唐金鑫，鄭配(國家管網(wǎng)西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

管道運輸是運輸石油的主要方式，相比于其他方式而言，管道運輸成本低且更加安全高效。為了避免管道受到自然界及人為因素的破壞，我國往往采用埋地的方式敷設(shè)管道。但由于管道的材質(zhì)為鋼，在長期埋地的過程中，土壤中的腐蝕性物質(zhì)受毛細(xì)作用驅(qū)使會依附于管道表面，在水含量適宜的條件下，鋼鐵會發(fā)生電化學(xué)腐蝕[1-3]。

在20世紀(jì)，采用單一的防腐層往往無法對管道進(jìn)行有效保護(hù)。隨著科技的進(jìn)步，陰極保護(hù)聯(lián)合防腐層技術(shù)使得管道的腐蝕問題有效減緩。該聯(lián)合保護(hù)方法克服了單一方法存在的成本高、風(fēng)險大的問題[4]。目前，該聯(lián)合技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油管道的防腐工程中，但由于長輸石油管道沿線地形地貌多變，加上自然災(zāi)害等問題會引發(fā)土壤應(yīng)力問題，管道防腐層在第三方應(yīng)力的作用下容易發(fā)生破損及剝離等問題。防腐層的破損一方面使得管道鋼與外界直接接觸，另一方面也使得陰極電流無法為管道提供正常保護(hù)。由此引發(fā)的腐蝕問題也引起了諸多專家的研究。本文針對現(xiàn)行的陰極保護(hù)技術(shù)，分析了陰極保護(hù)技術(shù)的原理，對陰極保護(hù)準(zhǔn)則及參數(shù)進(jìn)行梳理，并基于目前研究的不足，對陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 陰極保護(hù)技術(shù)原理及分類

腐蝕的過程本質(zhì)上指的是金屬與外界發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過程。該過程的發(fā)生需要滿足幾個先決條件：首先，系統(tǒng)中需要存在陰陽極，其中陽極指的是失去電子而氧化的一端，陰極指的是得到電子而還原的另一端；其次，上述的陰陽極需要存在一定數(shù)值的電位差，只有這樣，電化學(xué)反應(yīng)才存在發(fā)生的動力；另外，上述陰陽極需要處于連通的電解液中，其中電解液指的是存在可以自由移動的各種活化離子的溶液；最后，為了確保離子及電子的流通，整個電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)是連通的。

當(dāng)滿足上述四個條件時，金屬會發(fā)生腐蝕。此時金屬表面電位達(dá)到金屬的自腐蝕電位，腐蝕不斷進(jìn)行。當(dāng)對金屬表面施加陰極保護(hù)電流時，其表面電位偏離原本的平衡電位，使得金屬腐蝕的進(jìn)程終止。陰極保護(hù)技術(shù)可以兩種方式，如圖1所示。

圖1 陰極保護(hù)技術(shù)

把需要保護(hù)的目標(biāo)金屬與電源系統(tǒng)的負(fù)極相通，電源直接對目標(biāo)金屬施加陰極保護(hù)電流使得金屬表面發(fā)生電位的負(fù)向偏移從而達(dá)到保護(hù)金屬的目的，這就是強(qiáng)制電流保護(hù)法的原理。該方法可以基于需要提供的電壓大小連續(xù)調(diào)控輸出電壓，保護(hù)方式可靠，受外界環(huán)境影響較小，保護(hù)周期長，但是對于工程量較小的項目而言，該方法的成本較高，施工過程較繁瑣且裝置需要維護(hù)，運營過程復(fù)雜。在一個電化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)中，發(fā)生陽極的一端往往自腐蝕電位較另一端偏正?；诖嗽恚瑢⒈槐Ｗo(hù)的目標(biāo)金屬與一個自腐蝕電位更負(fù)的金屬連接可使得目標(biāo)金屬作為陰極存在于系統(tǒng)中，有效抑制目標(biāo)金屬的腐蝕。常見的此類陽極金屬材料包括Zn、Mg、Al及三者的合金金屬。陽極金屬作為犧牲品被腐蝕消耗，從而對目標(biāo)金屬施加陰保電流。該方法施工簡單，不需要額外電源輸入，也不會對周邊的金屬材料產(chǎn)生干擾，維護(hù)費用低。但該方法電流輸出較不穩(wěn)定，需要經(jīng)常對保護(hù)效果進(jìn)行校驗與檢修。

2 陰極保護(hù)參數(shù)

2.1 保護(hù)電位

當(dāng)陽極腐蝕反應(yīng)停止或者反應(yīng)程度很小，此時施加于其表面的電位被稱作保護(hù)電位。當(dāng)保護(hù)電位施加在金屬表面時，其數(shù)值大小影響了保護(hù)性能的好壞。若保護(hù)電位過正，則金屬不能被完全保護(hù)，反之，保護(hù)電位過負(fù)，會引發(fā)陽極表面的析氫反應(yīng)，從而促使防腐層的剝離，給生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)損失。陰極保護(hù)電位的數(shù)值大小可以利用參比電極進(jìn)行測量，工程上往往采用Cu/CuSO4參比電極對陰極保護(hù)的通電及斷電電位進(jìn)行測量。然而，當(dāng)選用不同的參比電極時，保護(hù)電位的數(shù)值也會不同，表1為常見金屬的陰極保護(hù)最小電位數(shù)值。因此保護(hù)電位的測量結(jié)果需要著重說明所選用參比電極的類型。長輸石油管道表面的保護(hù)電位常常介于-0.85～-1.20 V之間(相對于Cu/CuSO4參比電極)。

表1 常見金屬的陰保電位最小值

2.2 最小保護(hù)電流密度

當(dāng)管道處于臨界保護(hù)狀態(tài)對應(yīng)的電流密度即為臨界電流密度(最小電流密度)。其與電位數(shù)值密切相關(guān)，陽極材料不同，其數(shù)值會發(fā)生相應(yīng)的改變。另外，陽極表面狀態(tài)、外界環(huán)境也會對其數(shù)值產(chǎn)生一定的影響[5]。

3 陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則

判斷長輸石油管道所處陰保狀態(tài)是否達(dá)到要求主要是依據(jù)長輸石油管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則。可以利用長輸石油管道的通電電位及斷電電位判斷其陰保是否處于良好狀態(tài)。具體評價方法為：當(dāng)長輸石油管道的陰保電位介于-850～-1 200 mV(CSE)時，則管道處于良好的被保護(hù)狀態(tài)；若上述條件無法實現(xiàn)，可依據(jù)IPL測量通斷電電位進(jìn)行保護(hù)效果的判定，當(dāng)管道斷電電位比管道自然電位差大于100 mV時，則管道處于良好的被保護(hù)狀態(tài)[6]。

目前，上述準(zhǔn)則已經(jīng)被長輸石油管道建設(shè)企業(yè)采納，得到了長足的發(fā)展。然而，該準(zhǔn)則仍然存在幾點不足。首先該準(zhǔn)則的適用溫度受限，當(dāng)石油管道的表面溫度大于40 ℃時，陰極保護(hù)無法再為管道提供有效保護(hù)，即陰極保護(hù)處于失效狀態(tài)?？紤]到我國的基本國情，我國長輸石油管道運行溫度往往高于45 ℃，使得陰極保護(hù)無法有效抑制管道的腐蝕。因此，對陰極保護(hù)溫度的適應(yīng)性方面應(yīng)展開系列研究。另外，管道與直流接地極往往同向敷設(shè)，當(dāng)接地極放電時，管道表面會發(fā)生電位偏移。目前常用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則沒有明確規(guī)定管道允許的電位偏移量。對直流接地極引發(fā)的管道干擾問題值得進(jìn)一步研究。另外，參考國外先進(jìn)的技術(shù)準(zhǔn)則，對我國的陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則進(jìn)行完善和發(fā)展具有重要意義。最后，在交流干擾下的陰極保護(hù)準(zhǔn)則需要進(jìn)一步完善。交流干擾主要是由于輸電線路會產(chǎn)生電磁場，影響管道上的電位分布，使得管道電位處于一種波動的周期狀態(tài)，從而使得陰極保護(hù)水平下降，管道的腐蝕明顯加劇。對于該方面的缺陷，國內(nèi)外均未提出有效的解決方法。

4 展望與結(jié)論

陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則對于有效指導(dǎo)現(xiàn)場安全、經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義，然而目前的長輸石油管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則存在諸多不足，包括適用溫度存在限制，沒有明確規(guī)定允許的電位偏移量及不存在交流干擾陰極保護(hù)準(zhǔn)則。因此，針對上述不足，開展陰極保護(hù)適用溫度的研究，拓展陰極保護(hù)的適用范圍，開展交直流干擾下管道上的電位偏移程度研究，定量描述干擾電位對于管道陰極保護(hù)電位的影響規(guī)律有利于提高我國陰極保護(hù)技術(shù)水平，保障我國長輸石油管道的安全運行。陰極保護(hù)技術(shù)體系需要進(jìn)一步完善與修正，要充分采納國外先進(jìn)經(jīng)驗及處理手段，結(jié)合我國長輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)的基本現(xiàn)狀，構(gòu)建合理的陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則。另外，目前，我國的技術(shù)裝備條件不夠完備，對陰極保護(hù)通斷電電位的測量儀器主要依賴進(jìn)口，沒有形成自身的核心技術(shù)，因此，我國應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)電位測量技術(shù)的開發(fā)與利用。

本文基于長輸石油管道陰極保護(hù)技術(shù)的原理和分類，對陰極保護(hù)技術(shù)的參數(shù)及準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)陰極保護(hù)主要通過對金屬施加陰極保護(hù)電流，使其發(fā)生陰極極化從而對金屬實行有效保護(hù)。陰極保護(hù)技術(shù)分為強(qiáng)制電流及犧牲陽極保護(hù)法，二者都是現(xiàn)場常用的陰極保護(hù)手段。

(2)保護(hù)電位和最小保護(hù)電流是陰極保護(hù)的重要參數(shù)，長輸石油管道的陰極保護(hù)電位應(yīng)當(dāng)處于-0.85～-1.20 V之間(相對于Cu/CuSO4參比電極)。

(3)陰極保護(hù)技術(shù)準(zhǔn)則是陰極保護(hù)技術(shù)的核心，目前常用的技術(shù)準(zhǔn)則仍然存在諸多不足。主要包括準(zhǔn)則的適用溫度受限，沒有規(guī)定允許的電位偏移量及交流干擾引發(fā)的陰極保護(hù)電位波動準(zhǔn)則缺失。