接地材料对埋地金属管道阴极保护效果及电流需求量的影响

姜子涛,杜艳霞,梁 毅,熊金根,孙冰冰

(1. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院腐蚀与防护中心，北京 100083；3. 中石油西部管道科技信息服务中心，乌鲁木齐 830000)

接地材料对埋地金属管道阴极保护效果及电流需求量的影响

姜子涛1,杜艳霞2,梁 毅2,熊金根3,孙冰冰3

(1. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院腐蚀与防护中心，北京 100083；3. 中石油西部管道科技信息服务中心，乌鲁木齐 830000)

通过室内模拟试验探讨了接地材料的极化特性及其对管道阴极保护电流需求量的影响，同时也研究接地极与管道的间距对管道极化电位的影响。结果表明：接地材料为接地模块、铜包钢、锌包钢时，体系对阴极保护电流的需求量依次降低，锌包钢作为接地材料的服役性能更优越。当接地极与试片的间距超过试样直径的5倍时，对试样极化电位基本不变，即对试样极化电位的影响可以忽略。

区域性阴极保护；接地；管道；阴极保护效果

油气站场接地系统可以有效地减轻雷击、静电以及感应电流等造成的危害。随着管道自动化控制程度的不断提高，油气站场接地系统规模愈加庞大，结构错综复杂。综合考虑降低各区域电位差异、优化接地系统及经济效益，站场内各系统间采用联合接地网已成为必然的趋势[1-4]。美国、巴基斯坦等地都报道过与站场接地网相连的管线发生腐蚀泄露的案例[5-7]。在我国，站场接地系统大量采用铜和接地模块，这些接地材料是否会对站场的区域阴极保护系统造成影响，增大管道的腐蚀风险，值得关注。

目前，国内外已经开展了一些有关接地材料对管道腐蚀行为影响规律的研究。Romanoff[8]认为，铜虽然具有良好的导电性，但是可能带来相邻钢质结构物的腐蚀问题。Housk[5,9]指出，为克服铁和铜的电位差异，必须向管道施加足够的阴极保护，以免管道发生腐蚀。此外，为了确保阴极保护的有效性，管道与铜接地极应保持合理的距离。E.L.Kirkpatrick[10]的研究表明,当接地系统与管道直接电连接时，会对管道的阴极保护系统产生严重的影响，阴极保护电流的需求量会增大20多倍。Bladholm[11]和Ghesquiere[12]分别研究了铜在土壤模拟溶液中的极化行为。结果表明，铜在不同溶液中的极化电流各不相同。闫爱军[13]等研究了不同接地材料在土壤中的腐蚀行为。结果发现，铜的腐蚀速率最低，Q235钢的腐蚀速率最高。聂新辉[14]等也得到类似的结论。Gummow[15]研究了不同接地材料在不同土壤环境中的极化行为，结果表明,土壤含氧量对极化电流的需求量有很大的影响。

尽管国内外围绕接地系统与阴极保护系统的电化学行为开展了部分研究，但是有关新型接地材料对管道阴极保护影响规律的研究较少，同时缺乏较大规模的模拟试验。本工作采用室内模拟试验和现场测试相结合的方法，研究了多种接地材料对管道阴极保护系统的影响规律，希望可以为阴极保护系统的优化设计提供参考。

1 室内模拟试验

1.1 试验材料及方法

将碳钢、铜包钢、锌包钢以及接地模块4种材料加工成10 mm×10 mm×3 mm的试样，其中碳钢用于模拟管道，铜包钢、锌包钢以及接地模块用于模拟油气站的接地系统。用导电胶将试样与导线进行电连接，随后用环氧树脂密封5个表面，留出一个10 mm×10 mm的工作面。用SiC砂纸将试样的工作面逐级打磨，再用去离子水和丙酮将其冲洗干净，冷风快速吹干，备用。

1.1.1 动电位极化曲线测试

测量三种不同接地材料(铜包钢、锌包钢、接地模块)以及碳钢在北京地区土壤中的极化曲线。极化曲线测试采用三电极体系，接地材料(或者碳钢)为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，Pt电极为辅助电极。选取的扫描速率为0.5 mV/s。测试结束后，将工作电极的电位值转化为相对于Cu/CuSO4(CSE)的电位值。

1.1.2 阴极保护电流需求量测量

阴极保护电流需求量测试在-1.0 V(vs.SCE)恒电位下采用三电极法进行，测量电路图如图1所示。碳钢与接地材料共为工作电极，碳钢与接地材料的间距为50 cm；饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，混合金属氧化物电极为辅助电极。试验过程中，参比电极靠近碳钢的表面，即碳钢表面的电位处于-1.0 V(vs.SCE)的恒定状态；通过电化学工作站监测使用三种接地材料(铜包钢、锌包钢、接地模块)时，碳钢电位达到-1.0 V(vs.SCE)所需的阴极保护电流随时间的变化。阴极保护电流需求量测试在

图1 阴极保护电流需求量测量电路图Fig. 1 The circuit diagram for measurement of cathodic protection current demand

北京地区土壤中进行。

1.1.3 不同间距下接地材料和碳钢极化电位测量

在无阴保条件下，接地材料与碳钢直接电相连形成回路，如图2所示。改变接地材料与碳钢的间距，监测接地材料与碳钢电连接20 min后两者的瞬间断电电位，即极化电位。电压表V1与参比电极RE1测量碳钢的断电电位，电压表V2与参比电极RE2测量接地材料的断电电位。试验中调节接地材料与碳钢的间距，使其分别为1，2，3，4，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 cm。

图2 极化电位测量电路图Fig. 2 The circuit diagram for polarization potential measurement

1.1.4 接地极-碳钢耦合体系混合电位的测量

图3 接地极-碳钢耦合体系混合电位的测量电路Fig. 3The circuit diagram of mixed potential measurement for coupling system of grounding material and carbon steel

为了研究参比电极位置对接地极-碳钢耦合体系混合电位测试的影响，在不同接地极-碳钢间距(1，5 ，20，50 cm)下测试了参比电极远离碳钢时体系的混合电位,测量电路如图3所示，接地材料与碳钢直接电连接形成闭合回路。耦合体系混合电位的测量在接地极与碳钢电连接20 min后(此时耦合系统已稳定)，采用饱和甘汞电极和电压表V1进行。测试过程中，参比电极靠近碳钢一侧，平行于碳钢表面移动，如图3中的箭头所示。当参比电极远离碳钢表面0，1，2，3，4，5，6 cm时分别记录耦合体系的通电电位。

1.2 试验结果

1.2.1 动电位极化曲线

由图4可以看出，将碳钢和铜极化到-0.85～-1.2 V(vs.CSE)时，碳钢与铜包钢的极化曲线基本重合，二者所需的阴极电流密度相差不大。但是，将接地模块极化到-0.85～-1.2 V(vs.CSE)所需要的电流密度高于碳钢和铜包钢所需的。此外，将锌包钢电位极化到-1.2 V(vs.CSE)需要的电流与铜包钢、碳钢的需求量相差不大。当极化电位低于-1.25 V(vs.CSE)时，极化锌包钢需要的电流密度稍大于铜包钢和碳钢的，但总体变化不大。

图4 不同材料在土壤中的动电位极化曲线Fig. 4 Potentiodynamic polarization curves of different materials in soil

将不同接地材料极化到相同的电位，所需的极化电流有所差异。在特定的条件下，极化电流密度可以相差几个数量级，故接地系统会对阴极保护系统造成严重的影响。由试验结果可以看出，当接地模块(或铜包钢)与碳钢相连时，接地极从阴保系统获取电流发生极化，而接地模块所需的电流较铜包钢更高。锌的自腐蚀电位为-1.0 V(vs.CSE)，只有当锌的极化电位比-1.0 V(vs.CSE)更负时，才需要从阴保系统获取电流。

总而言之，锌包钢作为接地材料的服役性能更优越，但此时管道的阴极保护电位需要控制在-0.85～-1.0 V(vs.CSE)。若管道的阴极保护电位到达-1.2 V(vs.CSE)，甚至更负时，接地极将消耗大量的阴保电流，降低阴保系统的有效性。

1.2.2 阴极保护电流需求量

接地材料对碳钢阴极保护电流需求量的影响如图5所示。由图5可以看出，在恒电位为-1.0 V(vs.SCE)的阴极保护下，接地模块对碳钢阴极保护电流需求量的影响最大，此时碳钢的阴极保护电流需要量达到了330 μA；其次为铜包钢，为72 μA；锌包钢的影响最小，约为54 μA。

图5 接地材料对阴保电流需求量的影响Fig. 5 The effect of grounding materials on cathodic protection current demand

在恒电位为-1.0 V(vs.SCE)的阴保条件下，当接地模块、铜包钢与碳钢相连时，接地极消耗阴保电流，而锌包钢与碳钢相连时，锌包钢发生阳极极化，向碳钢提供阴保电流，因此，在接地极为接地模块与铜包钢的体系中，体系对阴保电流的需求量要大于锌包钢。

另外,从图4的极化曲线也可以看出，当接地模块、铜包钢发生阴极极化时，将两种材料同时极化到-1.0 V(vs.SCE)的电位，接地模块对电流的需求量更大。因此，当接地模块与碳钢相连时，体系对阴保电流的需求量更大。

以上分析可知，当阴保电位为-1.0 V(vs.SCE)时，接地模块、铜包钢、锌包钢对阴保电流需求量依次降低，此时，锌包钢作为接地材料的服役性能更优越。

1.2.3 不同间距下接地材料和碳钢极化电位

由于接地模块的自腐蚀电位正于碳钢的，因此连接后，接地模块发生阴极极化，碳钢发生阳极极化。由图6可以看到，随着接地模块与管道间距的增大，接地模块的极化电位正向偏移，即阴极极化程度降低；而当间距超过5 cm之后，接地模块的极化

图6 碳钢-接地模块耦合体系中间距对极化电位的影响Fig. 6 The effect of distance in the coupling system of carbon steel and grounding module on polarization potential

电位变化不大。

与接地模块相似，铜包钢的自腐蚀电位也正于碳钢的自腐蚀电位，因此连接后，铜包钢发生阴极极化，碳钢发生阳极极化。由图7可以看到，随着铜包钢与碳钢的间距的增大，铜包钢的极化电位正向偏移，即阴极极化程度降低；间距大于5 cm后，铜包钢的极化电位随间距增大而没有明显变化。

图7 碳钢-铜包钢耦合体系中间距对极化电位的影响Fig. 7 The effect of distance in the coupling system of carbon steel and copper clad on polarization potential

与接地模块、铜包钢不同，由于锌的自腐蚀电位正于碳钢的自腐蚀电位，因此连接后，锌发生阳极极化，碳钢发生阴极极化。由图8可以看到，随着锌包钢与碳钢间距的增大，碳钢的极化电位正向偏移，即阴极极化程度降低；当间距超过5 cm后，碳钢的极化电位变化不大。

图8 碳钢-锌包钢耦合体系中间距对极化电位的影响Fig. 8 The effect of distance in the coupling system of carbon steel and zinc clad steel on polarization potential

当接地材料为接地模块或者铜包钢时，碳钢与接地材料电连接，接地材料发生阴极极化，而碳钢发生阳极极化。由于碳钢阳极极化曲线斜率较小，且耦合体系中的电流较小，因而在碳钢-接地模块和碳钢-铜包钢耦合体系中，碳钢阳极极化不明显，但随着间距的增大，碳钢仍存在极化程度降低的趋势，如图6和图7所示。随着耦合体系间距的增大，溶液电阻随之增加，体系总电阻增大引起电流的消耗增多，因而接地模块、铜包钢阴极极化程度降低，极化电位正向偏移。由于铜包钢比接地模块更易极化，所以间距对铜包钢的极化影响更为明显，间距的增大使得铜包钢阴极极化降低的程度大于接地模块。

当接地材料为锌包钢时，碳钢与锌包钢电连接，碳钢发生阴极极化，锌包钢发生阳极极化。锌包钢阳极极化斜率很小，很难极化。因此，碳钢与锌包钢的间距对锌包钢极化电位的影响相对较小，但锌包钢仍存在阳极极化程度降低的趋势，极化电位偏移量在5 mV以内，如图8所示。碳钢在碳钢-锌包钢耦合体系中发生阴极极化，随着间距的增大，溶液电阻所引起的电流消耗越多，碳钢的阴极极化程度降低，碳钢电位正向偏移。

当间距过大，溶液的电阻过高，导致耦合体系的电流被大量消耗，阴极材料极化程度很低，极化电位变化很小，因此间距对极化电位的影响存在一个极限值。由图6～8可以看出。当接地材料与管道的间距小于5 cm时，随着碳钢与接地材料的间距增大，碳钢与接地材料的极化程度呈现降低的趋势；当接地材料与管道的间距大于5 cm时，极化电位不再发生变化。

1.2.4 接地极-碳钢耦合体系的混合电位

由图9可以看到，在碳钢-接地模块耦合体系中，同一碳钢-接地模块间距下，随着参比电极逐渐远离碳钢表面，混合电位逐渐正向偏移。当参比电极与碳钢之间的距离达到一个极限值时，测得的混合电位不再随参比电极位置发生变化：当碳钢-接地模块间距为1，5 cm以及20 cm时，参比电极与碳钢表面距离的极限值为3 cm；当碳钢-接地模块间距为50 cm时，参比电极与碳钢表面距离的极限值为2 cm。

由图10可以看到，在碳钢-铜包钢耦合体系中，随着参比电极与碳钢表面距离的不断增大，耦合体系的混合电位也发生正向偏移。当碳钢与铜包钢的间距为1 cm时，测量距离大于1 cm后混合电位不再发生变化；当碳钢与铜包钢的间距为5 cm时，测量距离大于2 cm后混合电位不再发生变化；当碳钢与铜包钢的间距为20 cm和50 cm时，测量距离大于3 cm后混合电位不再发生变化。

图9 不同间距的碳钢-接地模块耦合体系中参比电极位置对混合电位测量的影响Fig. 9 The effect of reference electrode location in coupling system of carbon steel and grounding module with different distances on mixed potential measurement

图10 不同间距的碳钢-铜包钢耦合体系中参比电极位置对混合电位测量的影响Fig. 10The effect of reference electrode location in coupling system of carbon steel and copper clad with different distances on mixed potential measurement

由图11可以看到，在碳钢-锌包钢耦合体系中，随着参比电极与碳钢表面距离的不断增大，耦合体系的混合电位逐渐负向偏移，且当参比电极与碳钢距离达到极限值时，所测得的混合电位不再随参比电极位置发生变化：当碳钢与锌包钢间距为1 cm和5 cm时，该极限值为3 cm；当碳钢与锌包钢间距为20 cm和50 cm时，该极限值为2 cm。

图11 不同间距的碳钢-锌包钢耦合体系中参比电极位置对混合电位测量的影响Fig. 11The effect of reference electrode location in coupling system of carbon steel and zinc clad steel with different distances on mixed potential measurement

参比电极位置对耦合体系混合电位的测量存在一定的影响。当碳钢与电位较正的接地材料(如铜包钢、接地模块等)相连时，两者之间由于自腐蚀电位的差异而耦合形成一个原电池，由于IR降的存在以及碳钢周围的电场对的混合电位测量影响的减弱，混合电位随着参比电极逐渐远离碳钢表面而呈现逐渐变正的趋势。当测量位置与碳钢表面的距离达到某一极限值，碳钢与接地材料对测量电位的影响相当，所测得的混合电位不再发生变化。

当接地材料为锌包钢时，参比电极远离碳钢表面，碳钢对测量电位的影响减弱，锌包钢对测量电位影响逐渐呈现，因此所测的混合电位负向偏移。与接地模块、铜包钢相似，在碳钢-锌包钢耦合体系中，同样存在极限值使得测量的耦合体系的混合电位不再发生变化。在试验所涉及的接地材料与碳钢的间距下，当参比电极位置与碳钢表面距离超过3 cm后，所测得的混合电位都不再随参比电极的移动而发生变化。

2 现场测试

2.1 测试方法及电路图

现场测试示意图如图12所示，通过现场试验，分别闭合开关1、2、3、4、5、6实现不同的接地材料与管道相连，研究铜、镀锌钢、锌、接地模块(石墨)、HY004A(镀镍紫铜)、CET(锌、带填包料的不锈钢)六种接地材料对管道阴极保护系统的影响。管线的长度为10 m，直径为508 mm，涂层为FBE。六种接地材料的安装方式如图13所示。

图12 现场测试示意图(俯视图)Fig. 12 Sketch of outdoor simulation experiment (planform)

(a) 铜 (b) 镀锌钢 (c) 锌 (d) 接地模块

(e) HY004A (f) CET(填包前) (g) CET(填包后)图13 不同接地材料的安装方式Fig. 13 Field installation of various grounding materials: (a) Cu; (b) galvanized steel; (c) Zn; (d) grounding module; (e) HY004A; (f) CET (before filling) and (g) CET (after filling)

2.2 现场测试结果

采用外加电流阴极保护进行现场试验。现场测试在恒电流和恒电位两种阴极保护条件下进行，其测试结果见表1和表2。

表1 恒电位阴极保护下管道与不同接地材料连接时所需的阴保电流Tab. 1 The cathodic protection current of pipeline connected with different grounding materials under potential-static cathodic protection condition mA

由表1可以看出，在恒电位阴极保护条件下，当管道与接地模块相连时，阴保电流的需求量最大，管道与HY004A相连时则次之，当管道与铜接地极相连时，对阴保电流的需求量位居第三。接地模块与HY004A对阴保系统的影响大于铜接地极。这是因为铜极化所需的阴保电流很小，尽管接地模块与铜的自腐蚀电位相近。当管道的阴保电位为-0.9V(vs. CSE)时，若将其与镀锌钢或锌电连接时，电源的输出电流极性发生逆转，表明此时接地材料能提供足够的阴保电流，不需要直流电源提供阴保电流。

表2 恒电流阴极保护下管道与不同接地材料连接时所需的阴极保护电位Tab. 2The cathodic protection potential of pipeline connected with different grounding materials under constant-current cathodic protection condition V(vs.CSE)

若要管道的阴保电位达到-1.3 V(vs.CSE)，当管道与镀锌钢或者锌电连接时，需要直流电源分别提供1.32 mA和1.22 mA的阴保电流，这比无接地极下需要的阴保电流(0.153 mA)更高。这表明，在这种情况下接地极(镀锌钢或者锌)消耗了阴保电流。此外，当管道与CET接地极相连时，由于不锈钢接地极与填包料的影响，直流电源将直接向管道输出阴保电流。填包料对阴保系统的影响还不明确，需要进行更多的试验来探索。

由表2可以看出，在恒电流阴极保护条件下，当直流电源的输出电流高于0.125 mA，接地系统使得管线电位发生正向偏移；当输出电流低于0.078 mA时，锌和镀锌钢接地极使管道电位发生负向偏移。HY004A对管道电位的影响最大。在恒电流阴极保护下，如果管线与铜、接地模块、HY004A、CET相连，管线的电位将比-0.85 V(vs.CSE)更正。

3 结论

(1) 在土壤中，铜和碳钢极化需要的电流几乎一样，但极化接地模块需要的电流更多。

(2) 在-1.0 V(vs.SCE)的恒电位阴极保护下，接地材料为接地模块、铜包钢、锌包钢时，体系对阴极保护电流的需求量依次降低，锌包钢作为接地材料的服役性能更优越。

(3) 无阴极保护下，在耦合体系中碳钢与接地材料间距的增大会引起极化程度的降低，并且间距对极化电位的影响存在一个极限值，在试验条件下，当间距达到5 cm，即试样直径的5倍，极化电位不再发生变化。

(4) 参比电极的位置对接地材料-碳钢直流耦合体系混合电位的测试存在一定的影响。在试验条件下，当参比电极与碳钢表面距离达到3 cm，即试样直径的3倍，所测得的混合电位不再发生变化。

(5) 现场测试表明，铜、HY004A(镀镍紫铜)，接地模块(石墨)、CET(锌、带填包料的不锈钢)能导致管道的电位发生正向偏移，同时也会增大直流电源的输出电流。

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Effect of Electrical Grounding Material on the Cathodic Protection of Buried Metallic Pipeline and Its Current Demand

JIANG Zi-tao1, DU Yan-xia2, LIANG Yi2, XIONG Jin-gen3, SUN Bing-bing3

(1. Safetech Research Institute, Beijing 100083, China; 2. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3. Petrochina West Pipeline Company, Urumqi 83000, China)

Polarization characteristics of various grounding materials were measured in laboratory and then the effect of grounding materials on cathodic protection current demand of pipeline was discussed. Moreover, the effect of space between grounding and pipeline on polarization potential was studied by indoor simulation experiments. The results indicated that cathodic protection current demand decreased in turn, when the grounding material was grounding module, copper clad steel and zinc clad steel. Among them, the zinc clad steel was the best material for grounding. When the space between grounding and pipeline was beyond 5 times of sample diameter, the polarization potential of sample stayed stable, indicating that the effect of space was negligible.

regional cathodic protection; grounding; pipeline; efficiency of cathodic protection

2015-06-15

杜艳霞(1980-)，博士，副研究员，从事腐蚀与防护研究工作，15801429530，duyanxia@ustb.edu.cn

10.11973/fsyfh-201612012

TE832

A

1005-748X(2016)12-1003-07