阴极保护在埋地钢质管道的应用

潘宗江 杨 威 韩 毅 张毅泽 胡 波 田 野

（1. 石油工业机械产品质量监督检验站，黑龙江 大庆 163316；2.华北油田质量安全环保监督中心，河北 任丘 062550）

0 引言

金属管道发生腐蚀，是金属的一种普遍的、不可逆的现象，绝大多数金属在自然界中以氧化物的形式存在，其结构及化学性能稳定，金属单质或其合金在自然界中的腐蚀结果，一般产物是其氧化物，可以说，金属合金的腐蚀是回归自然的过程。管道发生腐蚀，甚至穿孔泄漏输送介质，其危害很大；据中国工程院重大咨询项目调研报告，我国2014 年因管道腐蚀造成的经济损失达2.1万亿元，约占国内生产总值的3.34%。管道腐蚀所引发的事故不单会导致经济损失，更会造成水质、土壤、大气等严重的环境污染，甚至危害群众的生命安全，影响人民的正常生活和生产活动。阴极保护技术作为埋地钢质管道的一项有效的防护手段，为保护管道安全、延长管道服役寿命，对社会经济发展和人民生命财产安全提供有效保障，发挥着重要作用[1,2]。

1 阴极保护在我国管道行业的发展

经过多年来管道腐蚀与防护的广大从业者及研究人员的探索，使得阴极保护技术原理的研究以及配套产品服务的完善都有长足进步，随着新理论新技术新产品的不断迭代发展，专业性人才的培养受到关注，标准体系的日趋完善，使国内管道行业实施重大工程的能力、故障诊断水平、解决技术难题的能力都不断提升，行业整体的技术水平与国际先进水平的差距逐渐变小。伴随着国内经济的飞速发展，工业化建设的深入，都需要投入大量的基础建设，而敷设不同用途的管道更是重中之重；一大批重大的管道工程项目的上马也促进了阴极保护技术的进步和行业的发展，同时也对阴极保护技术的实施提出了更高的要求。

阴极保护技术是有效抑制埋地钢质管道腐蚀的方法，其技术发展迄今已有一百多年的历史，电化学保护技术也是国际公认的可靠有效的腐蚀防护技术，被广泛应用于不用环境介质中的金属构筑物的腐蚀防护。阴极保护技术在我国的长输管道中也得到广泛的应用，如西气东输管线、陕京线、以及大量的油气输送管网和各种长距离的供水管网中，不少城镇燃气管线也越来越多使用了该技术，工业生产企业厂区内的部分地下重要管线也采用阴极保护，特别是高压、高危的管道，阴极保护技术因其有效可靠而在埋地钢质管道的应用日发普遍。

2 阴极保护技术的原理及工程应用

阴极保护技术的基本原理是从腐蚀的化学变化出发，当对需要保护的金属补充大量的电子，使其表面达到电子过剩的状态，此状态下，金属本身的电子不容易失去，从而抑制了金属的氧化反应，避免或减弱腐蚀的发生。阴极保护的本质是为金属源源不断地提供电子，具体实施方法可分为强制电流法和牺牲阳极法。

强制电流法是利用了难以被腐蚀的导电材料作为辅助阳极，从简单的钢铁发展到石墨、高硅铸铁、磁性氧化铁、贵金属氧化物阳极等。在管道与辅助阳极之间，施加直流电源，电源正极接阳极地床，负极接被保护的管道，直流电流通过辅助阳极流入大地，经管道回流至电源处，如图1所示。保护电流使金属管道发生阴极极化，当管道的极化电位达到保护电位时，管道的腐蚀受到抑制。

图1

牺牲阳极法对管道的保护原理与强制电流的原理是一样的，其对管道的保护原理同样是提供足够的电子。牺牲阳极法是利用了两种金属在相同介质中表现的电位差，从而产生电流的效应，将电位比管道更负的金属或合金与管道相连，两者在土壤介质中便构成腐蚀原电池，依靠电位更负的金属不断溶解时发生氧化反应，从而为管道源源不断地提供电子。牺牲阳极的埋设和寿命，与土壤的电阻率有很大的关系，根据土壤环境的特性选择不同构成的阳极金属以及安装密度，确保牺牲阳极有足够强的电流输出和使用寿命，常见的牺牲阳极有镁阳极、锌阳极、锌镁合金阳极等。

牺牲阳极法，如图2所示。其最为突出的优点是成本低、维护简单、工程容易实现、可靠性强等特点，被广泛应用于各类的水下设施、船舶、钻井平台、采油平台等海洋基础设施的腐蚀防护，各大油田内，油井套管通常是使用深井牺牲阳极的方法，在套管旁设置阳极深井，将串状阳极放进井内，实验证明，此方法能够为套管提供良好的保护，工程实现简单，维护方便，符合油田的效益和实际需求，并且不影响其他地下金属构筑物。经研究表明，牺牲阳极的埋设深度往往是决定其保护效果的关键因素，原因是牺牲阳极的驱动电压来自于两种金属的电位差，当土壤介质的电阻和牺牲阳极与土壤介质的接触电阻较大时，保护范围将大大降低。因此，深埋阳极提供的保护效果明显好于浅埋 阳极。

图2

牺牲阳极的埋设设计，不仅需要关注材料的特性，还应该考虑埋设环境的腐蚀特征、阳极的极化速率、材料的电容量、最大寿命、更换周期等，只有正确设计和安装牺牲阳极，才能为管道提供行之有效的保护。

相对于牺牲阳极溶解活泼金属为管道提供电子的方式，强制电流的阴极保护方法是通过外接直流电源，为金属提供保护电流，使其极化。根据被保护对象的分布范围不同，分为独立体系和区域性阴极保护。区域的阴极保护，即某个区域范围内使用相同的阴极保护源，通常做法时将多根需要保护的管道连接起来，如常见的均压线，系统设置电流平衡装置，来平衡各管道的电流大小，此方法的特点是：使用一个电流源即可保护多个对象，包括管道和不同的金属构筑物，成本低；但因为需要保护的对象繁多，保护电流消耗大，对电路的负担的较大；地下金属结构错综复杂，容易形成杂散电流干扰，屏蔽问题突出且难以发现；后期调试整改难 度大[3]。

独立体系的阴极保护是指管道使用独立的阴极保护系统，包括独立的辅助阳极和独立的恒电位仪。这样做能很好解决的保护电流相互干扰的问题，使得保护电流更容易调节，但是造价昂贵，保护程度低。

两种阴极保护方式各有优缺点，实际工程中，应根据被保护对象所处的环境、被保护的范围、投入收益等情况，综合考虑保护方式的选择。一些较为复杂的情况下，两种阴极保护方法可同时使用，作为相互补充的手段，能为管道提供稳定的、可靠的保护效果。

3 杂散电流与阴极保护

城市化带来的密集的、庞大的轨道交通网络，伴随而来的时严峻的杂散电流威胁，近些年来，由于杂散电流的电解作用而腐蚀穿孔的案例越发增多，造成巨大的经济损失，杂散电流的危害，因其出现的隐蔽性、突发性、严重性都必须受到足够的重视。很多发达国家考虑到杂散电流问题带来的重大安全隐患，都高度重视这一科研课题，投入了大量的人力、物力和财力，相关的研究工作者进行了长期和深入的研究，关于杂散电流对管道腐蚀影响的研究得出，可以通过提高阴极保护系统的阴极电流输出来解决这一威胁。

一些杂散电流干扰的情况下，即使满足-0.850V的阴极保护标准，管线也可能发生腐蚀。杂散电流导致的金属腐蚀行为是一个较复杂的问题，不仅受杂散电流干扰电压、电流密度及阴极保护水平影响，还与土壤环境和防腐层缺陷大小等因素有关[4]。

CIPS是成熟的、常用的测量管道阴极保护效果的方法，该方法实现了管道阴极保护通电/断电电位测量。但当管线存在杂散电流干扰时，因测量过程中不能同时切断外部干扰电流，土壤中的杂散电流会形成大小各异的电压降，大小可以在几毫安至几百毫安以上，故使用CIPS技术不能测出准确的断电电位。此时，可以使用试片法进行电位测量，其基本原理：试片通过测试桩与管道相连，在断开试片与管道连接的瞬间，测得试片断电电位。经研究表明：试片阴极保护行为与管道上同等面积防腐层漏点阴极保护行为相同，即某特定面积试片阴极保护效果代表着管道上同等面积漏点阴极保护效果。因此，利用试片法也可以评价管道阴极保护效果[5]。

极化探头其将极化试片和参比电极组合在一起，通过使试片和参比电极的距离足够小，以此消除杂散电流对测量结果的影响。结果表明，与其他方法的测量结果相比，用极化探头法可以使电位测量误差最小。尽管目前行业内开发出许多不同类型、不同材质的极化探头，但是应用于复杂不同的工况中，依然暴露出一些问题，产品的寿命、性能、精度都有进一步提高的空间。