長(zhǎng)輸油氣管道有效陰極保護(hù)的幾點(diǎn)改善措施

曾昭成

中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

從近二十年美國(guó)管道和危險(xiǎn)材料安全管理局(PHMSA)發(fā)布的管道事故統(tǒng)計(jì)及近些年國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道事故相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)告可以發(fā)現(xiàn)：因腐蝕原因?qū)е碌氖鹿拾l(fā)生率呈逐年減少的趨勢(shì)，但經(jīng)濟(jì)損失和破壞后果卻并沒(méi)有減小。管道母材防腐技術(shù)的提升減少了腐蝕漏點(diǎn)，從而減少了管道泄漏事故，但管道在密集場(chǎng)所、高后果區(qū)敷設(shè)的比例增加了，一旦發(fā)生因腐蝕導(dǎo)致的管道泄漏事故，往往會(huì)造成更加嚴(yán)重的后果和損失。因此，對(duì)一些暴露出來(lái)的問(wèn)題，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、吸取教訓(xùn)。

2.陰極保護(hù)電位設(shè)定

碳鋼金屬與土壤接觸時(shí)，處于自然電位狀態(tài)的金屬將作為外加電流電化學(xué)保護(hù)回路的陰極，當(dāng)其電位負(fù)向偏移100 mV時(shí)，金屬與土壤電解質(zhì)界面上的雙電層剛好達(dá)到飽和狀態(tài)，即有效陰極保護(hù)的極化電位[1]。

國(guó)際上廣泛采用的NACE RP0169—2002《埋地或水下金屬管線系統(tǒng)外腐蝕控制的推薦作法》要求有效陰極保護(hù)遵循：① 通電電位-850 mV準(zhǔn)則；② 極化電位-850 mV準(zhǔn)則；③ 100 mV極化值準(zhǔn)則。

上述3個(gè)準(zhǔn)則適用于一般環(huán)境和特殊環(huán)境，其中的每項(xiàng)準(zhǔn)則都是對(duì)其前面準(zhǔn)則的補(bǔ)充或有效性的判定依據(jù)。

國(guó)內(nèi)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，在保護(hù)電位的規(guī)定方面與NACE RP0169—2002基本一致，但對(duì)不同的環(huán)境，其適用要求更加有針對(duì)性：

1)鋼質(zhì)管道及其設(shè)施裸露部位的金屬保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到極化電位或更負(fù)。

2)陰極保護(hù)狀態(tài)下的管道其極限保護(hù)電位不能比-1200 mV (硫酸銅參比電極CSE)更負(fù)，以避免損壞外防腐層的粘結(jié)力。

3)對(duì)于高強(qiáng)鋼(最小屈服極限大于550 MPa，即X52鋼級(jí)及以上)其保護(hù)電位應(yīng)比-850 mV (CSE)略正。高強(qiáng)鋼的極限保護(hù)電位應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的析氫電位來(lái)確定，以避免在防腐層相對(duì)薄弱的環(huán)焊縫產(chǎn)生氫致應(yīng)力開(kāi)裂。

4)在存在厭氧菌、硫酸鹽還原菌及其他有害細(xì)菌土壤或酸性土壤中，充分的陰極極化需要增大至200~300 mV，管道的陰極保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到-950 mV (CSE)或更負(fù)。

5)沙漠、戈壁和巖石等電阻率高、通氣良好的地帶，埋地管道的陰極保護(hù)電位宜適當(dāng)偏正。如在土壤電阻率100~1000 Ω?m的環(huán)境中，管道的保護(hù)電位宜負(fù)于-750 mV (CSE)；土壤電阻率大于1000 Ω?m的環(huán)境中，管道的保護(hù)電位宜負(fù)于-650 mV (CSE)。

6)當(dāng)管道輸送溫度高于60℃ (如高粘原油管道加熱輸送的出站段)時(shí)，充分的陰極極化應(yīng)增大至150~250 mV，管道的陰極保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到-900 mV (CSE)或更負(fù)。

7)在管道受雜散電流干擾的情況下，只要實(shí)際極化電位不低于-1200 mV (CSE)，即使檢測(cè)到的通電電位再負(fù)也是允許的。

8)當(dāng)以上指標(biāo)難以達(dá)到，且無(wú)雜散電流干擾、管道輸送溫度不高于60℃時(shí)，可采用100 mV極化準(zhǔn)則驗(yàn)證陰極保護(hù)的有效性，即極化和去極化電位差不小于100 mV。

3.極化電位測(cè)量

陰極保護(hù)通常使用恒電位運(yùn)行模式，將保護(hù)范圍內(nèi)管道及其設(shè)施期望達(dá)到的保護(hù)電位作為陰保電源輸出參數(shù)設(shè)定的依據(jù)[2]。陰保電源設(shè)備的輸出受被保護(hù)管道通電電位的反饋對(duì)比控制，通電電位由參比電極實(shí)時(shí)測(cè)量而得，一旦測(cè)量電位失準(zhǔn)，管道腐蝕保護(hù)的有效性大打折扣，甚至對(duì)管道產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。正確的極化電位測(cè)量取決于所使用測(cè)量方法的誤差和參比電極的功能是否正常。

3.1.有效的極化電位測(cè)量方法

理論上，極化電位測(cè)量是通過(guò)瞬時(shí)斷電電位測(cè)量而得，但實(shí)踐中受管線陰?；芈分嘘幈ｋ娫赐酵〝唷㈦s散電流、犧牲陽(yáng)極、連接管線的鍍鋅扁鋼接地等因素的影響，該方法基本不可能實(shí)現(xiàn)。目前常用的埋地參比電極由于受測(cè)量回路中陽(yáng)極地床與管道外防腐層泄漏點(diǎn)之間電壓場(chǎng)、土壤電阻、雜散電流的影響，測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差已經(jīng)嚴(yán)重影響到管線陰極保護(hù)的效果。為了克服不利影響因素，試片電位法和極化探頭法在近年得到推廣利用。

試片電位法是將一片與管道同材質(zhì)、與管道防腐層破損點(diǎn)面積相仿的無(wú)涂層鋼片連接到管道上，模擬管道防腐層破損點(diǎn)，以便于測(cè)量管道陰極保護(hù)的斷電電位。一般地段，建議每5~10 km設(shè)置一個(gè)；在有雜散電流影響的地段，可以每1 km設(shè)置一個(gè)。

如圖1所示，將試片埋置在陰保測(cè)試樁10~30 cm范圍內(nèi)，埋深、周?chē)寥琅c管道相同，通過(guò)安裝在測(cè)試箱里邊的通斷開(kāi)關(guān)連接到管道上，在試片正上方放置參比管(由一根高出地面30 cm左右、直徑100 mm、里邊填有壓實(shí)原土的塑料管構(gòu)成)，避免電位測(cè)試時(shí)受到雜散電流的影響。正常情況下通斷開(kāi)關(guān)處于連通狀態(tài)，測(cè)試時(shí)采用具有趨勢(shì)捕獲功能的萬(wàn)用表一端連接試片，一端連接放置在參比管內(nèi)的便攜參比電極，記錄開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間每隔5 ms的電壓值，繪制成曲線圖，在電壓變化曲線上找出試片的斷電電位，該電位代表附近管道上防腐層破損點(diǎn)處的極化電位。

實(shí)驗(yàn)表明，只要極化充分，且試片上的通電電位高于極化電位，不論管道陰保系統(tǒng)的通電電位變化幅度有多大，在相同條件下試片的斷電電位基本穩(wěn)定。

3.2.合格的參比電極

常用的參比電極為銅/飽和硫酸銅溶液濕式電極(CSE)，適用于土壤和淡水環(huán)境，其測(cè)量準(zhǔn)確度受硫酸銅溶液的飽和程度、溶液內(nèi)氯離子的污染、陽(yáng)光直射、低溫環(huán)境(低于25℃)的影響較大。其中在有氯離子存在的環(huán)境中影響尤其顯著，氯離子可滲透進(jìn)入硫酸銅溶液，導(dǎo)致CSE相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位負(fù)向偏移，如果以此為陰保電源輸出控制的依據(jù)，會(huì)導(dǎo)致管道的保護(hù)電位偏正，達(dá)不到極化狀態(tài)。

目前常用于陰保電源保護(hù)電位調(diào)節(jié)的長(zhǎng)效參比電極一般采用無(wú)涂層、可滲透的陶瓷罐內(nèi)芯，其優(yōu)點(diǎn)是和土壤環(huán)境接觸性好，但有易被壓碎、陶瓷滲透性逐漸減弱、硫酸銅溶液易流失、土壤中電解質(zhì)易進(jìn)入罐內(nèi)污染飽和硫酸銅溶液等缺點(diǎn)。在西北地區(qū)和中亞地區(qū)，地勢(shì)低洼處往往多鹽堿，雨季時(shí)地下水位高，一個(gè)埋地的長(zhǎng)效參比電極在經(jīng)過(guò)幾年后電位最多可負(fù)向偏移150 mV以上，由此可見(jiàn)長(zhǎng)效參比并不一定長(zhǎng)效。因此，用于陰保電源保護(hù)電位調(diào)節(jié)的參比電極，應(yīng)定期采用狀態(tài)良好的便攜式參比電極進(jìn)行測(cè)量校核，及時(shí)更換測(cè)量結(jié)果明顯漂移的長(zhǎng)效參比電極；在有氯離子存在且影響顯著的環(huán)境中，應(yīng)以銀/氯化銀電極(SSCE)替代長(zhǎng)期埋地的銅/飽和硫酸銅電極(CSE)。

4.站場(chǎng)內(nèi)陰保系統(tǒng)陽(yáng)極的安裝和維護(hù)

限于管道站場(chǎng)的特殊性，管道外腐蝕的防護(hù)效果在很大程度上取決于陰保系統(tǒng)陽(yáng)極的性能。

在長(zhǎng)輸管道壓氣站、輸油泵站和計(jì)量站等規(guī)模較大的站場(chǎng)，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)廣泛采用深井陽(yáng)極和柔性陽(yáng)極2種類(lèi)型，其優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)安裝和維護(hù)的要求很高。

4.1.深井陽(yáng)極

在深井陽(yáng)極投產(chǎn)后的最初幾年里，其性能表現(xiàn)一般都比較好，但隨著陽(yáng)極硅鐵塊的正常工作消耗和自腐蝕，陽(yáng)極對(duì)地電阻逐漸增大、電纜接頭腐蝕斷裂。在國(guó)內(nèi)西北、國(guó)外中亞、西亞、北非等降雨稀少的地區(qū)，土壤中富含氯化鹽、硫酸鹽等物質(zhì)，由于陰保系統(tǒng)工作時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)呈酸性，一旦停止?jié)菜S護(hù)，本來(lái)活化的硅鐵表面生成一層鹽膜，陽(yáng)極效率大幅衰減甚至報(bào)廢。

Figure 1.The measurement of polarized potential with test piece potential method圖1.試片電位法極化電位測(cè)試示意圖

深井陽(yáng)極一旦安裝完成，功能失效修復(fù)的可能性很小，應(yīng)重視其運(yùn)營(yíng)維護(hù)，做到：① 澆水排氣，采用淡水或經(jīng)過(guò)RO (reverse osmosis)去離子處理的淡化水，切勿使用鹽堿水或污濁水；② 定期測(cè)量陽(yáng)極對(duì)地電阻，掌握井內(nèi)濕潤(rùn)程度隨季節(jié)和氣候變化的規(guī)律，以確定合適的澆水頻率；③ 檢查連接電纜束在井口處的松緊程度，釋放因井內(nèi)填料沉降而繃緊的電纜[3]。

4.2.柔性陽(yáng)極

柔性陽(yáng)極幾乎不需要維護(hù)，但對(duì)安裝的要求非常嚴(yán)格，否則易發(fā)生自腐蝕斷裂。柔性陽(yáng)極是在銅纜上包覆含有碳粉的導(dǎo)電聚合物而構(gòu)成的連續(xù)性陽(yáng)極，作為陽(yáng)極通電時(shí)，碳粉被氧化消耗，如果電流集中在柔性陽(yáng)極的局部流出，長(zhǎng)時(shí)間在大電流下工作，該處碳粉快速消耗，電纜銅芯很快被腐蝕斷裂，導(dǎo)致斷裂部分柔性陽(yáng)極失效。

為了避免柔性陽(yáng)極自身結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的故障，在鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意：① 柔性陽(yáng)極與被保護(hù)管道和設(shè)施的距離應(yīng)均勻，尤其是經(jīng)過(guò)外防腐層漏點(diǎn)較多的較大埋地設(shè)備如污油罐、閥門(mén)時(shí)，應(yīng)保持柔性陽(yáng)極的線型平滑，避免局部過(guò)度靠近被保護(hù)埋地管道和設(shè)施而形成放電尖角；② 柔性陽(yáng)極以下的管溝回填土應(yīng)夯實(shí)，避免局部沉陷拽斷電纜銅芯或接頭[4]。

5.外部交叉或鄰近管線的陰保干擾

長(zhǎng)輸管道地域跨度大，不可避免與其他埋地管道、地下設(shè)施相互交叉，尤其是經(jīng)過(guò)城市和油區(qū)的管道，油、氣、水、電和通訊等公共設(shè)施共用通道或走廊，導(dǎo)致油氣長(zhǎng)輸管道很難與其他同樣受電化學(xué)保護(hù)的埋地設(shè)施相互獨(dú)立。

當(dāng)外部管道的陰保系統(tǒng)陽(yáng)極到其管道上裸露金屬之間的電阻大于外部陽(yáng)極經(jīng)過(guò)己方管道到達(dá)外部管道裸露金屬的電阻時(shí)，電流將從離外部陽(yáng)極最近的己方管道防腐層缺陷處流入，從己方管道與外部管道裸露金屬距離最近處流出，己方管道電流流出部位的電位偏正，可視作外部管道陰保系統(tǒng)陽(yáng)極的一部分而被腐蝕，原理如圖2所示。

Figure 2.The interference of cathodic current from external crossover or adjacent pipeline圖2.外部交叉或鄰近管線的陰保干擾

由外部管道或設(shè)施的陰保電流引起的腐蝕可以歸類(lèi)為雜散電流干擾，其影響可發(fā)生在整個(gè)管道系統(tǒng)全壽命周期的任何階段，最嚴(yán)重的可在短時(shí)間內(nèi)使管道腐蝕穿孔。

對(duì)于該類(lèi)危害，應(yīng)采取有效及時(shí)的預(yù)防和防治措施：

1)在管道規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)路由附近其他受電化學(xué)保護(hù)的埋地管道和設(shè)施了解詳盡，協(xié)調(diào)鄰近管道各方電化學(xué)保護(hù)方式或陰保系統(tǒng)陽(yáng)極的位置；

2)定期檢測(cè)全線保護(hù)電位，及時(shí)掌握管道沿線保護(hù)電位的變化狀況以及外部管道或設(shè)施的電化學(xué)保護(hù)狀況，對(duì)電位異常點(diǎn)的管段應(yīng)采用密間隔電位測(cè)量法(CIPS)找出外部干擾電流的流入點(diǎn)和流出點(diǎn)；

3)修補(bǔ)己方管道上電流流入處的裸露金屬防腐層，電流流出處的防腐層不宜修補(bǔ)，避免雜散電流集中于少數(shù)裸露金屬處流出，造成管道局部更嚴(yán)重的腐蝕穿孔；

4)在己方管道保護(hù)電位正向偏離超出正常值的地方(電流流出點(diǎn))安裝鋅陽(yáng)極進(jìn)行排流。

6.絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管線的腐蝕

站場(chǎng)與站外管道通常采用絕緣接頭進(jìn)行陰保隔離，如果站內(nèi)陰保系統(tǒng)陽(yáng)極至站外管道(非保護(hù)側(cè))防腐層缺陷處的電阻小于陽(yáng)極至站內(nèi)管道和設(shè)施(保護(hù)側(cè))防腐層缺陷處的電阻，則站內(nèi)保護(hù)電流會(huì)一部分流向非保護(hù)側(cè)，導(dǎo)致站內(nèi)的部分管道和設(shè)施得不到保護(hù)，而站內(nèi)陰保電流從非保護(hù)側(cè)管道防腐層缺陷處流入，沿絕緣接頭附近非保護(hù)側(cè)管線外側(cè)或管道內(nèi)輸送介質(zhì)從管道內(nèi)部流回站內(nèi)受保護(hù)的設(shè)施，造成絕緣接頭非保護(hù)側(cè)的外部和內(nèi)部腐蝕(圖3)。

Figure 3.The non-protective side corrosion of station insulation join圖3.站場(chǎng)絕緣接頭非保護(hù)側(cè)腐蝕

在管道設(shè)計(jì)上，站場(chǎng)一般選擇地勢(shì)比較高的位置，而站內(nèi)陰保系統(tǒng)的陽(yáng)極一般設(shè)置在地勢(shì)較低、土壤電阻率較小的位置，或者采用深井陽(yáng)極，如果站外管道經(jīng)過(guò)地勢(shì)較低的地方，且至站內(nèi)陽(yáng)極的電阻相對(duì)較小，則極有可能激發(fā)絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管線的腐蝕。

該類(lèi)型的腐蝕在站場(chǎng)陰保系統(tǒng)投產(chǎn)后或隨季節(jié)性氣候轉(zhuǎn)換而發(fā)生，如果不是有目的性地進(jìn)行檢測(cè)往往易被忽視，應(yīng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)期做到：① 正確選擇陽(yáng)極地床、深井陽(yáng)極的位置，或是將絕緣接頭設(shè)置在地面上，從源頭杜絕此類(lèi)腐蝕危害；② 在站內(nèi)陰保系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)和運(yùn)營(yíng)期，應(yīng)檢測(cè)絕緣接頭兩端的保護(hù)電位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電位變化趨勢(shì)，排除隱患[5]。

7.結(jié)語(yǔ)

腐蝕是影響管道系統(tǒng)可靠性及使用壽命的關(guān)鍵性因素之一，在管道腐蝕保護(hù)實(shí)施過(guò)程中，合理的設(shè)計(jì)、精心的施工、正確的檢測(cè)和及時(shí)的維護(hù)至關(guān)重要，尤其是一些隱蔽性強(qiáng)、容易被忽視，但危害很大的陰保功能缺陷或表觀假象應(yīng)引起足夠的重視。