在管道工程應(yīng)用中的兩大問題分別是電流屏蔽和陰極干擾[2]?！半娏髌帘巍笔侵副Ｗo(hù)電流通路由于加裝套管或保護(hù)層剝離等原因在原保護(hù)處斷開，與外部導(dǎo)體或介質(zhì)形成新的通路，造成保護(hù)失效。陰極干擾是指當(dāng)保護(hù)電流經(jīng)過電位較高或電位較低的區(qū)域時(shí)，會受到外部電流的干擾，使保護(hù)電流或增強(qiáng)或減弱，產(chǎn)生矢量偏移，造成保護(hù)電位偏離，影響陰極極化，從而弱化保護(hù)效果。

工程應(yīng)用中針對因電流屏蔽和陰極干擾形成的缺陷點(diǎn)通常采用“先檢測后處理”的方法。首先對被保護(hù)體進(jìn)行電流測繪，即RD-PCM檢測，確定整體腐蝕狀況；第二步采用交流電位梯度 ACVG、直流電位梯度 DCVG以及密間距電位 CIPS等檢測技術(shù)判斷缺陷管道完整性；最后通過現(xiàn)場開挖對缺陷處進(jìn)行修復(fù)。該方法可以有效解決缺陷處的腐蝕防護(hù)問題，但經(jīng)濟(jì)性差且操作復(fù)雜。

針對由防護(hù)層破壞引起的電流屏蔽問題，勒巍等[6]提出了一種改進(jìn)方法——脈沖電流法，以脈沖電流源代替直流電流源給被保護(hù)體提供極化電流。脈沖波具備強(qiáng)穿透性使之能夠克服缺陷處高電阻率的電壓降干擾，從而擴(kuò)大極化區(qū)間，縮小屏蔽面積，但與此同時(shí)也會擴(kuò)大保護(hù)層斷裂后的縫隙。ICCP在工程實(shí)踐中的第2個(gè)問題是陰極干擾，其主要原因在于被保護(hù)體周圍存在雜散電流源，引起鄰近區(qū)域的電位變化，影響保護(hù)點(diǎn)的陰極極化[7]。因此，排除雜散電流是解決陰極干擾問題的關(guān)鍵[8]。雜散電流可以由排流設(shè)備導(dǎo)回電流源，條件是形成一條流經(jīng)被保護(hù)結(jié)構(gòu)、排流設(shè)備、絕緣導(dǎo)體以及電流源的電流通路。

3 防護(hù)工程安全性和完整性的針對措施

3.1 防護(hù)工程安全性——陽極地床

陽極地床的安全問題影響 ICCP在管道工程中的應(yīng)用，是工程施工前必須考慮的主要問題。防護(hù)工程安全性與地床的類型以及工程參數(shù)有關(guān)，因此選取合適的類型、設(shè)計(jì)滿足安全規(guī)范要求的陽極地床至關(guān)重要。

柔性AG具有合理分配保護(hù)電流的作用，沿管道線鋪設(shè)，對極化電流有良好的導(dǎo)流效果，可使管道充分極化，但施工難度大，需沿管道開挖進(jìn)行 AG鋪設(shè)，途經(jīng)河流、湖泊、山川等施工成本會很高[9-10]。深井陽極對附近金屬構(gòu)架物的影響較小，跨步電壓 SV小，施工場地小，但成本高、難度大，且對地質(zhì)狀況要求高，設(shè)計(jì)施工前需要進(jìn)行地質(zhì)勘查[11]。水平連續(xù)焦炭屑陽極，具有施工方便、投資小的優(yōu)點(diǎn)[12]，適合長距離埋地管道的保護(hù)，但由于保護(hù)電流較大，地床附近的跨步電壓SV很大可能會導(dǎo)致人員傷亡，因此采用雙陽極地床(Double-AG)進(jìn)行分流降壓，大幅降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 防護(hù)工程完整性——管道首末端/缺陷區(qū)段

因管道首末端的絕緣效果受結(jié)構(gòu)材質(zhì)的影響，絕緣效果并不理想，加上管道閥門浸于水中，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流損失，削弱管道陰極保護(hù)效果[13]。另外，浸水條件下由法蘭連接的非陰極保護(hù)管道與異側(cè)管道的電位差會形成嚴(yán)重的電偶腐蝕，破壞非陰極保護(hù)側(cè)管道。為了消除以上不利因素，在非陰極保護(hù)側(cè)管道上采用 SACP，以降低管道電位，減少保護(hù)電流的損失。

考慮鋪設(shè)路徑會經(jīng)過鐵路、河流等易產(chǎn)生電偶腐蝕和濃差腐蝕的區(qū)段，這些區(qū)段的腐蝕會率先發(fā)生，腐蝕程度也最惡劣，更重要的是腐蝕往往從這里開始，逐漸擴(kuò)大，嚴(yán)重會導(dǎo)致管道開裂破損，破裂會影響陰極保護(hù)電流的通過。而當(dāng)陰極保護(hù)電流從保護(hù)層破損處流出，不管電流是否回到管道，都會在電流流出位置造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，從而加重腐蝕程度。為了降低腐蝕對管道線路的影響，對易腐蝕區(qū)段的管道采取 SACP，并安裝測試樁，通過測試樁監(jiān)測易腐蝕區(qū)段的保護(hù)狀態(tài)，一旦保護(hù)電位偏離正常范圍及時(shí)檢修，可避免因外加電流陰極保護(hù)失效而形成更嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。

4 結(jié) 論

①為了提高管道耐腐蝕性能，工程上通常采用ICCP或者 SACP的方式給管道提供防腐蝕保護(hù)。對服役中的長距離管道進(jìn)行檢測，能夠有效預(yù)防管道保護(hù)層的腐蝕。腐蝕再檢修工程中常常采用防腐涂層和 ICCP的雙重防腐保護(hù)，確保管道極化電位在有效范圍內(nèi)。

②電流屏蔽和陰極干擾是現(xiàn)階段外加電流陰極保護(hù)法在管道工程應(yīng)用中的兩大問題，脈沖電流法和排流法適用于解決電流屏蔽和陰極干擾問題。

③對于管道的腐蝕防護(hù)，鋪設(shè) Double-AG可以保證工程的安全性，在管道首末端連接處以及缺陷區(qū)段進(jìn)行防腐蝕處理可以保證工程的完整性，從而提高防護(hù)質(zhì)量。