長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題探討

蒲鎮(zhèn)東

（中國(guó)石油管道有限責(zé)任公司西部分公司， 新疆 烏魯木齊 830012）

陰極保護(hù)技術(shù)在長(zhǎng)輸管道中已獲得廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)輸管道腐蝕防護(hù)采用防腐層加陰極保護(hù)系統(tǒng)的做法[1]。管道施工和運(yùn)行中防腐層存在漏點(diǎn)損傷，陰極保護(hù)系統(tǒng)向管體施加保護(hù)電流，管-地電位產(chǎn)生負(fù)向極化，實(shí)現(xiàn)管體保護(hù)。長(zhǎng)輸管道主要應(yīng)用強(qiáng)制電流法，犧牲陽(yáng)極法用于高寒特殊環(huán)境或提供輔助保護(hù)。目前應(yīng)用范圍已從長(zhǎng)輸管道發(fā)展至油氣站場(chǎng)、油庫(kù)、燃?xì)夤芫W(wǎng)，形成區(qū)域性陰極保護(hù)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)在工程領(lǐng)域的實(shí)踐研究。未來(lái)幾年我國(guó)油氣管道、高壓電網(wǎng)、鐵路公路發(fā)展迅速，對(duì)管道設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提出了更高要求。鑒于此，本文分別從陰極保護(hù)準(zhǔn)則、數(shù)值模擬技術(shù)、陰極保護(hù)設(shè)備和陰極保護(hù)管理等方面，介紹了國(guó)內(nèi)外管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀。結(jié)合我國(guó)管道的管理特點(diǎn)和需求，對(duì)未來(lái)管道陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

陰極保護(hù)準(zhǔn)則是指導(dǎo)管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)管道保護(hù)效果的準(zhǔn)則，GB/T 21447-2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》規(guī)定的準(zhǔn)則是保護(hù)電位（無(wú)IR降）應(yīng)負(fù)于-0.85V，限制臨界電位不應(yīng)負(fù)于-1.2V；如上述準(zhǔn)則無(wú)法滿足，也可采用陰極電位負(fù)向偏移100mV的準(zhǔn)則。從我國(guó)長(zhǎng)輸管道應(yīng)用情況看，存在著下列問(wèn)題：

（1）陰極電位負(fù)向偏移準(zhǔn)則不適用溫度高于40℃的環(huán)境，我國(guó)慶鐵四線、鐵錦線、鐵撫線采用加熱輸送工藝出站溫度均高于40℃，部分輸氣管道出站段也高于此溫度。因此應(yīng)開(kāi)展高溫油氣管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則適用性研究。

（2）交直流干擾陰極保護(hù)準(zhǔn)則。隨著我國(guó)電力交通行業(yè)發(fā)展，長(zhǎng)輸管道與輸電線路、電氣化鐵路采用“公共管廊帶”成為普遍做法，管道受到輸電線路、電氣化鐵路的交直流干擾日益嚴(yán)重，管道處于加速腐蝕狀態(tài)，上述傳統(tǒng)的陰極保護(hù)準(zhǔn)則并不適用。GB/T 21447提出按照干擾電壓15V進(jìn)行判定。在低電阻率土壤采用電流密度判定，以及在高電阻率土壤采用干擾電壓評(píng)估，均存在局限性。目前國(guó)際上對(duì)于交流干擾腐蝕的產(chǎn)生、減緩機(jī)理的研究還不夠深入。較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是，應(yīng)使用多種指標(biāo)（電壓、電流、電流比值和土壤電阻率等）對(duì)交流腐蝕可能性及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[2]。

2 陰極保護(hù)數(shù)值模擬

隨著電化學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)輔助陰極保護(hù)設(shè)計(jì)成為發(fā)展趨勢(shì)，例如進(jìn)行船舶、海洋平臺(tái)和近海立柱等結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)。研究方法是建立管道-土壤-陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模型，測(cè)試管材試樣極化曲線，采用差分、有限元或者邊界元等算法求解電磁場(chǎng)方程組，得到管道沿線電位分布情況。利用數(shù)值模擬技術(shù)還可以對(duì)管道防腐層漏點(diǎn)的面積進(jìn)行分析，評(píng)估防腐層整體性能，制定科學(xué)、合理的管道防腐層修復(fù)方案[3]。英國(guó)BEASY公司開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)腐蝕和陰極保護(hù)模擬軟件BEASY，即采用邊界元法，軟件適用范圍、計(jì)算精度、速度也在不斷完善中。數(shù)值模擬存在的問(wèn)題是試驗(yàn)測(cè)試管材極化曲線不能真實(shí)反映土壤復(fù)雜多變特性，數(shù)值模擬精度需提高；針對(duì)站場(chǎng)工藝設(shè)施復(fù)雜構(gòu)件模擬，幾何模型和邊界條件需進(jìn)行較大程度簡(jiǎn)化。

3 陰極保護(hù)設(shè)備

陰極保護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備是電源（恒電位儀），國(guó)外也稱之為電源（整流器），二者在功能和技術(shù)水平上基本相同。國(guó)內(nèi)大部分管道進(jìn)行陰極保護(hù)通電電位測(cè)試，較少測(cè)試斷電電位。通電電位包括土壤IR降，不能反映管道真實(shí)保護(hù)情況，特別是防腐層破損嚴(yán)重的管段。電流同步中斷電位測(cè)量技術(shù)解決了陰極保護(hù)通（斷）電電位測(cè)量，包括時(shí)鐘同步電流中斷器和電位采集器。從應(yīng)用效果看，電流中斷器的周期性中斷恒電位儀電流輸出，測(cè)試中產(chǎn)生階躍性電壓、電流峰值變化，中斷時(shí)間差異對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，對(duì)恒電位儀也產(chǎn)生損害。研發(fā)新型的管道陰極保護(hù)通（斷）電電位測(cè)量?jī)x器是發(fā)展方向。另一方面，管道存在交直流干擾情況下，無(wú)法應(yīng)用電流中斷電位測(cè)試技術(shù)。國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)PRCI提出使用試片法進(jìn)行電位測(cè)量[4]，基本原理是試片可等同于管道上相同面積防腐層漏點(diǎn)的陰極保護(hù)特性和保護(hù)效果，實(shí)施方法是通過(guò)測(cè)試樁連接管道與試片，切斷管道和試片瞬間測(cè)試電位。

自動(dòng)測(cè)量和傳輸是陰極保護(hù)技術(shù)和數(shù)字化管道的發(fā)展方向。目前國(guó)外管道通過(guò)集成衛(wèi)星時(shí)鐘同步技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和陰極保護(hù)測(cè)量技術(shù)，研發(fā)集成式陰極保護(hù)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)發(fā)了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，在陜京管道、廣東大鵬液化天然氣管道進(jìn)行了應(yīng)用。集成式陰極保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和陰極保護(hù)裝備三個(gè)層級(jí)，具備下列功能和特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電位及交流電壓的自動(dòng)測(cè)試和實(shí)時(shí)傳輸，滿足管道腐蝕和干擾監(jiān)測(cè)要求，通過(guò)分析電位和干擾電壓分布，了解和掌握管道干擾腐蝕情況，防腐層狀況和保護(hù)效果，從根本上提高陰極保護(hù)裝備技術(shù)及管理水平。

（2）減少了人員工作量，消除人為操作影響因素，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理高效。

（3）根據(jù)后續(xù)需求擴(kuò)展其他監(jiān)測(cè)功能，例如溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)。

圖1 集成式陰極保護(hù)系統(tǒng)

4 陰極保護(hù)管理

管道分公司推行了陰極保護(hù)斷電電位測(cè)試做法，較真實(shí)代表了管道保護(hù)狀況，調(diào)研近8000km長(zhǎng)輸油氣管道陰極保護(hù)電位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。仍存在部分管段不滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則的情形，對(duì)于已廣泛應(yīng)用的FBE和3LPE高性能防腐層管道，主要風(fēng)險(xiǎn)因素是過(guò)保護(hù)，原因是部分管道防腐層施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，存在漏點(diǎn)，造成較大電流損失，為保證其他管段保護(hù)效果，恒電位儀輸出電流過(guò)高。

表1 管道陰極保護(hù)電位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) （%）

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采用石油瀝青防腐層管道存在交直流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的管段約5%，采用FBE和3LPE高性能防腐層管道存在交直流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的管段約20%，可以預(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管道快速發(fā)展，應(yīng)在路由規(guī)劃階段加強(qiáng)與電力交通部門的協(xié)調(diào)，在設(shè)計(jì)階段采取排流措施，在日常管理運(yùn)行中加強(qiáng)干擾電位監(jiān)測(cè)工作。

5 結(jié)論和建議

可以預(yù)見(jiàn)，陰極保護(hù)技術(shù)在控制管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。陰極保護(hù)與其他學(xué)科交叉滲透，已形成高新技術(shù)的新局面。為保障管道運(yùn)行安全，提高管道管理水平，建議如下：

（1）結(jié)合我國(guó)加熱輸送管道特點(diǎn)，建立高溫運(yùn)行管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則。

（2）使用多種指標(biāo)（電壓、電流、電流比值和土壤電阻率等）的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

（3）建立真實(shí)環(huán)境管材極化曲線測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，提高陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算精度。

（4）針對(duì)存在交直流干擾腐蝕的管道，推薦采用試片法代替中斷電流法測(cè)試斷電電位。

（5）推廣應(yīng)用陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，提高管道數(shù)字化水平。

（6）加強(qiáng)FBE和3LPE高性能防腐層管道的施工質(zhì)量監(jiān)管和定期檢測(cè)工作，保證防腐層系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 劉國(guó)勝. 陰極保護(hù)在埋地天然氣管道中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2008，27(1)：71+73.

[2] 郝宏娜，李自力，衣華磊，等. 能源公共走廊內(nèi)管道交流干擾腐蝕判斷準(zhǔn)則[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31(4)：283-288.

[3] 郝宏娜，李自力，王太源，等. 非均勻土壤中陰極保護(hù)電位數(shù)值模擬計(jì)算[J].化工機(jī)械，2012，39(4)：494-496.

[4] 王新華，陳振華，何仁洋. 埋地鋼質(zhì)管道交流干擾測(cè)試與評(píng)價(jià)[J].腐蝕與防護(hù)，2011，32(1)：66-70.