脉冲电流阴极保护参数的影响规律

张 涛,周好斌,许 庆

(西安石油大学 材料科学与工程学院,西安 710065)

应用技术

脉冲电流阴极保护参数的影响规律

张 涛,周好斌,许 庆

(西安石油大学 材料科学与工程学院,西安 710065)

在NaCl溶液中建立了均匀介质模拟油井套管体系，采用挂片法研究了方波脉冲电流参数(频率、占空比)、阳极距离等因素对方波脉冲电流阴极保护效果的影响。结果表明：随着方波脉冲电流频率和占空比的增加，阴极极化电位分布曲线逐渐负移，极化幅度逐渐增加，有效保护深度明显延长，所需平均保护电流更小。要提高保护效果和降低电流消耗，应选择中间范围的占空比、较高的频率以及适当的阴阳极距离。

油井套管;脉冲电流;阴极保护;电流参数;阳极距离

油井套管脉冲电流阴极保护技术距今已经有四十多年的发展历史，但是人们对其机理以及保护效果的研究还很匮乏。油田现场的应用实例少见报道，这在很大程度上限制了该技术的应用发展。胡士信，邱于兵等在阴极保护方面做了大量的研究，而对于油井套管脉冲电流阴极保护的研究却仍很少。脉冲电流阴极保护技术具有传统直流阴极保护技术无法比拟的优越性,目前，国外该项技术仅少量应用于油井套管系统，而国内在油井套管系统方面还没有实际应用的相关报道[1-3]。油井套管脉冲电流阴极保护技术的优越性已经显现出来,因此针对该技术的保护规律和效果有必要进行深度研究[4-5]。

本工作模拟了水池油井套管腐蚀体系，研究了模拟环境中脉冲电流阴极保护参数(频率，占空比，阳极距离)对40角钢方波脉冲电流阴极保护效果的影响，以期为实际油田油井套管的防腐蚀提供技术支撑。

1 试验

试验采用挂片法，在5.0 m×0.5 m×0.5 m的水池中建立了均匀介质模拟油井套管体系，试验装置示意图见图1。其中，试验用电源为自制脉冲电源；阴极采用长4.5 m的40角钢，试样在试验前先用抛光机进行除锈处理，然后用金刚石砂纸逐级打磨至160号，再经丙酮脱脂、干燥24 h后，上端焊接电位线，设定四个等距离保护电位测量点；阳极为φ100 mm×30 mm的石墨体；参比电极为232型饱和甘汞电极，4支参比电极等距离摆放。阴阳极入水深度均为10 cm，试验溶液为0.6%(质量分数，下同)NaCl溶液。

图1 模拟油井套管阴极保护系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of simulated well casing cathodic protection system

试样放置好后，调整好两者距离，浸泡16 h后开始试验。先测量角钢表面自腐蚀电位(Ecorr)分布，然后再施加一定频率和占空比参数的脉冲电流(I)，测量管表面保护电位的分布，距离阳极最近处为参比电极测试点1，然后依次为测试点2，测试点3，测试点4。

试验时间为72～168 h，在脉冲电流阴极保护下，阴极极化电位不断负移。根据以往试验结果，极化120 min后，电位达到相对稳定，然后每隔1 h测一次电位，每组测8次取平均值[6-7]。

根据阴极保护效果判断标准,选取极化电位(相对于饱和甘汞电极，SCE)为-0.77～-1.03 V即达到有效保护。正于-0.77 V为欠保护,负于-1.03 V则为过保护[8]。

2 结果与讨论

2.1 方波脉冲电流参数的影响

由图2可见，占空比(p)为20%条件下，当频率(f)为500 Hz时，保护电位为690～1 033 mV，此时距离阳极最近处试样已处于过保护状态，而随着保护深度增加，试样末端保护电位却未达到极化电位要求范围，试样未得到有效保护[9-11]。当频率为3 500 Hz时，其保护电位为718～1 016 mV，尽管试样末端仍未完全处于阴极极化电位要求范围，但是试样绝大部分处于被保护状态，且未出现过保护现象。当频率增至5 500 Hz时，其保护电位为705～1 026 mV，保护效果不如3 500 Hz时的。可见,单纯改变频率无法使管表面达到有效保护。因此，采用脉冲电流阴极保护时，频率并非越高越好，取中间值时保护效果反而更好。由图2还可见，相同频率条件下，占空比为50%时，脉冲电流阴极保护效果最好，因此占空比也应当取中间值。

(a) p=20% (b) p=50% (c) p=70%图2 不同占空比条件下，不同频率脉冲电流对阴极保护效果的影响Fig. 2 Effects of pulse current with different frequencies on cathodic protective results in different duty cyde conditions

2.2 阳极距离的影响

根据脉冲电流参数影响的试验结果,选择了一组适当的脉冲电流参数:f=3 500 Hz、p=20%、IA=220 mA。采用该电流参数,在不同的阴阳极距离下，得到阴极表面极化电位分布，结果见表1和图3。

由图3可见，当阳极距离(D)为1 cm时，管表面电位为698～1 061 mV，管上部(深度0～0.3 m)已开始出现过保护现象，而下部(3～4.5m)还未达到有效保护。当D为5 cm时，管表面电位为705～1 067 mV，管上部仍有过保护现象，但不明显，下部仍未达到有效，但较D为1 cm时有所改善。当D为10 cm时，管表面电位为735～1 014 mV，管上部未出现过保护现象，下部(约4～4.5 m)未达到有效保护。当D为20 cm时，管表面电位为66～1 059 mV，管上部(深度0～0.2 m)已开始出现过保护现象，而下部(.5～4.5 m)还未达到有效保护。可见，D并不是越小或者越大越好，即阳极距离阴极不宜太近或者太远。在条件允许的情况下,应尽可能采用适当较大的阳极距离[12-15]。

表1 阳极距离对保护效果的影响Tab. 1 Effects of anode distance on protection results mV

图3 阳极距离对阴极保护效果的影响图Fig. 3 The influence diagram of anode distance on the cathodic protection effect

3 结论

(1) 随着保护时间的推移，脉冲电流在不同参数条件下，阴极保护电位都会越来越负。

(2) 其他条件不变时，脉冲电流阴极保护参数选取较高频率、适中占空比时，阴极才能得到较好保护，且消耗电流更低。

(3) 要使阴极在脉冲电流阴极保护条件下达到较好的保护效果，应尽可能选择中间范围的阳极距离。

(4) 在实际的油井套管脉冲电流阴极保护系统中，一般阳极地床距离井口的水平距离不能太近或太远，因此只通过调节D不可能使套管达到全线有效保护，此时应该适当调节脉冲电流参数值，否则只能采取其他措施来增加套管保护深度。

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Influence Law of Pulse Current Cathodic Protection Parameters

ZHANG Tao, ZHOU Hao-bin, XU Qing

(School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

Simulation system of oil well casing was established in NaCl solution, coupon test method was used to investigate the effect of square wave pulse current parameters (frequency, duty cycle) on protection effect of pulse current cathodic protection. The results showed that with the increase of square wave pulse current frequency and duty cycle, the cathodic polarization potential distribution curve negatively shifted gradually, the polarization amplitude increased gradually, the effective protection depth was obviously prolonged, the protection current was smaller in average. To improve the protection effect and reduce the current consumption, the middle range of duty ratio, high frequency and appropriate distance between the cathode and the anode should be chosen.

oil well casing； pulse current； cathodic protection； current parameter； anode distance

10.11973/fsyfh-201701014

2015-07-17

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTCL-04)

周好斌(1965-),教授,博士,主要从事腐蚀与防护技术、焊接设备与工艺研究,15249290929,hbzhou@xsyu.edu.cn

TG172

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1005-748X(2017)01-0062-03