埋地管道的阴极保护技术及展望

前言

随着我国国民生产生活水平的不断提高，石油天然气的需求量不断加大。目前石油天然气资源的输送主要依靠长距离埋地管道来实现，管材一般为钢材。由于长输管道均采用埋地方式铺设，穿越地区的地理形态往往十分复杂，而且土壤对管道有着不同程度的腐蚀。管道一旦发生漏损状况可能会产生严重的后果。所以，及时的监测管道的腐蚀情况并采取合理有效的防腐措施，对延长管道的使用寿命，维持管道的安全运行，有着十分重要的意义。

埋地管道往往受到外部土壤和内部介质的双重腐蚀，目前公认的办法是采用管道内外壁防腐涂层同时施加阴极保护的方法[1]。涂料涂层作为腐蚀控制的第一道防线，其作用是将金属管体与具有腐蚀性的土壤环境隔离，同时为附加阴极保护的措施提供必要的绝缘条件；阴极保护的目的是对涂层缺陷处的金属管体提供电化学保护。

一、阴极保护技术

阴极保护从20世纪30年代开始应用于管道，经过长期的发展，该技术在中国的应用也已经有了五十多年的历史。阴极保护是利用腐蚀电池的原理，将需要保护的金属结构作为阴极，通过阳极向阴极不间断地提供电子给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。实现这一目的主要有两种方法，牺牲阳极法和外加电流法[2]。绝大多数管道工程采用了外加电流保护的方式，也有部分管道工程或部分管段采取了牺牲阳极保护的方式。

1.牺牲阳极法

牺牲阳极法是在金属构筑物上连接或焊接比被保护金属电位更负的金属或合金，使其释放电流，供给被保护金属使之阴极极化，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下，从而实现保护。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆·米）的金属结构，如城市管网、小型储罐等。

设计牺牲阳极阴极保护系统时，一要严格控制阳极成份，阳极成份达不到规范要求，容易导致牺牲阳极阴极保护失败。选择牺牲阳极材料，必须能满足以下要求[3]：①要有足够负的稳定电位；②自腐蚀速率小且腐蚀均匀，高而稳定的电流效率；③电化学当量高，即单位重量产生的电流量大；④工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；⑤腐蚀产物不污染环境，无公害；⑥材料来源广，加工容易，价格低廉。

2.外加电流法

外加电流法是将被保护金属与外加电流负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地电池中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子的氧化反应，使腐蚀受到抑制。它由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆所组成。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如长输管道、大型罐群等。

直流电源是外加电流的动力源，它的基本要求是稳定可靠，能长期连续运行，适应各种环境条件。常用的直流电源有：整流器、恒电位仪、恒电流仪、热电发生器（TEG）、密闭循环蒸汽发电机（CCVT）、太阳能电池、风力发电机、大容量蓄电池等。

二、阴极保护的应用条件

为了能够建立起连通的电路，腐蚀介质必须是导电材料。被保护的金属材料在所处的介质中容易进行阴极极化，否则会导致耗电量大，不宜进行阴极保护。对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑其几何上的“屏蔽作用”，防止保护电流的不均匀性。为了降低保护电流密度，要采用覆盖层绝缘，为防止电流的流失还要将保护构筑物与非保护构筑物进行电绝缘。

三、阴极保护技术的发展方向

阴极保护技术作为当前最有效的防腐措施，在国内石油公司很受重视。但是与国外的发展情况相比较，还是有一定的差距。

1.测试方法的改进

管道阴极保护状况测试、评价方法、手段及设备落后。采用-0.85 V作为阴极保护有效电位判据，已经难以应对复杂的外界条件引起的腐蚀。在通电状态下进行管道阴极保护电位测试，土壤中存在阴极保护电流，用地表参比法所测得管地电位中包含有IR降成份，难以对管道保护效果进行有效的评价，从而导致部分管道局部管段处于欠保护状况。

2.数值计算应用的深入

随着计算机的普及和广泛应用，数值计算已经广泛应用于现代工程中。数值计算方法来研究阴极保护体系的电位分布问题，有着巨大优势，数值模拟计算可以提供例如电位、电流密度的分布规律和电能消耗等应用中需要的设计参数，预测涂层性质的变化和杂散电流的干扰作用等各种因素对阴极保护系统的影响，可以确定阳极种类、形状、数量、位置等参数，评价保护效果，优化阴极保护方案。

3.应用领域的拓宽

国内的阴极保护主要用于油气管道方面，对于有些领域重视不够，如混凝土管和大型基础的保护，城市供水供气管道等。随着城市管网布局的逐步完善和国家对基础设施建设力度的不断加大，阴极保护技术应向这一方向发展

4.石油行业体系标准的健全

目前国内的石油行业已基本形成自己的标准体系，但和国外的行业标准如NACE、DIN等相比，在测量技术、交直流标准方面还存在争议，还需要进一步研究确定。

四、结束语

阴极保护作为防止埋地管道腐蚀的重要措施，已经得到了广泛的认同，基本可以做到与管道同步设计、施工、投产，因而长输管道的寿命在可以能保证在30年以上。通过不懈的技术研究和探索，我国的阴极保护水平已经有了快速的提高，但是仍然要注意眼下的不足，本着降低损耗，提高效率，增加经济效益的基本原则，不断完善阴极保护技术。

参考文献

[1]赵富贵.阴极保护系统在罐区和长输管道中的应用.油气储运.2004，23（8）31～33.

[2]吴荫顺、曹备.阴极保护和阳极保护：原理、技术及工程应用.中国石化出版社.2007.

[3]胡衍利. 牺牲阳极保护法在天然气管道防腐中的应用.SILICON VALLEY.1871-7607（2010）1220121-01.