长输管道阴极保护技术关键问题探讨

蒲镇东

（中国石油管道有限责任公司西部分公司， 新疆 乌鲁木齐 830012）

阴极保护技术在长输管道中已获得广泛应用。长输管道腐蚀防护采用防腐层加阴极保护系统的做法[1]。管道施工和运行中防腐层存在漏点损伤，阴极保护系统向管体施加保护电流，管-地电位产生负向极化，实现管体保护。长输管道主要应用强制电流法，牺牲阳极法用于高寒特殊环境或提供辅助保护。目前应用范围已从长输管道发展至油气站场、油库、燃气管网，形成区域性阴极保护技术。随着计算机技术和数值模拟技术的发展，国内已开展阴极保护数值模拟技术在工程领域的实践研究。未来几年我国油气管道、高压电网、铁路公路发展迅速，对管道设计和安全运行提出了更高要求。鉴于此，本文分别从阴极保护准则、数值模拟技术、阴极保护设备和阴极保护管理等方面，介绍了国内外管道阴极保护技术现状。结合我国管道的管理特点和需求，对未来管道阴极保护技术发展方向进行展望。

1 阴极保护准则

阴极保护准则是指导管道阴极保护设计的依据，也是评价管道保护效果的准则，GB/T 21447-2018《钢质管道外腐蚀控制规范》规定的准则是保护电位（无IR降）应负于-0.85V，限制临界电位不应负于-1.2V；如上述准则无法满足，也可采用阴极电位负向偏移100mV的准则。从我国长输管道应用情况看，存在着下列问题：

（1）阴极电位负向偏移准则不适用温度高于40℃的环境，我国庆铁四线、铁锦线、铁抚线采用加热输送工艺出站温度均高于40℃，部分输气管道出站段也高于此温度。因此应开展高温油气管道阴极保护准则适用性研究。

（2）交直流干扰阴极保护准则。随着我国电力交通行业发展，长输管道与输电线路、电气化铁路采用“公共管廊带”成为普遍做法，管道受到输电线路、电气化铁路的交直流干扰日益严重，管道处于加速腐蚀状态，上述传统的阴极保护准则并不适用。GB/T 21447提出按照干扰电压15V进行判定。在低电阻率土壤采用电流密度判定，以及在高电阻率土壤采用干扰电压评估，均存在局限性。目前国际上对于交流干扰腐蚀的产生、减缓机理的研究还不够深入。较为公认的观点是，应使用多种指标（电压、电流、电流比值和土壤电阻率等）对交流腐蚀可能性及风险进行综合评价[2]。

2 阴极保护数值模拟

随着电化学理论和计算机技术的发展，数值模拟技术辅助阴极保护设计成为发展趋势，例如进行船舶、海洋平台和近海立柱等结构阴极保护工程设计。研究方法是建立管道-土壤-阴极保护系统的数值模型，测试管材试样极化曲线，采用差分、有限元或者边界元等算法求解电磁场方程组，得到管道沿线电位分布情况。利用数值模拟技术还可以对管道防腐层漏点的面积进行分析，评估防腐层整体性能，制定科学、合理的管道防腐层修复方案[3]。英国BEASY公司开发了世界上第一个腐蚀和阴极保护模拟软件BEASY，即采用边界元法，软件适用范围、计算精度、速度也在不断完善中。数值模拟存在的问题是试验测试管材极化曲线不能真实反映土壤复杂多变特性，数值模拟精度需提高；针对站场工艺设施复杂构件模拟，几何模型和边界条件需进行较大程度简化。

3 阴极保护设备

阴极保护系统的核心设备是电源（恒电位仪），国外也称之为电源（整流器），二者在功能和技术水平上基本相同。国内大部分管道进行阴极保护通电电位测试，较少测试断电电位。通电电位包括土壤IR降，不能反映管道真实保护情况，特别是防腐层破损严重的管段。电流同步中断电位测量技术解决了阴极保护通（断）电电位测量，包括时钟同步电流中断器和电位采集器。从应用效果看，电流中断器的周期性中断恒电位仪电流输出，测试中产生阶跃性电压、电流峰值变化，中断时间差异对测量结果造成影响，对恒电位仪也产生损害。研发新型的管道阴极保护通（断）电电位测量仪器是发展方向。另一方面，管道存在交直流干扰情况下，无法应用电流中断电位测试技术。国际管道研究协会PRCI提出使用试片法进行电位测量[4]，基本原理是试片可等同于管道上相同面积防腐层漏点的阴极保护特性和保护效果，实施方法是通过测试桩连接管道与试片，切断管道和试片瞬间测试电位。

自动测量和传输是阴极保护技术和数字化管道的发展方向。目前国外管道通过集成卫星时钟同步技术、计算机技术和阴极保护测量技术，研发集成式阴极保护系统（见图1）。国内相关单位开发了阴极保护数据远程传输系统，在陕京管道、广东大鹏液化天然气管道进行了应用。集成式阴极保护系统结构是数据管理系统、控制系统和阴极保护装备三个层级，具备下列功能和特点：

（1）实现阴极保护电位及交流电压的自动测试和实时传输，满足管道腐蚀和干扰监测要求，通过分析电位和干扰电压分布，了解和掌握管道干扰腐蚀情况，防腐层状况和保护效果，从根本上提高阴极保护装备技术及管理水平。

（2）减少了人员工作量，消除人为操作影响因素，数据准确可靠，数据存储管理高效。

（3）根据后续需求扩展其他监测功能，例如温度场监测、应力应变监测、位移监测。

图1 集成式阴极保护系统

4 阴极保护管理

管道分公司推行了阴极保护断电电位测试做法，较真实代表了管道保护状况，调研近8000km长输油气管道阴极保护电位统计数据，见表1。仍存在部分管段不满足阴极保护准则的情形，对于已广泛应用的FBE和3LPE高性能防腐层管道，主要风险因素是过保护，原因是部分管道防腐层施工质量不达标，存在漏点，造成较大电流损失，为保证其他管段保护效果，恒电位仪输出电流过高。

表1 管道阴极保护电位统计数据 （%）

统计数据表明，采用石油沥青防腐层管道存在交直流腐蚀风险的管段约5%，采用FBE和3LPE高性能防腐层管道存在交直流腐蚀风险的管段约20%，可以预见，随着我国长输管道快速发展，应在路由规划阶段加强与电力交通部门的协调，在设计阶段采取排流措施，在日常管理运行中加强干扰电位监测工作。

5 结论和建议

可以预见，阴极保护技术在控制管道腐蚀风险中将发挥关键作用。阴极保护与其他学科交叉渗透，已形成高新技术的新局面。为保障管道运行安全，提高管道管理水平，建议如下：

（1）结合我国加热输送管道特点，建立高温运行管道阴极保护准则。

（2）使用多种指标（电压、电流、电流比值和土壤电阻率等）的交流腐蚀风险评价准则。

（3）建立真实环境管材极化曲线测试数据库，提高阴极保护数值模拟计算精度。

（4）针对存在交直流干扰腐蚀的管道，推荐采用试片法代替中断电流法测试断电电位。

（5）推广应用阴极保护数据远程传输系统，提高管道数字化水平。

（6）加强FBE和3LPE高性能防腐层管道的施工质量监管和定期检测工作，保证防腐层系统处于完好状态。

◆参考文献

[1] 刘国胜. 阴极保护在埋地天然气管道中的应用[J].油气田地面工程，2008，27(1)：71+73.

[2] 郝宏娜，李自力，衣华磊，等. 能源公共走廊内管道交流干扰腐蚀判断准则[J].油气储运，2012，31(4)：283-288.

[3] 郝宏娜，李自力，王太源，等. 非均匀土壤中阴极保护电位数值模拟计算[J].化工机械，2012，39(4)：494-496.

[4] 王新华，陈振华，何仁洋. 埋地钢质管道交流干扰测试与评价[J].腐蚀与防护，2011，32(1)：66-70.