外加电流阴极保护电流屏蔽与阴极干扰研究

尚兴彬，胡乃科，张守峰，张建宾，胡 威

(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071)

外加电流阴极保护是通过外接电源，在被保护体与辅助阳极之间建立导通电路，在外加电流的作用下实现对被保护体的阴极极化。在电流的作用下，辅助阳极电位向更正的方向偏移，产生阳极极化，同时使管道发生阴极极化，实现阴极保护。外加电流法具有驱动电压高，能够灵活控制阴极保护电流输出量的特点，是目前油气管道最主要的阴极保护方法［1］。然而，由于外加电流阴极保护在保护原理上的特点，在实际工程应用中，存在诸多问题，并以阴极保护电流的屏蔽、阴极干扰最为突出。随着国内外阴极保护理论与工程实际应用的不断拓展，诸多行之有效的阴极保护方法受到广泛关注，并对油气管道的腐蚀防控起到了重要作用。

1 阴极保护电流屏蔽

1.1 电流屏蔽的表现

对于金属管道，如果周围有绝缘层或金属结构存在，则阴极保护电流的流动会受到影响，继而导致该部分管段无法得到有效保护，从而形成阴极保护电流的屏蔽。阴极保护电流的屏蔽主要表现在以下两个方面［2］。

1.1.1 套管对阴极保护电流的屏蔽

在管道穿越公路、铁路，以及河流时，常常增设套管，以减小主管的受力而增强主管的安全性。对于该部分管道，在施工过程中，很容易造成防腐层的损伤，而阴极保护电流被外部套管、空气层阻断被完全屏蔽，不能起到任何作用，由此阴极保护电流被屏蔽(见图1)，主管道发生腐蚀的情况较为严重。

图1 套管对阴极保护电流的屏蔽示意

1.1.2 剥离防腐蚀层对阴极保护电流的屏蔽

剥离是管道防腐蚀层损伤的重要表现形态。当管道防腐蚀层同时发生破损与剥离，在防腐蚀层与管道金属基体之间构成的缝隙空间内，导电介质在缝隙空间内的流通受阻，导致缝隙空间内的电解质电阻相对较大，阴极保护电流很难通过缝隙环境到达金属基体，从而形成阴极保护电流的屏蔽，见图2。

图2 剥离防腐蚀层对阴极保护电流的屏蔽示意

此外，固定墩钢筋以及周边其他管道等金属结构都会对阴极保护电流产生屏蔽作用。

1.2 直流电流屏蔽解决方法

对于外加直流电流阴极保护的电流屏蔽问题，针对不同的表现形式，工程实际中的处理情况也不尽相同。其中，对于保护套管对金属管段产生的电流屏蔽作用，往往通过为穿越管段增加镯状或带状阳极的方式，施加额外的牺牲阳极阴极保护，见图3［3］。

图3 套管内主管阴极保护示意

而对于其他类型的直流电流屏蔽行之有效的解决方案鲜有报道。

1.3 脉冲电流法减小电流屏蔽

脉冲电流阴极保护(pulse cathodic protection，PCP)是一种将方向不变，强度随时间周期性改变的脉冲电流作为保护电流的阴极保护形式，现主要应用于油井套管系统。而现有的研究与实际应用表明，脉冲电流可以有效地减小电流屏蔽范围［4］226。脉冲电流减小电流屏蔽范围的基本原理在于较高脉冲电压可克服高欧姆电压力降;而在脉冲休止期，阴极反应中断，有可能防止氢气泡的形成［5］。脉冲电流在油井套管系统中的应用研究表明，脉冲电流具有更深的穿透性。因此，将其应用于油气管道的保护电流屏蔽区域，有效提高屏蔽区域内金属受保护的程度，从理论上看是可行的。D.A.Diakow 等［4］228采用两套相同的模拟缝隙装置，对比研究了直流和脉冲电流阴极保护的作用效果。研究发现，采用电容放电产生的脉冲作用时，缝隙中的保护距离与直流作用时相比有所延长，在实验条件下，由40 mm 增加至115 mm;同等保护状态下，脉冲系统比传统直流系统的电流需求要小7%～9%。F.Gan 等［6］也进行了模拟实验研究，实验表明，在开路电压一致的前提下，脉冲电流阴极保护与直流电流阴极保护的保护程度是一致的，然而脉冲电流阴极保护有效降低了电流和能量消耗，并能有效促进缝隙环境中的pH 值分布;此外，对于占空比为0.5 脉冲电流阴极保护，频率为1 Hz 时，保护效果要优于频率为10 Hz 时。

2 阴极干扰

2.1 阴极干扰的产生

当被干扰管道穿过大地中高电位区域时，被迫从大地中吸收某阴极保护释放的电流，导致管/地电位向负向偏移，容易引起管道过保护，甚至引起防腐蚀层阴极剥离;当被干扰管道穿越地电场低电位区域时，被迫释放电流或者管道阴极保护电流减小，导致管/地电位向正向偏移，容易引起欠保护，甚至管体腐蚀。

李丹丹等人［7］对西北某输油站的三条并行管道的阴极保护点位进行了现场测试和树枝计算分析，见图4。其中管道1 所施加阴极保护的干扰尤为明显;管道2 在距离阳极地床最近处，实测管/地电位达-1.76 V，有限元计算结果为-2.55 V。

图4 阴极干扰管道布局

2.2 直流电流阴极干扰解决方法

在工程实际中，对于受阴极干扰较为严重管段，需要采取直流排流的方法减小干扰。排流方法是用绝缘电缆将被保护管道与排流设备连接，再与杂散电流源负极(回归线)相连，从而将杂散电流引回杂散电流源的方法，该方法包括直接排流、极性排流、强制排流和接地排流4 种形式参照《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T 0017—006 标准执行。

2.3 脉冲电流法降低阴极干扰

脉冲电流阴极保护降低阴极干扰，世界范围内有不同的解释理论，其中动力学理论和趋肤效应理论被广为接受。动力学理论认为，脉冲时间小于氧化反应的发生的所需时间，因此，临近金属构筑物上会有电位偏移(干扰)发生，但是却引发金属腐蚀;而趋肤效应理论则认为，脉冲电流频率较高，因此，其只沿被保护金属的外表面流通，而不会影响临近的其他金属构筑物［8］16-17。

但是，对于脉冲电流阴极保护降低阴极干扰，仍没有得到很好地证实;同时也有不少实验研究表明，脉冲电流阴极保护降低阴极干扰也并非必然。

I.A.Metwally 等人［9］对图5 所示布局的受脉冲电流阴极保护的油井套管进行了阴极保护电流的测试与模拟计算，测试和计算结果均显示:当金属构筑物与电源或者阳极间的距离较近时(如图5 中套管D)，电流和电压分布与脉冲电源基本一致;而当距离增加，则电流和电压的分布愈来愈趋近于直流状态。由此可见，对于脉冲电流阴极保护，其保护效果好、阴极干扰小的优势，是有一定的区域范围的。

图5 脉冲电流阴极保护油井套管布局

汪世雷［8］37-47通过实验，对脉冲阴极保护的干扰进行了研究，阴极保护体系对未保护管道的干扰实验装置见图6。实验结果表明:在实验条件下，脉冲阴极保护体系对未保护体系、脉冲阴极保护体系与直流阴极保护体系都存在干扰，且干扰规律与直流电流阴极保护的规律一致;此外，脉冲阴极保护对与之联合使用的牺牲阳极没有干扰作用，这一点与直流电流阴极保护是不同的。

图6 实验装置示意

3 结论

通过对国内外直流电流和脉冲电流阴极保护实验研究与工程应用文献调研，得出以下结论:

(1)对于油气管道，外加电流阴极保护具有阴极保护电流屏蔽和阴极干扰等缺陷;

(2)对于直流电流阴极保护，可通过带状/镯状阳极增设牺牲阳极保护的形式，对电流屏蔽管段加以保护;通过直流排流的方式对周边金属构筑物进行阴极干扰防护;

(3)对于脉冲电流阴极保护，实验研究表明，在一定保护范围内，其在减小保护电流屏蔽和阴极干扰方面具有一定优势;但其理论基础和工程验证并不完善。

［1］尚兴彬.剥离涂层下X70 钢腐蚀行为与阴极保护效果研究［D］.山东:中国石油大学(华东)，2013.

［2］邱政权，冯洪臣，冯骅，等.管道阴极保护中的屏蔽问题［J］.石油和化工设备，2006(2):38-40.

［3］孙慧洁，王文化.套管对埋地燃气管道阴极保护电流屏蔽探讨［J］.煤气与热力，2014，34(4):4-6.

［4］邱于兵，郭稚弧，林汉同，等.脉冲电流阴极保护技术［J］.腐蚀科学与防护技术，2001，13(4):226-229.

［5］Galvele J R.Transport processes in passivity breakdown-II.Full hydrolysis of the metal ions［J］.Corros.Sci.，1981，21(8):551-579.

［6］F.Gan，Z.W.Sun，G.Sabde，et al.Cathodic Protection to Mitigate External Corrosion of Underground Steel Pipe Beneath Disbonded Coating［J］.Corrosion Engineering，1994，50(10):804-816.

［7］李丹丹，毕武喜，祁惠爽，等.交叉并行管道阴极保护干扰数值模拟［J］.油气储运，2014，33(3):287-291.

［8］汪世雷.脉冲阴极保护体系中牺牲阳极效果与干扰问题研究［D］.湖北:华中科技大学，2007.

［9］I.A.Metwallya，H.M.Al-Mandharia，A.Gastlia，et al.Stray currents of ESP well casings［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2008(32):32-40.