外加电流阴极保护技术在输油管道中的应用及效果评价

刘晓龙 刘 凯 董炳群 巩 涛 孙 超 马光皎

（1.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东 青岛 266071；2.青岛海业油码头有限公司，山东 青岛 266599）

0 概况

管道运输已经成为继海洋运输、铁路运输、公路运输和航空运输之后的第五大运输方式，管道运输不仅运输量大、连续、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。因此，管道的安全可靠输送是关系国计民生的重大问题。通过大量的管道失效事故分析研究表明：腐蚀是管道发生安全事故的重要元凶，保障管道安全必须要做好管道的腐蚀控制，而正确认识腐蚀现象、腐蚀危害和规律是做好腐蚀控制的基础[1-3]。

青岛海业油码头有限公司长输管线线路由海业码头油库区至阳鸿卸油区，共两条输油管线，分别为管线1212以及管线1211，管道总长度为5.94km（含架空），其中埋地管道长度约为3.5km；管道的设计压力1.6/2.5MPa，设计温度50℃，设计材质为L290/L245，管道的规格为Ф711×7.9mm，管道整体采用环氧粉末防腐/聚氨酯泡沫塑料黄夹克保温层作为外防腐层。经专业评估机构于2017年12月份对输油管道进行了防腐层完整性检测以及阴极保护状况评估工作，发现该管道埋地部分管段防腐层较差、且管道未有阴极保护。

海业-益佳阳鸿原油管道所经区域属黄土土壤，土壤含水率在10%～20%之间，土壤pH值在7.0～8.5之间，呈弱碱性，地表土质疏松，地表土壤电阻率在 80Ω.m左右，地表土层深约10m，土层下为风化岩石层。此外，由于本管线处于石化库区，必不可免的会与其他输油、输气管线、消防及供水管道在部分地段并行或交叉敷设，当其他埋地管道存在阴极保护时，土壤中的电流在地下流动会对本管线产生腐蚀破坏作用，即管道还存在杂散电流干扰问题。

通过上述对管道进行的前期调研及研究发现，管道会存在较为严重的腐蚀问题，对管道进行保护显得尤为重要，而针对在役管道施加外加电流阴极保护是最有效、最经济的方式，也是在埋地管道腐蚀与防护领域应用范围最广、发展前景最好的技术。

1 阴极保护机理简介

阴极保护分为外加电流法和牺牲阳极法两种，外加电流法是指通过外加直流电源及辅助阳极，电流经辅助阳极发散到大地中，电流从大地流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境，从而起到管道保护的作用。牺牲阳极法是指将电位更负的金属（铝、锌、镁及其合金等）与被保护金属连接，并处于同一电解质中，电位较低的金属上的电子会通过导线转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于较负的电位下，起到管道保护作用[4,5]。

阴极保护对管道的保护原理可以通过腐蚀极化图来表示，如图1所示。其中，，分别为管道金属在电解质（土壤、水等）中腐蚀原电池的阴极平衡电位和阳极平衡电位。至N、至Q分别为腐蚀原电池的理论阴极极化曲线、理论阳极极化曲线，二者相交于S，该点对应的电位、电流则为金属的腐蚀电位Ec和腐蚀电流Ic。图1中Ec至N、Ec至Q曲线分别为腐蚀原电池实测的阴极极化曲线和阳极极化曲线。当外加阴极电流为I1时，金属的电位由E_c降低至E1，此时腐蚀原电池的阳极腐蚀电流为Ia1和阴极电流为Ik1，此刻金属得到了保护。同样的，将外加阴极电流增加至I2，此时金属电位降低至，腐蚀原电池的阳极腐蚀电流降为零，外加电流I2将全部用于去极化剂的阴极还原，阳极管道金属不会再发生失电子，管道得到了完全保护[6]。

图1 腐蚀极化图

2 阴极保护设计

由于1211和1212管线路由条件复杂，部分管段处于马路下方，并多处与第三方管线交叉和伴行，沿线开挖难道大，管道沿线土壤电阻率大于50 Ω.m，因此不适宜采用牺牲阳极保护，需采用外加电流的方式对管道进行保护。

为了更加全面地了解被保护管道的施加阴极保护所需的电流值大小，对该管道进行了馈电实验。在益佳阳鸿院内选择1211和1212线的跨接连通管作为试验通电点，以废弃埋地市政污水钢制管（裸管）作为阳极地床，通过整流器施加5.8A电流后，测量沿线管道电位变化，其电位记录如表1所示。

表1 馈电实验电位记录

通过电位记录表可以看出，在通电点施加5.8A直流电流后，对沿线管道电位影响变化不大，在益佳阳鸿罐区测量电位负向偏移。现场交流发现，管道在海业、中燃及益佳阳鸿院内原油管道上存在大量的接地，且接地与厂区内接地网连接在一块，导致阴保电流通过接地网流失。

为了更加有效的实施阴极保护技术，需将该两条管线埋地段划分成相对独立的保护区域。该两条管线与其他管道的连接采用普通法兰连接方式，处于良好的电连接状态，在海业及益佳阳鸿内管道多处接地与整体房屋、罐区接地连接在一块。为了提高阴极保护效果，在不能更换成绝缘法兰，且无法更换绝缘垫片的情况下，建议采用为法兰安装绝缘螺栓套和绝缘法兰片的方式，增大被保护管线与外部区域管道的绝缘电阻；同时，切断管道接地与整体接地网的连接，以减少阴极保护电流的流失。

由于被保护的管线无法与外部管线实施非常良好的绝缘，且在管道中部有通往鸿润首站和油港罐区的支线，只在管道的一端设置阴保站可能会导致管线的另一端保护不足，因此，在管线两端各设置一个阴保站，采用大电流输出的恒电位仪：一个设置在青岛海业油码头有限公司院内，另一个设置在益佳阳鸿院内。

青岛海业地质条件多为后期回填区，在填层以下为风化岩石层。益佳阳鸿所属区域在地表以下也几乎全为岩石层。针对岩石层区域，每个阴保站采用多做阳极地床并联的方式降低接地电阻对管道进行阴极保护。

3 阴极效果评价

首先对海业及益佳阳鸿的绝缘法兰两侧进行电位检测，其中在益佳阳鸿端，阴极保护端和非保护端电位差距在0.6V左右，绝缘效果明显，且阴极保护段电位满足相关国标要求。海业端，经过接地拆除及管道附件拆卸后，在绝缘法兰两侧进行电位检测，测得电位-1.13V（长输管道段）和-0.87V（储罐段），储罐端是由于储罐罐底板存在外加电流保护，导致储罐电位较负，海业端绝缘效果可以为阴极保护提供良好的阻断整体罐区的作用，使得阴极保护电流更多的保护长输管道。

为了更加方便的测量外加电流技术对长输管道的保护情况，在长输管道支线处及管道上翻的地方分别安装了钢质测试桩，埋入长效参比电极。通过沿线电位测量，记录如表2所示。

表2 电位测量记录表

通过电位测量可以看出，整条管道的电位都在-1.1～-1.2V之间，根据GB21448-2017中的极化电位-850mV准则，当构筑物相对于铜/饱和硫酸铜参比电极的极化电位至少为-850mV时，就能达到充分保护，管道的腐蚀速率小于0.01mm/a[7]。

4 结语

通过对青岛海业油码头有限公司海业—益佳阳鸿原油管道沿线管道进行实地考察，系统分析介绍了海业—益佳阳鸿原油管道现行和维护情况，针对复杂的管道情况制定了可行有效的阴极保护方案，通过对管线沿途测试桩的保护电位测量可以发现，在阴极保护运行保护期内，管道保护电位符合-850mV准则，管道处于保护状态，在运营过程中输油管道外表面无腐蚀现象发生，表明将外加电流阴极保护技术应用于地质复杂、管道错综的输油管道的腐蚀防护中是积极可行的。

展望：为了更加精确掌握埋地输油管道的走向及防腐层质量，在后期运营维护过程中还可运用PCM等管道防腐层检测仪对输油管道的埋深、定位进行准确测量，补充了未知管线的位置、走向、埋深等信息，为管道的安全稳定运营提供了保障。